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1 第 1 章 緒 論 1 1 前言 近年來 汽車制造業(yè)得到了迅猛發(fā)展 汽車性能不斷提高 鍛造工藝作為機械制 造技術(shù)之一 對汽車工業(yè)具有重要作用 是生產(chǎn)受力部件成形的重要手段 隨著汽車 工業(yè)的發(fā)展 汽車零部件中對高精度 形狀復(fù)雜鍛件的需求量越來越大 傳統(tǒng)的加工 工藝已經(jīng)不能滿足汽車零件產(chǎn)品需求 在這種情況下 鍛造新工藝的開發(fā)對于新型汽 車零件的生產(chǎn)尤為重要 而先進工藝模具設(shè)計方法將對提高汽車零件設(shè)計水平 縮短 零件研制周期和降低成本起著舉足輕重的作用 從而大大提高汽車市場的競爭力 塑性成形是材料加工的主要方法之一 它是利用金屬塑性使金屬在外力作用下成 形的一種加工方法 塑性成形在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用 據(jù)統(tǒng)計 在汽車生產(chǎn)中 70 以上的零部件都是利用金屬塑性加工而成 隨著國內(nèi)汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展 汽 車性能不斷提高 汽車零部件中對高精度 形狀復(fù)雜的鍛件需求量越來越大 塑性加 工行業(yè)迎來一個前所未有的發(fā)展機會 也面臨著新的挑戰(zhàn) 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車前軸與前輪之間的關(guān)鍵零件 工作時不但要承載前軸給它的壓 力和地面給它的反作用力 還受到控制行使方向的扭力 其服役條件對零件的尺寸精 度 表面質(zhì)量和金屬纖維流向都有很高的要求 國內(nèi)生產(chǎn)此類鍛件仍然存在加工余量 大 成形不易充滿及模具設(shè)計困難等問題 探索該類鍛件的合理鍛造方法對我國汽車 產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義 目前汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件主要依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗不斷試模 修模來保證質(zhì)量 即使 經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員也很難保證一次成形出合格的終鍛件 反復(fù)的試模 修模不僅浪 費大量時間 人力和物力 而且增加生產(chǎn)成本 降低企業(yè)在市場中的競爭力 近年來 隨著計算機軟硬件技術(shù) 金屬塑性流動理論和計算機圖形學(xué)等交叉學(xué)科的迅猛發(fā)展 有限元數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展 以數(shù)值模擬等先進方法解決工業(yè)生產(chǎn)中的實際 問題已成為金屬成形技術(shù)的發(fā)展方向 采用有限元數(shù)值模擬方法 可實現(xiàn)體積成形過 程的模擬分析 獲得零件的成形規(guī)律 以較小的代價 在較短的時間內(nèi)找到最優(yōu)的和 可行的設(shè)計方案 為同類零件成形工藝的研究開發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)和理論指導(dǎo) 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在 1817 年德國人林肯斯潘杰提出了類似現(xiàn)代汽車的轉(zhuǎn)向方式 德國人阿克曼改 2 進了他的方案并申請了專利 命名為 阿克曼轉(zhuǎn)向梯形公式 1897 年第一個傾斜的 轉(zhuǎn)向器在英國考文垂的戴姆勒汽車工廠誕生了 轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一 能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方 向 轉(zhuǎn)向節(jié)的功用是承受汽車前部載荷 支承并帶動前輪繞主銷轉(zhuǎn)動而使汽車轉(zhuǎn)向 在汽車行駛狀態(tài)下 它承受著多變的沖擊載荷 因此 要求其具有很高的強度 轉(zhuǎn) 向 節(jié) 形 狀 比 較 復(fù) 雜 集 中 了 軸 套 盤 環(huán) 叉 架 等 四 類 零 件 的 結(jié) 構(gòu) 特 點 主 要 由 支 承 軸 頸 法 蘭 盤 叉 架 三 大 部 分 組 成 支 承 軸 頸 的 結(jié) 構(gòu) 形 狀 為 階 梯 軸 其 結(jié) 構(gòu) 特 點 是 由 同 軸 的 外 圓 柱 面 圓 錐 面 螺 紋 面 以 及 與 軸 心 線 垂 直 的 軸 肩 過 渡 圓 角 和 端 面 組 成 的 回 轉(zhuǎn) 體 法 蘭 盤 包 括 法 蘭 面 均 布 的 連 接 螺 栓 通 孔 和 轉(zhuǎn) 向 限 位 的 螺 紋 孔 叉 架 是 由 轉(zhuǎn) 向 節(jié) 的 上 下 耳 和 法 蘭 面 構(gòu) 成 叉 架 形 體 的 近年來 我國研究出鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié) 性能達到了國際同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 填補了該產(chǎn) 品的國產(chǎn)空白 同時 我國又成功建成了多條全自動轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)線 使我國的汽車轉(zhuǎn) 向節(jié)產(chǎn)業(yè)獲得了快速的發(fā)展 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車關(guān)鍵的保安零件 