圓錨圈鍛造工藝與模具設計

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1、南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 南 京 工 程 學 院 畢業(yè)設計說明書(論文) 作 者： 學 號： 學院（系、部）： 材料科學與工程學院 專 業(yè)： 材料成形及控制工程 題 目： 圓錨圈鍛造工藝與模具設計 指 導 者： 評 閱 者：

2、 2019 年 6月 南 京 第36頁 畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要 圓錨圈的鍛造工藝與模具設計 本次課題主要的研究內容為九孔圓錨圈的鍛造成型，對圓錨圈的鍛造工藝進行了設計。同時與傳統(tǒng)的設計方法進行了比較，通過運用精密鍛造，提出了新的模具設計方案。運用成形FEM分析，得出了一種與傳統(tǒng)工藝方案相比更為合理，模具更能夠達到安全可靠的生產要求，鍛出的產品質量優(yōu)良，同時能夠節(jié)約成本的新方案。通過DEFORM軟件的應用，對鍛造過程中出現的問題進行改良，對方案進行優(yōu)化，最終得出實際可行的方

3、案，完成九孔圓錨圈的鍛造成型。 關鍵詞 精鍛 圓錨圈 熱鍛 DEFORM 畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要 Title Forging Technology And Die Design Of Round Anchor Ring Abstract The main research content of this project is the forging of nine-hole circular anchor ring. The forging process of circular anchor ring

4、is designed. At the same time, compared with the traditional design method, a new design scheme of die was put forward by using precision forging. By FEM analysis, a new scheme is obtained, which is more reasonable than the traditional process scheme. The die can meet the requirements of safe and re

5、liable production. The quality of forged products is excellent, and the cost can be saved at the same time. Through the application of DEFORM software, the problems in forging process are improved and the scheme is optimized. Finally, a practical scheme is obtained to complete the forging of nine-ho

6、le circular anchor ring. Keywords precision forging Circular anchor ring Hot forging DEFORM 目錄 第一章 緒論 5 1.1 模具的概念、作用及優(yōu)點 5 1.2鍛造模具工業(yè)國內外的發(fā)展狀況 6 1.3 錨圈的技術研究現狀 7 1.4精鍛行業(yè)的特點和發(fā)展 7 1.5本課題應達到的要求 8 1.6課題研究進度計劃 9 第二章 圓錨圈鍛造工藝 10 2.1 圓錨圈的產品介紹 10 2.2使用閉式模鍛進行圓錨圈鍛造 10 2.3工藝方案的擬定 13 2.4

7、鍛模的設計思路 14 2.5鍛造工藝的基本工序和工步 15 2.6加工余量、鍛件公差、沖孔連皮 18 第三章 圓錨圈成形FEM分析 19 3.1 圓錨圈三維零件圖設計 19 3.2 DEFORM的介紹 20 3.3 錨圈鍛造工藝DEFORM分析 22 第四章 圓錨圈模具結構設計 27 4.1 圓錨圈尺寸計算和設備選擇 27 4.2 圓錨圈的模具結構設計及分析 29 4.3 圓錨圈模具裝配示意圖及工作過程介紹 30 4.4 模具材料的選擇 30 4.5模具的經濟性分析 31 第五章 總結 33 參考文獻 34 致 謝 35 第一章 緒論 1.1 模

8、具的概念、作用及優(yōu)點 模具的概念 工業(yè)生產過程中，通過各種壓力機以及專屬工具，使得各種塑性材料在這種專用工具內產生變形以及流動的工具，我們稱之為模具。簡而言之，就是在外力作用下，使得胚料成為具有所需要形狀、尺寸的生產工。 模具的作用 在實際的工業(yè)生產中，模具是使用非常廣泛作用非常大得的重要工藝裝備。采用模具來進行產品的生產，能夠有生產效率高、節(jié)約原材料、保證產品質量等優(yōu)點。是現代工業(yè)生產的重要手段以及主要發(fā)展方向。 在金屬、橡膠、塑料、玻璃、陶瓷等產品的生產過程中，模具發(fā)揮了至關重要的作用。實際上，模具已經成為現階段工業(yè)生產領域中不可缺少的重要工具。在儀器儀表、汽車生產等領

9、域中，有百分之六十以上的零件需要利用模具來進行加工。在輕工業(yè)中，模具顯得更為重要，如螺母、螺釘等應用非常普遍的標準件。假如說不存在模具，所有的標準件就無法大規(guī)模制造。 模具在生產領域中的應用，不僅可以有效的提升產品的生產效率，同時也為各種零部件的大規(guī)模生產提供了可能。除此之外，模具生產的產品，在規(guī)格、尺寸以及整體質量上保持了高度的一致性，在有效節(jié)省原材料的基礎上，保障了生產的總體質量。所以，模具已經成為現代化生產過程中至關重要的工具之一，在多個領域都有著不同程度的應用。所以，一國模具發(fā)展的總體水平，已經成為當前階段衡量該國工業(yè)發(fā)展總體水平的核心指標之一 [13]。 模具加工制品的優(yōu)勢 模

10、具加工在實際的應用過程中，主要有以下的一些優(yōu)點： （1） 產品的質量穩(wěn)定，具有良好互換性； （2） 操作工藝比較簡單； （3） 生產效率極高，并且支持大批量生產效； （4） 有效降低原材料的用量； （5） 生產自動化容易實現； （6） 能夠為特殊、復雜形狀的零部件的加工提供強大的支持； （7） 批量生產節(jié)約成本； （8） 加工的產品可以一次成形； 1.2鍛造模具工業(yè)國內外的發(fā)展狀況 鍛造是現如今的金屬加工方法之一，在現代的制造業(yè)中占有很重要的地位。在實際的應用過程中，鍛造基本上都是以體積為基礎成形的，利用調整和重新分配金屬體積來實現零部件或者零部件毛坯的制作，通過這

11、種方式生產出來的零件我們將其稱之為鍛造件。其中，模鍛一般通過將金屬坯放在鍛件形狀相同或者相近的型腔中，然后利用鍛造設備對其施加的載荷，來使毛坯產生塑性變形，同時變形的流動，又會受到型腔的限制。 金屬材料通過這樣的方法塑性成形，可以使得產品尺寸形狀精確、表面光滑程度較高，同時還能提高其內部組織的性能，使得使用性也得到提高。并且，在實際生產中，模鍛有著較高的生產率，鍛件材料利用率高、機加工余量小、零件使用壽命長；在實際的工程應用中承受較復雜或者承受較大載荷的零件，常使用該方法進行生產。 鍛造技術在國內的起步比較晚，但是在中國，鍛造卻有著非常悠久的歷史。從遠古的青銅器時代開始,人們就已經學會了一

12、些基本的利用鍛造技術鍛制兵器、農具等用品的方法。然而從遙遠的春秋戰(zhàn)國時代開始一直到近代,我國的鍛造技術水平一直不高始終處于手工作坊生產的水平,主要的生產工藝也以手工自由鍛為主。這樣的狀況直到新中國成立之后才出現了根本性的轉變。建國初期，我國人民群眾利用所繳獲的日軍設備以及蘇聯所援助的工業(yè)設備，從無到有的建成了我們現在所看到的鍛造工業(yè)。而隨著我國各領域的快速發(fā)展，國內鍛造技術的發(fā)展也取得了一系列突破性的進展[1]。 當前我國國民經濟的快速發(fā)展和工業(yè)生產技術的不斷突破，鍛造已經成為多個領域不可或缺的重要技術之一，經濟的發(fā)展一方面對鍛造技術提出了更高的要求，另一方面也同樣為鍛造技術的進一步發(fā)展奠定

13、了堅實的物質基礎[2]。 1.3 錨圈的技術研究現狀 作為預應力錨固體系中的重要內容，錨具目前主要是以夾片是錨具的應用最為廣泛。其核心部件包括錨圈、錨墊板、鋼絞線以及夾片等[5]。事實上，如何有效地提升錨具結構安全性，始終是目前研究的重要方向。現有研究中，主要是以錨具摩擦因數對其應變能力、應力分布情況以及塑形面積的影響為主，而且錨合高度對應力的影響、錨合角度對應力的影響等方面的研究日益深入，但是在實驗過程中，試驗的次數常常特別多，因此也有人提出了正交試驗以優(yōu)化設計。 信息技術的快速發(fā)展，使得人們開始在錨具應力領域的研究中引入有限元和計算機仿真相結合的新方法，這對于錨具安全性的提升無疑是有

14、著重要的現實意義的[6，7]。在實際的使用過程中，錨圈長期受到彈性應力的作用，僅僅在和夾片接觸的部分會出現一定的塑性形變。當然，極限受力情況下，錨具也會出現微小的塑性形變，但是其數值非常小，可歸屬于小變形的范疇之中。因此，在對錨具進行有限元分析的過程中，經常往往只將材料的非線性特征考慮進去。這里我們所介紹的材料的非線性，主要是指材料應力情況受到現有應變和歷史應變的決定性影響。 錨圈是夾片的重要支撐件，在實際的應用過程中也同樣是通過錨圈傳導預應力給底座的，所以要求錨圈不得產生任何塑性形變，在夾片和鋼絞線之間完全咬合之后，必須保證其咬合的穩(wěn)定性，否則錨固將失去預期的作用 [8]。對其進行有限元分

15、析的過程中，應結合實際情況構建模型開展分析。通過上述分析而獲得錨圈的應力分布數據，為我們更好的掌握錨圈在實際應用中的受力情況提供了必要的數據支持，也是我們生產錨圈過程中，選材的重要依據。 1.4精鍛行業(yè)的特點和發(fā)展 精鍛已經成為包括汽車、機械設備、航空航天領域的關鍵技術之一，不僅為制造業(yè)的發(fā)展提供了巨大的支持，也成為我們生產生活過程中必不可少的一種技術。然而，隨著各領域、各行業(yè)的進一步發(fā)展，也同樣對精鍛提出了更高的技術要求。傳統(tǒng)的普通鍛造、切削加工技術已經越來越難以滿足實際的生產需求?；谏鲜銮闆r，如何使得精鍛產品最大限度的貼近產品的最終形狀，甚至直接生成產品，是我們當前階段所必須重

16、點關注的問題 [9]。 從本質上來說，這里我們所重點介紹的精鍛實際上是以普通鍛造技術為基礎，不斷改造而來的一種新型鍛造技術?？陀^上來說，精密鍛造成型技充分融合了信息技術、新材料技術、計算機技術、新能源技術，并憑借自身更高的效率和更低的能耗而應用于多個領域。從上世紀七十年代開始，逐漸成為制造業(yè)市場競爭的主流技術[10]。并且在不斷發(fā)展過程中，也逐漸形成了相對完整的鍛造成形體系。在實際的應用過程中，精鍛的金屬，其流線始終沿著零部件外形分布而不斷，這不僅為零部件承載能力的提升提供了強有力的支持，同時在組織結構、安全性以及整體使用壽命方面都有著顯著的提升。而且精鍛的產品外觀、形狀均更為理想，因此往往

17、可以帶來更大的經濟效益。當前階段市場經濟環(huán)境下，人們根據既往的生產和使用經驗，將精鍛進一步劃分為溫精鍛成形、冷精鍛成形、復合精鍛成形、分流鍛造等多種不同的形式。在達納公司的研究成果中，較為系統(tǒng)的介紹了靜謐封閉式模鍛等工藝 [11]。 當前階段，精鍛技術正朝著綠色、環(huán)保的方向發(fā)展著。這里我們所強調的綠色鍛造，主要是指綜合考慮資源效率和環(huán)境保護因素的一種鍛造模式，在生產的過程中追求全壽命周期中對環(huán)境造成的危害降低到最小化水平，并實現資源利用效率的最大化[12]。 1.5本課題應達到的要求 認真閱讀任務書，以任務書中所介紹的時間、要求為基礎，保質保量的完成設計工作。嚴格遵守畢業(yè)設計紀律