其品質(zhì)的優(yōu)劣直接維系著乘員和貨物的安全 同時 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是形狀十分復(fù)雜 成形難度很高的零件 我國傳統(tǒng)的制造方式能耗 高 材料利用率低 模具壽命低 制造成本高 生產(chǎn)環(huán)境惡劣 不能滿足我國汽車高 速發(fā)展的要求 目前 我國汽車轉(zhuǎn)向節(jié)正處于發(fā)展階段 技術(shù)水平較發(fā)達國家還存在 差距 隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展 我國汽車轉(zhuǎn)向節(jié)正逐步邁向?qū)I(yè)化 先進化 2007 年 我國兵器裝備集團公司自主研制的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)順利通過國家有色金屬及電子材 料分析測試中心的檢測 性能達到了國際同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 成為我國第一家成功研制出 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的企業(yè) 填補了該產(chǎn)品的國產(chǎn)空白 2008 年 我國成功建成了一條擁有中國最先進工藝技術(shù) 最小投資規(guī)模 最低 制造成本 最高投入產(chǎn)出比 最短投資回報周期的年產(chǎn) 18 萬件重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)的全 自動生產(chǎn)線 生產(chǎn)出外部形狀完好 內(nèi)部品質(zhì)優(yōu)良 產(chǎn)品一致性強 組織性能達標(biāo)的 轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品 近幾年來 隨著汽車產(chǎn)業(yè)的全球化 適合不同環(huán)境 不同要求的各種類型汽車相 繼出現(xiàn) 未來 為了滿足人們的各種需求 世界各國對汽車的要求也會越來越高 未 來我國的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)業(yè)將向?qū)I(yè)化 自動化 智能化方向發(fā)展 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是一個異形 復(fù)雜零件 其常規(guī)典型工藝就要二十多道工序才能完成 通過消化吸收國外先進的復(fù)合加工技術(shù)理念 未來 我國將自主創(chuàng)新更先進的轉(zhuǎn)向節(jié) 加工流程和制造工藝 將實現(xiàn)由計算機網(wǎng)絡(luò)全方位控制 通過機器人來進行全線的自 動化制造 將原來多達數(shù)十道的工序縮短為幾道 這樣 不僅節(jié)省時間 人力 而且 3 成本大大降低 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的產(chǎn)量也會明顯上升 同時 為了減輕汽車轉(zhuǎn)向節(jié)重量 提高耐磨性 未來將研究出新的高科技替代材料 這種材料不僅可以延長汽車轉(zhuǎn)向節(jié) 的使用壽命 而且能夠增強汽車轉(zhuǎn)向的靈活性及行駛的安全性 此外 將開發(fā)一種多 功能用的汽車轉(zhuǎn)向節(jié) 強度和精確度更高 可以滿足人們未來在不同需求狀態(tài)下的需 要 產(chǎn)品的工藝特點和流程 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的加工分為毛坯制造和成品機加 目前 毛 坯主要以鍛件為主 也有采用鑄造毛坯的 但比較少 毛坯的鍛造工藝主要為劈叉 拔桿 預(yù)鍛 終鍛等工序組成 從機加工藝來講 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)分為桿部 法蘭盤和叉部等 3 個部分加工 1 桿部加工以中心孔定位 車和磨為主 加工關(guān)鍵是磨削 2 法蘭盤加工主要是制動器安裝孔的加工 要保證其位置度 同時要兼顧加 工效率 并且 利用其中 1 孔作為加工叉部定位用 3 叉部加工是汽車轉(zhuǎn)向節(jié)加工的難點 采用兩銷一面定位 其加工主要是保 證主銷孔的同軸度 以及主銷孔與內(nèi)端面的垂直度 是整個加工工藝的投資重點和設(shè) 備選型的關(guān)鍵 大部分汽車轉(zhuǎn)向節(jié)在此部位還有橫拉桿裝配用的錐孔 這更增加了叉 部加工難度 錐孔加工是許多廠家難以 100 合格的項目 應(yīng)予重視 否則 汽車轉(zhuǎn) 向節(jié)的早期失效就從這里開始 4 桿部的強化處理以提高汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞壽命 對大多數(shù)類型的汽車轉(zhuǎn)向 節(jié)都有這方面的技術(shù)要求 一般為滾壓和中頻淬火 以在表面形成殘余壓應(yīng)力 提高 產(chǎn)品疲勞強度 國內(nèi)加工對滾壓要求不高 難點在中頻淬火 主要是感應(yīng)器的設(shè)計和 制造 不過 在這方面國內(nèi)有專業(yè)廠家給與解決 5 主銷孔壓裝襯套后的加工 有的壓裝后不要求加工 有的壓裝后要求加工 從裝配角度講 壓裝后加工更有利于裝配 否則影響轉(zhuǎn)向的靈活性 自中國汽車工業(yè)發(fā)展以來 汽車配件行業(yè)也隨之發(fā)展壯大 關(guān)于中國汽車轉(zhuǎn)向節(jié) 行業(yè)數(shù)量眾多 產(chǎn)品繁雜 資本結(jié)構(gòu)多元化的不足之處的闡述在各種媒體上都有連篇 累牘的報道和炒作 盡管問題是存在的 但并不是中國汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)發(fā)展的主流 