18、，按時出勤，態(tài)度端正，保持嚴謹、踏實的畢業(yè)設計作風，和其他畢設同學有效合作，發(fā)揚協(xié)作精神。對畢業(yè)設計制定正確的技術路線，對研究過程中出現的問題認真分析，總結結論要求正確、合理、有效，了解企業(yè)的模具設計流程和制造情況，模具新技術、新工藝。設計過程中認真研究分析技術方案的經濟性和合理性，同時考慮環(huán)保要求。畢業(yè)設計要求采用我國最新工程（模具）標準，同時必須了解相關企業(yè)采用歐美等國家設計標準情況。使用繪圖軟件UG（PROE、CATIA）進行3維模具圖設計，使用AUTOCAD軟件完成模具的2D總裝圖和若干零件圖的繪制。利用Deform軟件完成鍛造成形工藝的數值模擬分析，設計說明書要求條理清晰，論述正確，

19、層次清楚，邏輯合理，圖表規(guī)范。圖紙資料規(guī)范，齊全，裝訂符合要求，查閱文獻資料不得少于12篇，其中外文文獻2篇以上，與本課題的相關度要求高。 1.6課題研究進度計劃 第1周 收集、查閱相關中英文文獻資料，完成英文資料翻譯 第2周 撰寫文獻綜述，確定設計方案，提交開題報告 第3周 圓錨圈產品分析及有關計算 第4周 初選設備，確定成型方案 第5~6 周圓錨圈鍛造成形工藝FEM分析 第7~8 周撰寫成形工藝研究分析報告 第9周 繪制模具裝配圖的結構草圖 第10周 有關計算

20、與校核，確定設備 第11~12周 繪制模具裝配圖 第13~14周 繪制二維和三維零件圖 第15周 撰寫論文并進行針對性的修改和完善 第16周 完成畢業(yè)論文，準備答辯相關工作 第二章 圓錨圈鍛造工藝 2.1 圓錨圈的產品介紹 圓錨圈是現階段使用較為廣泛的一種錨圈，多應用于橋梁施工中，一般采用45鋼制造。共設計9個孔位，橋梁施工中大量使用。采用鍛造成形材料耗費低，質量好。我國為橋梁建造大國，不僅擁有多項世界橋梁史上的記錄，而且也擁有全球長度最大的跨海大橋。可以說，我國橋梁建設方面所取得的成就，為全世

21、界所矚目。而在橋梁建筑、施工過程中，圓錨圈的作用十分的大，是橋梁建設中不可或缺的一環(huán)，所以對圓錨圈的設計，以及在進行鍛造時所需要的技術是非常值得我們去研究的，同時對橋梁的建設也有很深遠的影響。 2.2使用閉式模鍛進行圓錨圈鍛造 2.2.1模鍛成形方法介紹 在現如今的實際生產方式中，模鍛在一般情況下被分為為開式模鍛（見圖 ）與閉式模鍛（見圖 ）。開式模鍛在成形的時候會形成飛邊（也成毛邊），因此常常也被稱為飛邊模鍛；反觀閉式模鍛在正常情況下一般不會產生飛邊，因而也稱為無飛邊模鍛。 圖2.1 開式模鍛 圖2.2 閉式模

22、鍛 2.2.2 模鍛的成形過程 1.開式模鍛的成形過程 圖2.3是開式模鍛變形的具體過程，我們一般根據變形的具體特點，將其劃分為四個不同的階段，下面我們將分別予以介紹： 第一階段(自由變形階段，部分文獻 資料中也將其稱之為鐓粗變形階段)。該 階段之中，坯料在型槽中受到力的作用而發(fā) 生鐓粗變形，還可能出現一定程度的壓 入變形。而當胚料和模膛側壁接觸的之 后，本階段完成。而在這一過程中，三項 壓應力狀態(tài)下的金屬形變相對較小，但是 其變形抗力也同樣處于較小的水平。 第二階段(形成毛邊階段)。在上一個 圖2.3 開式模鍛變形過程 階段完成后，模型內膛壁對金

23、屬流動產生限制，也就是說胚料無法順利的流向和作用力垂直的方向，所以繼續(xù)對其施壓之后，可能流向模膛深處也可能流向毛邊槽而形成毛邊。在這一階段中，變形抗力有了顯著的提升，并且毛邊橋部內側的金屬的三向壓應力水平也得到了進一步的強化。 第三階段(充滿型槽階段)。在上一階段形成毛邊之后，金屬坯形變程度的進一步增加，將會促使毛邊厚度下降，進而生成一個阻力圈，導致產生阻力而使得金屬繼續(xù)向模膛深處行進，完全沖毛模腔而停止。在這一階段中，金屬的三向壓應力更強，并且其變形抗力也遠大于上一階段。 第四階段(打靠階段)。在進料的過程中，模膛的容積通常略小于所使用的坯料，所以上一階段之后，必須通過打靠的方式使得上下

24、模具相接處，以保證高度數據符合要求。而在本階段中，形變集中于分模面附近的少量區(qū)域，而這一過程中，毛邊厚度進一步減少，使得多余金屬經由橋口流出的過程中受到非常大的阻力，所以變形區(qū)的變形抗力、三向壓應力達到最大值。有研究表明，雖然該階段中壓下量仍然在2mm以內，但是卻會消耗掉整個模鍛三到五成的能耗。 2.閉式模鍛的成形過程 閉式模鍛可以進一步劃分為開式墩粗、充滿角隙和擠出端部飛邊三個階段。 圖2.4閉式模鍛成形過程 第一階段（鐓粗階段），這實際上也就是我們所熟悉的自由鐓粗，即由開始變形（△HⅠ）至金屬基本充滿型槽（△HⅡ）。胚料接觸到最寬型槽的側壁接觸之

25、后，本階段完成。在這一階段中，型槽中部分填充難度較小的部分得到填充。而后續(xù)階段性，變形抗力將會出現大規(guī)模的上升。 第二階段（角隙階段），以型槽被金屬充分充滿為結束標志。本階段中，模型內膛壁對金屬流動產生限制，變形金屬不同部分的三向壓應力狀態(tài)有所區(qū)別，直到完全充滿型腔。在該階段開始時，坯料的變形區(qū)位于未充滿處附近的兩個剛性區(qū)之間。本階段中，不僅變形區(qū)開始縮小直至消失，而且變形力大幅度上升。 第三階段（出端部飛邊階段）。本階段中，多余金屬受到壓力的作用而形成環(huán)形縱向飛邊。飛邊不僅會嚴重磨損模具，還會浪費大量的能量，所以四角充滿后模鍛之后，馬上停止動力供應是最佳的模式。閉式模鍛一般適用于軸對稱變

26、形或近似軸對稱變形的鍛件，應用最多的是短軸類的回轉體鍛件。 根據實際情況，圓錨圈的鍛造擬定使用閉式模鍛來進行，使用閉式模鍛，可以使得產品尺寸形狀精確、表面光滑程度較高，同時還能提高其內部組織的性能，使得使用性也得到提高。并且，在實際生產中，模鍛有著較高的生產率，鍛件材料利用率高、機加工余量小、零件使用壽命長，有著很好的實用性，在實際生產中使用能夠得到較好的效益。 2.3工藝方案的擬定 2.3.1傳統(tǒng)的錨圈制造方案 傳統(tǒng)的制造圓錨圈的方案，大體分為兩種： 第一種，直接將原料切割成最終產品所需要的尺寸的圓餅料，將圓餅料固定在數控機床上，利用數控機床來進行機加工，直接一次性

27、在圓餅料上進行切削加工，一次性得出成品，這種方案在實際生產中，會因為在切削時要切削出九個通孔，會浪費大量的材料，導致成本的提高，同時在大量生產時，對刀具的磨損速度也會大大加快，得不償失，故棄用。 第二種，在經過原料切割制成的圓餅料上，進行模鍛，一次鍛造一個孔，每鍛造一個孔，將圓餅料旋轉45度，鍛出邊上的八個孔，最后再鍛出中間的孔，這樣的方法看似可行，然而實際生產中這樣生產會導致坯料在鍛造時，金屬的流動難以控制，一次鍛造一個孔，容易導致坯料在鍛造時產生塑性變形，一個孔鍛造好后，鍛造相鄰兩個孔時，會導致金屬流動從而導致原先鍛造好的孔的孔壁產生變形，這樣不但沒有起到生產的目的，反而在浪費材料，后期

28、還需要重新修改方案，或者重新機加工才能得到零件，費時費力，故棄用。 2.3.2擬定錨圈制造的工藝方案 在以上的方案棄用之后，我們發(fā)現，機加工的弊端太多，不選用，但是第二種方案利用模鍛成形，卻有一些可取之處，例如前文提到的，利用模鍛成形，有著能夠節(jié)約成本以及時間等等優(yōu)點，故我們在原有方案上加以優(yōu)化，一次鍛出九個孔，并且利用閉式模鍛，來限制金屬的流動，以保證在成形的過程中，鍛件不會產生太大的塑性變形導致報廢。初步擬定的方案如下： 下圓餅料，對其進行加熱，然后將其放入閉式模鍛的凹模里，利用壓力機將其鍛造成型。 這樣的方案，擁有著成形精度高，工步少，材料損失少，節(jié)約成本等優(yōu)點，故選用。

29、 2.4鍛模的設計思路 利用表2-1來確定鍛模的設計思路 項號 分類方法 模具名稱 應用范圍 1 按模鍛設備分類 模鍛錘用鍛模 摩擦壓力機用鍛模 自由鍛錘用固定鍛模及不固定鍛模 （胎模） 2 按工藝用途分類 模鍛用鍛模 切邊、沖孔鍛模 用于成品鍛件 用于切除飛邊及穿孔 3 按有無飛邊分類 開式模鍛用鍛模 閉式模鍛用鍛模 各種鍛件 軸對稱回轉體鍛件 4 按模腔數量分類 單腔鍛模 多腔鍛模 用于胎模鍛和摩擦壓力機模鍛多用于錘上模鍛

30、 表2-1鍛模的分類 2.5鍛造工藝的基本工序和工步 根據不同的標準劃分，鍛件流程有不同的劃分。一般的劃分標準是依據生產流程。從備料到加熱，再是鍛造工序，最后才是后續(xù)工序。其中需要說明的是第三步，可以按照加工方法進行劃分。（1）自由鍛工序。主要是借助鍛造設備的上、下砧以及一些工具，進而產生壓力進行變形。其優(yōu)點在于，對設備要求不高，經過自由鍛錘即可，因此鍛件精度低。（2）胎模鍛工序。利用簡單的可移動模具，在自由鍛錘上鍛造，稱為胎模鍛工序。它通常用于批量不大、精度要求不高的鍛件生產。（3）模鍛工序。利用專門的鍛模固定在模鍛設備上使壞料變形而獲

31、得鍛件的鍛造方法稱為模鍛工序。生產中模鍛工序往往又要分成好幾個工步來逐步實現。工步是在鍛造加工時采用一種模具在鍛造設備一次或多次動作下，使坯料產生一種方式的變形并獲得一定的外觀變形量的步驟。如汽車發(fā)動機上連桿鍛件在錘上模鍛時，就要經過拔長、滾壓、預鍛、終鍛四個工步。目前生產中所用鍛造工序和工步名稱很多。除按加工方法不同區(qū)分外，還可以按成形特點命名，如鐓粗工序、拔長工序、彎曲工序等。表2-2只列舉模鍛工序。 表2-2 模鍛加工工序 分類 序號 名稱 加工示意圖 成形特點說明 模 鍛 工 序 1

32、 拔長制坯工步 利用鍛模模膛，同時操作坯料，一面翻轉，一面送進，使坯料長度增加，截面積減小。一般要多次連續(xù)鍛打才能完成。有去除 氧化皮功能 2 壓扁（鐓粗）制坯工步 利用鍛模上壓扁平臺或鐓粗臺，在鍛造力作用下， 使坯料截面積增大高度減小。鍛造力與坯料軸線垂直，稱壓扁制坯工步鍛造力與坯料軸線一致稱鐓粗 制坯工步 3 滾壓制坯工步 利用鍛模模膛，同時操作坯料不斷翻轉，在多次連續(xù)鍛打下，使坯料一處截面積增大，另一處截面積減小，起聚料作用，同時 有滾光和去除氧化皮功能 4 卡壓制坯工步

33、又稱壓肩制坯工步。坯料在鍛模模膛中只受鍛壓力一次作用，使高度減小寬度增加，有少量聚料作用 5 彎曲工步 利用模具使坯料軸線彎曲成形 6 擠壓工步 坯料放在鍛模內，在沖頭壓力下擠壓成形。又分正擠、反擠、復合擠、徑向擠等。圖示為正擠 7 預鍛工步 使制坯后的中間坯料進一步變形，使它更接近鍛件形狀，以改善坯料在終鍛時流動條件，避免產生充填不滿和折疊，并提高終鍛模膛的壽命 8 終鍛工步 使坯料在終鍛模膛中最終成形，生產出符合鍛件圖要求的鍛件 2.6加工余量、鍛件公差、沖孔連皮 2.6.1加工余量 由于毛坯表面在高溫下產生氧化、脫碳以及其他污

34、染現象，毛坯體積變化以及終端溫度的波動，鍛件表面敷料等原因，普通的模鍛方法一般不能滿足最終零件對形狀和尺寸精度、表面粗糙度的要求。因此，鍛件的全部或部分表面，在模鍛后還需進行機械加工，在這些表面就應該留有供機械加工用的金屬層，被叫做機械加工余量。也就是說鍛件需要經過此步驟，都可以采取加工余量。 但是加工余量需要注意以下幾點：（1）具體尺寸和形狀不同，都有所差異；（2）從精度的角度。有的要求粗糙，有的則要求精細；（3）設備磨具的選擇。這些往往和精度密切相關，設備越精細，精度就越高；（4）操作水平。另外，余量的多少也有有要求：（1）過大。會對機械造成損傷，而且會加長工時的耗費；（2）過小。會導致

35、很多的廢品產生。而計算余量主要是根據外形尺寸等來進行計算的，具體的計算公式如，分為兩種：（1）；（2）內孔尺寸。。對于零件的非機械加工表面（黑皮），計算則不相同，而且不用加工余量。具體算法如下所示：。 2.6.2鍛件公差 由于各種因素的作用，導致鍛件的形成有一定的不同，也就是說沒有兩個一樣的鍛件。也正因為如此，最后得到的尺寸難免會有一定的差異，不可能達到標準的公稱尺寸，這時產生的誤差就被稱之為鍛件公差。這種偏差是被允許，負偏差就是針對實際尺寸偏小的情況，這種情況無法避免，部分機械加工或不加工，都會進行注明。其公差一般都有要求說明，在加工余量的 1/4～1/3左右。

36、 圖2.5鍛件公差 2.6.3沖孔連皮 通常情況下，透孔是不可能直接完成的，需要借助孔內的一層連皮完成，最后通過切邊壓力機上切除。連皮的厚度應適當：若s過薄，則鍛擊力大，容易造成合模困難，并且加速模膛凸出部分的磨損或塌陷；若s過厚，則浪費金屬，沖切連皮困難，還會使鍛件形狀走樣。沖孔連皮的主要類型有： 1，平底連皮 當鍛件內徑孔較小時（d＜2.5h或25mm＜d＜60mm）,借助平底連皮完成。 2，斜底連皮 斜底連皮和平底連皮不同，可以防止過早的磨損，特別是在內孔超過一定的水平，時，后者的使用會讓多余金屬無法分散，會出現折疊的情況。

37、因而必須用斜底連皮。 3，帶倉連皮 和斜底連皮不同，其優(yōu)勢在于可使用在終鍛模膛。其作用在于對多余金屬的處理上，能夠不被排除，而是順勢擠入連皮倉部。也有效的避開折疊的情況。其特點在于周邊較薄，保證了形狀不受影響，而且方便沖除。其具體的寬度和厚度，按飛邊槽橋部高度和橋部寬度確定。 第三章 圓錨圈成形FEM分析 3.1 圓錨圈三維零件圖設計 利用UG軟件，根據二維圖零件圖，在UG中繪制出零件的三維圖如下： 圖3.1圓錨圈三維零件圖 3.2 DEFO

38、RM的介紹 DEFORM主要針對有限元，針對金屬成形進行分析，還能對相關工藝進行研究，主要是對成形和熱處理進行探究。借助計算機的輔助，對整個過程模擬，在一定程度上讓過程更加直觀，工程師也能根據模擬進行設計評估，減少工藝的流程和成本，以此來讓模具設計的效率提高。是一套十分好用的系統(tǒng)。 在本次畢業(yè)設計中，利用到的主要是DEFORM-3D（三維）這款軟件，這款軟件能夠在常見的如：HP，SGI,SUN,DEC,IBM等UNIX工作站平臺和Windows-NT微機平臺中使用。這款軟件，可以對材料非常復雜的三維流動模型進行分析。用其來解決一些二維模型難以解決掉的問題是一個非常好的選擇。 例如在本次的

39、畢業(yè)設計中，要驗證上文中擬定的工藝方案是否可行，可行該如何改進，不可行該如何修改。若將擬定的工藝方案直接拿到企業(yè)或者工廠來進行試驗，顯然不現實，一方面極可能造成資源的浪費，同時也大大的增加了設計的時間，所以利用DEFORM來進行FEM分析，其作用極大。 具體的操作流程可以分為以下幾個幾個方面： （1）導入幾何模型 在DEFORM-3D中，只能借助CAD/CAE軟件建模，才能完成模型的建立，本文是利用UG軟件，通過UG導出DEFORM可以使用的STL格式：:這種格式是幾乎全部CAD軟件都有的一種接口。是用一系列的三角形來進行擬合形成曲面而成的格式。 （2）網格劃分 在DEFORM-3D

40、中，對于網格的劃分有兩種：通過使用者來進行劃分，其單元的數量也稱為絕對網格劃分指，這種方式劃分的網格由系統(tǒng)默認，使用者給出來的單元數量只是用于限制最大的網格劃分數，也就是說在實際的劃分時，劃分出的網格數不會超過這個數值。使用者可以自行修改劃分的網格數，可以拖動滑塊，也可以直接手動輸入數值，這個數值越大，所需要的計算時間就越長，反之越少。 Absolute方式是基于Detailed settings的前提，這種方法的優(yōu)點在于，網格的尺寸可以由用戶設定，最大最小均可以。但是一經設定，其數量不能改變，數量的改變只有一種途徑，就是網格尺寸的設計。 （3）初始條件 DEFORM擁有的材料庫可以讓不

41、同材料在不同溫度下產生的不同特性得以展現，這樣很有利于我們的設計，比如本次畢業(yè)設計需要熱鍛，那么環(huán)境溫度以及材料溫度的設定，就很重要，在開始模擬前將這些條件設置好，能夠更好的更真實的得出結論。 （4）材料模型 在DEFORM-3D軟件中，各種材料的熱物理數據如、塑性、泊松比、楊氏模量、電阻等等，甚至在需要時可以輸入各種數據以方便熱處理等后處理的設計。 在材料庫中，擁有100余種不同的材料，涵蓋各種金屬以及其他的材料，能夠支撐我們對各種材料的需要，同時，每一種材料庫的材料都可以通過模擬，最終形成物理量曲線，這些都是溫度發(fā)生變化下得到的，還有材料流動也會形成應力應變曲線。 （5）接觸定義

42、 接觸菜單的作用，主要是判定其接觸關系，主要是模具之間，以及和定義共建之間。 （6）通過流動，畸變之后重新劃分 通過模擬，可以看出，材料是流動的個體，因為其附著的單元也會發(fā)生巨大的改變，會在形狀上產生畸形等情況。這也是需要解決的問題，為了確保最終的進度，DEFORM的作用是，在畸變之后依然可以實現重新劃分，其網格依然不變，依然能夠保證其精度。通過流動就能夠實現新的劃分。 （7）增加約束 主要是針對各個節(jié)點而言，便于自由度的增加。 （8）最后一步是后處理 借助DEFORM，可以便于使用者的直觀需要，模擬分析報告，幾乎所有需要的數據都可以在后處理里以云圖或者曲線等方式展現出來，十分直觀

43、，也十分的方便。 3.3 錨圈鍛造工藝DEFORM分析 本次模擬成型分析零件圖如下： 圖3.2鍛件圖 通過零件圖，我們可以看出，該零件較為簡單而且為中心對稱體，所以初步決定采用一步鍛壓直接成型，經計算分別采用136mmX136mmX44mm的坯料進行模擬分析，變形速度分別采用5mm/sec,10mm/sec。兩種方案進行求解，來優(yōu)化設計。 下面以坯料變形速度為10mm/s為例，進行詳細的方案分析，針對最優(yōu)方案進行求解，具體步驟如下。 Deform分為3個過程，基本思路可見如下： 1.導入模型 一般情況下，體積是不會發(fā)生改變的，因此可以作為計算依據，針對坯料計算，包含加工余

44、量在內，最終求得坯料體積約為813824mm3，最終決定采用136mmX136mmX44mm的圓形坯料然后由ug對坯料進行繪制，再繪制出上下模，轉存為stl格式，導入deform中進行前處理： 圖3.3 下模 圖3.4上模 圖3.5坯料 2.模型前處理 設置運動步數，每步移動距離等相關參數。其中運動步數設定為100步，通過計算得到上模下壓量為41.5，故每步移動距離設定為0.42mm。設置如下圖 圖3.6 DEFORM前處理設置 由于做的是熱鍛，

45、所以需要點擊Heat Transfer，并且將文件命名為llruibo, 圖3.7 DEFORM前處理設置 設置每四步記錄一次。其中坯料初始溫度為1100°C，環(huán)境溫度為23°C設置上模運動。 由于做的是熱鍛，所以上下模也需要定義材料和進行網格分析。其中上下模網格設置為32000，坯料網格設置為50000。 圖3.8 上下模及坯料的材料選擇 選中上模，點擊Movement,在Constant value一欄設置下壓速度，分別設置5mm/sec和10mm/sec 圖3.9

46、 下壓速度設置 點擊inter-object，定義接觸，在type中點擊shear，設置摩擦因子為0.3，然后將熱傳導系數設置為11。然后點擊apply to other relations，將設置應用于所有接觸，然后點擊tolerance，并點擊generate all all 圖3.10 設置模擬條件添加接觸關系 找到Input/Database菜單，點擊后在彈出的對話框內單擊Check按鈕，在對話框內檢查數據及各項設置，確認無誤后單擊Generate按鈕，然后生成數據庫，至此前處理工作結束，關閉程序，返回運行界面點擊run按鈕，等待計算機對模擬進行計算，

47、最終得到零件的成形過程。 圖3.11 進行前處理檢查 計算完成后，在運行界面內單擊Deform-3D Post 打開后處理，根據后處理中的各項數據以及圖表，我們來進行下一步的研究。 3.求解、后處理。 （1）成型后溫度變化如圖所示： （2） 毛坯變形前后對比 （3） 模具運動前后對比 （4） 等效應變 （5） 等效應力 （6） 速度場 （7） 損傷 （8） 載荷行程曲線 （9） 最小距離 3.3.2 模擬分析結果 經過展開模擬剖析，同時利用不同下壓速度模擬的對比，得到在其他參數保持不變的情況下，以10mm/sec的速度來進行錨圈的鍛造，方案更加合理，溫度、應力

48、等變化分布也更加的均勻。 第四章 圓錨圈模具結構設計 4.1 圓錨圈尺寸計算和設備選擇 圓錨圈本身為圓形，所以直接使用圓形坯料進行加工最為方便，且能夠節(jié)省成本，還便于在實際生產時進行操作，故選用圓柱形坯料。 毛坯的尺寸主要是由零件尺寸、加工余量等因素來確定的，是鍛造工藝中很重要的一個部分。鍛件圖是根據產品零件圖設計的。主要是針對其工作內容進行繪制，（1）對形狀和位置進行確定；（2）加工余量的固定，以及鍛件公差和鍛造余塊最終判定；（3）對斜度進行把控；（4）針對模鍛圓角半徑設計；（5）針對沖孔連皮，加以設

49、計；（6）針對鍛件技術，加以確定等。 此次畢業(yè)設計的鍛件圖如下： 毛坯尺寸的計算：在UG里面測量出零件的體積為473954mm3。 毛坯的直徑為 因為毛邊的體積和復雜程度密切相關，所以對火耗量計算分：。 。 對于方坯： 毛坯的下料高度為 算得 136.5mm 43.7mm 再通過其特點的分析，最終獲得噸位的確定， ； 計算： S=13.6*13.6*3.14-2.75*2.75*3.14*9=367.05（ cm2 ）， K 取80 KN/ cm2 ，q 取 1.3，F ' =80*367.05=29364（KN）F=29364/

50、1.3=22587（KN） 查表 4-1 國產摩擦壓力機規(guī)格及技術參數 選用型號為 J53-400 的摩擦壓力機，功率為 30KW。 摩擦壓力機屬于螺旋壓力機的一種，是以 摩擦方式進行動力傳遞的螺旋壓力機。其工作的打擊性質近似于錘，而傳動、滑塊速度等又近似于壓力機，故而又稱為摩擦壓力錘。摩擦壓力機一般適用于中、小批量生產的車間模鍛各種形狀的鍛件。其優(yōu)點有：①工藝性能廣。摩擦壓力機其沖擊力尚小，其特性涵蓋模鍛錘和熱模鍛壓力機功效。而對于摩擦壓力機，其特點在于行程不定，以及設置有頂出裝置，很適合精密模鍛和長桿類的鐓鍛，同時能擠壓成形，所以它工藝性能較廣，可以使用的范圍很多，如模鍛、沖壓、鐓鍛等

51、。②其精密程度能達到很高標準。彈性變形不會波及其精度大小，通常來講，磨礪壓力機有下頂出器，可以結合組合模，有效的對斜度和余塊進行處理。再加之無氧化加熱設備的使用，能夠讓精度得到更大程度的提升。③針對整體和組合進行結合?？梢院喕O計，主要通過凸、凹模鑲塊來實現，可以有效的減少時間，讓周期變短，進而減少成本的支出，還可以使得模具鋼使用更少。④方便以后維護。其構造相對簡單，而且最大的特點是價格低，振動小、基礎簡單、沒有砧座，因而大大減少了設備和廠房的投資，勞動條件較好，操作安全，容易維護。 4.2 圓錨圈的模具結構設計及分析 根據第二章的生產工藝來進行模具設計，同時要能夠滿足零

52、件的形狀以及使用性能等要求，還要能夠達到降低成本等特點： （1）設計分模面 在模鍛件中，需要有一個合理的分模面，非加工表面與分模面垂直的部分必須要有一定的模鍛斜度，非加工表面所形成的角則應有模鍛圓角。應保證鍛件的成形和易于從鍛模中取出。 分模面的確定：鍛件高徑比 ，取徑向分模，分模面取在最大直徑部位 （2） 模具必須兼顧安全，還要方便加工能幫助提高使用效率，還能便于使用損壞后的維修，具體分為以下幾點： ①特別是對零件的要求上，大型的特別難加工，可以靠鑲拼的方式； ②模具在設計上要充分考慮日后的維修成本，最大限度的節(jié)省維修時間，盡量做不拆卸的設計處理，為了修磨而必須去掉的零

53、件（如模柄等），可做成易拆卸的結構等； ③需要經常修磨和調整的部分盡量放在模具的下部 ④質量較大的模具應有方便的起運孔或鉤環(huán)部； ⑤模具的結構應保證操作者的手不必進入危險區(qū)域，而且各活動零件（如卸料等）的結構尺寸，在其運動范圍內不致壓傷操作者的手指等。 （3）組合式凹模的設計 由于模具所需要承受的應力較大，所以以一層凹的形式可能在實際的生產中會出現承受的應力過大而產生變形或者破損的情況，所以本次畢業(yè)設計使用組合式凹模來加強凹模的強度。 4.3 圓錨圈模具裝配示意圖及工作過程介紹 模具的工作過程是將零件的坯料放置于凹模內，放好后在壓力機的帶動下模具進行運動，開始成形，當工件成形后，

54、下壓運行結束，上模向上抬起，工件在上模抬起后留在凹模內，由頂桿將零件頂出。 4.4 模具材料的選擇 模具需要有一定的要求，才能夠滿足工作的需要，具體如下： 1. 耐磨性 材料必須選擇硬度達標的，這樣就不會引發(fā)其變形，本身毛坯就容易變形，會產生巨大的摩擦力，為了減少模具的損壞，不必須在材料選擇時就要注意其耐磨性，是模具最基本也是最重要的性能之一。 2.強韌性 模具還需要注意強韌程度，因其工作條件問題，導致其需要承擔巨大的沖擊力，一旦發(fā)生斷裂影響巨大，因此應選擇具有高強度，高韌性的材料，即含碳量高的材料。 3.高溫性能 模具的工作環(huán)境一般都是高溫環(huán)境，隨著溫度的升高，模

55、具的硬度和強度也會下降，這種情況下，模具需要有高強度的抗壓性，能夠在抗回火時依然表現穩(wěn)定。 模具的制造過程本身工藝較高，鍛造是第一步，而且還要耐得住熱處理，因此其質量決定了其高溫性能，所以材料必須達標才能滿足工藝需要。 1. 可鍛性 有一定的變形抗力，幫助塑形，不容易斷裂。 2切削加工性 其在使用量的情況下，磨損較小，而且精度較高，表面不粗糙。 3. 抗氧化功能 在加熱的操作中，實際證明其氧化性不錯，能達到較高水平，脫碳則較慢。 4. 可磨削性 利用砂輪加工階段，不易發(fā)生磨傷及出現裂紋。 鍛造模具（簡稱鍛模）是刻有制取模鍛件模膛的金屬塊，此裝備必不可少，作用極大。在

56、鍛模的選擇上要極為注意，牢牢把控質量等方面，因為涉及到壽命的使用長短，而且其設計還會決定其成本高低，進而對尺寸質量或者交貨時間產生影響。其劃分，從鍛件的變形溫度分為冷鍛模具和熱鍛模具兩大類。本文選擇后者，其特點在于耐高應力，能夠有效應對動靜的交替作用，使用需注意預熱，越熱溫度需掌控在150℃～400℃之間。除此之外，熱作模具鋼在工作中還受到很大的壓應力或拉應力和彎曲應力的復合作用以及高溫條件下的金屬流動產生的強烈摩擦力，模膛表面的溫度經常瞬間達到600℃左右。因此，鍛件生產對模具材料的基本要求是：在鍛模工作條件（工作溫度、載荷性質和“接觸時間” ）下，材料應具有良好的冶金質量和組織穩(wěn)定性、綜合

57、力學性能、疲勞性能和耐腐蝕性能等使用性能以及良好的冷熱加工工藝性能。綜合考慮下，決定采用H13鋼，其特點是使用壽命長，作為空淬硬化熱作模具鋼更具優(yōu)勢?？梢宰饔脽釘D壓和穿孔用等；這也是工作飛機零部件生產的原因，可耐熱 400～500 ℃。 除此以外，關于模具材料的選用，一定要思考是否經濟適用，在功能滿足的前提下，可以先選取價位便宜的。 4.5模具的經濟性分析 模具的設計不僅僅與經濟有關，更與環(huán)境、健康有著密切的聯系。 對健康而言，模具廠從來就不是比較安全的地方，相反因為各種不小心，模具廠常常會發(fā)生事故。所以伴隨著科技的進步，一方面，自動化生產得到了越來越多的普及，新的自動化產業(yè)正在逐漸一

58、步一步的淘汰者舊的產業(yè)。使得人工更少。在另一方面，隨著設備的越來越先進，越來越多的安全性措施得到了實施，比如說紅外線探測，在幾微妙的時間內感應到你的手，從而避免了因意外而發(fā)生的機械性事故。從而使人們的安全加以保障。同時伴隨著科技的發(fā)展，經濟的發(fā)展，環(huán)境問題也越來越被人們所重視了。在最開始的時候，科技是第一生產力，人們不顧一切就為了生產，然而到了現在，人們越來越注重環(huán)境的重要性，機械廠也越來越科學化的分布，比如說沖壓廠沖壓所余留下來的廢料，可以直接在旁邊的廠進行處理，并且環(huán)境污水等排放問題也越來越少，一切都朝著有序化的進行。 但是不管科技如何發(fā)展，節(jié)約模具成本增加自己的利潤永遠都是一個說不完的

59、話題。同其他產品類似的產品相似一樣，模具也是可進行等價交換的商品，它一樣符合市場的規(guī)律，具體來說包括了設計的經濟、制造維修的經濟性等，模具的經濟性主要設計的是成本如何有效的控制，一般來說，要用最小的成本獲得最大的經濟效益，但不能過于追求，利益最大化。所以適當的對模具整體的經濟性分析是必要的，下面是從幾個主要方面進行模具的經濟性分析： 1．以前模具設計靠的是長期的積累下的經驗，雖然有一定的實用性，但是不科學，使模具報廢的幾率容易增加，這就降低了模具的經濟性，增加了額外的成本?，F在在有限元軟件的支持下，模具設計與以往不同，通過虛擬模擬的計算，可以較為準確的知曉該模具設計方案的可行性，這樣從第一步

60、就開始控制成本的額外增加的風險，比較科學。所以通過模擬分析確定零件是否能一次成型，是否會發(fā)生破裂，直觀的數據分析，從而減少了經濟的成本。 2．模具設計方案好了以后，就要考慮加工了，這可能是模具成本里比較大的一部分。在實際操作過程中，鍛模的加工方式主要就是依靠壓力機加工，加工出所想要的各類板，鍛造的方式有很多，比如開、閉式模鍛，自由鍛，錘鍛等。不同的板料，不同的加工方式。挑選最合適的，減少成本。 3．模具后期維護的成本主要與模具結構有關，合理的結構，維護方便 ，維修成本低，模具經濟性好；不合適的結構，其經濟性比較差，維修時間長，生產計劃就會被延長，廠家的訂單就會減少。所以說維修便宜的模具其經

61、濟性也比較好。 第五章 總結 本次的課題為圓錨圈的鍛造工藝與模具設計，通過畢業(yè)設計的研究，有如下收獲： 1.通過對國內外鍛造業(yè)以及對國內外錨圈鍛造業(yè)的發(fā)展近況的研究，對鍛造行業(yè)有了初步的認識，對我國的錨圈鍛造工業(yè)也有了一定的了解。 2.運用UG軟件對零件進行三維造型，同時繪制了三維模具圖，對了解錨圈鍛造工藝有著很重要的作用，可以更加直觀的來觀察模具。同時在設計模具的時候還考慮了經濟以及環(huán)保等各方面。 3.借助DEFORM-3D軟件，進行實際模擬，對零件成形有了比較直接的認識，充分的了解了其各方面過程，投入到實際且

62、能滿足零件各項要求的方案，節(jié)省了大量的時間以及成本，所以模擬對實際操作是有非常大的作用的。 4.采用閉式模鍛進行鍛造，摒棄以往的方法，該方法在節(jié)約成本以及提高生產效率方面都比以往的方法要高很多。 5.通過了解模具材料選用的要求，根據實際的生產需要，且在經濟性上進行考慮，選擇合適的模具材料，在達到成形要求的同時，還能夠節(jié)約成本。 本次畢業(yè)設計，從多方面對整個模具設計的過程進行了考慮，在滿足性能需要的同時也減少了成本消耗，節(jié)約了工作時間，但是由于是第一次做這樣的設計，肯定仍有不足，還有許多不恰當的地方，敬請老師批評指正。 參考

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