經(jīng)過艱難的發(fā)展歷程 中國汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)經(jīng)過市場的洗禮 已經(jīng)成長起來 在國外 巨頭爭搶擠壓以及進口轉(zhuǎn)向節(jié)的沖擊下 本土轉(zhuǎn)向節(jié)企業(yè)同樣在模仿 技術(shù)引進的過 程成初具競爭力 就目前看來 雖然存在合資 國營 獨資 民營四分天下的競爭格局 但是汽車 轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)市場規(guī)模的擴大是毋庸置疑的 而且市場集中度逐年提高 一改原先散 亂 差的局面 隨著中國整車市場規(guī)模的不斷擴大 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)的市場規(guī)模亦同 4 步提高 雖然由于歐盟和美國汽車企業(yè)對由海關(guān)總署 國家發(fā)改委 財政部 商務(wù)部 聯(lián)合發(fā)布的 構(gòu)成整車特征的零部件進口管理辦法 提出異議 并最終與中國政府達 成妥協(xié) 既 2006 年 7 月初 海關(guān)總署和商務(wù)部發(fā)布公告稱 原定于 2006 年 7 月 1 日起實施的有關(guān)構(gòu)成整車特征轉(zhuǎn)向節(jié)的進口價格百分比界定標(biāo)準(zhǔn)以及有關(guān)汽車總成系 統(tǒng)特征的 A B 類關(guān)鍵件的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn) 推遲到 2008 年 7 月 1 日實施 但是隨著時間 的推移 在中國市場尋求配套企業(yè)的發(fā)展趨勢已經(jīng)是難以避免 這對于提高中國汽車 轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)市場規(guī)模將起到相當(dāng)?shù)耐苿幼饔?中國汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)的市場規(guī)模已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)母偁幜?在今后五年內(nèi) 中國汽 車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)的兼并重組勢在比行 而且具有一定的可操作性前提條件 逐漸形成一 級 二級 三級為核心的序列化配套體系 中國轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)過去長期處在低水平 少投資 缺乏統(tǒng)一管理的分散發(fā)展格局 改革開放以來 尤其是 1994 年 汽車產(chǎn)業(yè)政策 實施后 在整機引進和國產(chǎn)化政策 雙重推動下 大量民營資本涌入 大批合資企業(yè)建立 使轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展 主流轉(zhuǎn)向節(jié)企業(yè)的制造能力已達到上個世紀(jì)國際 90 年代末期水平 基本滿足了國內(nèi) 引進車型的配套要求 以長春 上海 湖北為代表的汽車配件產(chǎn)業(yè)基地以及一些轉(zhuǎn)向 節(jié)行業(yè)的龍頭骨干企業(yè) 基本形成了比較完整的主機配套體系 通過引進 許多關(guān)鍵 轉(zhuǎn)向節(jié)已經(jīng)與世界同步 不僅滿足了國產(chǎn)新車和引進新車的需求 還引來了大量的國 外采購者 近年來 一些引進車型一上市 國產(chǎn)化率就超過 50 甚至更高 從這一 點也可以看出國內(nèi)轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)的產(chǎn)品競爭力 當(dāng)然 這里包括了外資以及外商獨資企 業(yè) 綜合上述基本情況看 中國汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)具備了相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品競爭力 1 3 選題的目的 意義 目的 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零件 隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展 該 類鍛件市場前景極為廣闊 然而目前國內(nèi)生產(chǎn)此類鍛件仍然存在加工余量大 成形不 易充滿及模具設(shè)計困難等問題 所以探索該類鍛件成形工藝具有十分重要的意義 傳 統(tǒng)的生產(chǎn)方式是自由鍛成形 成形過程需要兩次加熱 能源浪費而且污染嚴(yán)重 質(zhì)量 也不易控制 為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的政策 提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量 將生產(chǎn)工藝 進行改進 利用現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)一火成形 為了減少研發(fā)成本 通過計算機模擬各工步 的成形過程 確定成形工藝 得到一套切實可行的生產(chǎn)工藝及合理的模具結(jié)構(gòu) 意義 從 20 世紀(jì) 80 年代我國就開始研究轉(zhuǎn)向節(jié)吧 并用于實踐 隨著國民經(jīng)濟的持 續(xù) 快速發(fā)展 人民生活水平的不斷提高 國內(nèi)汽車保持著快速增長 轎車 客車 5 尤其是經(jīng)濟型轎車 輕型車 微中型車的需求量也獲得了較大的增長 這時對汽車的 質(zhì)量要求也越來越高 作為汽車轉(zhuǎn)向橋的保安零部件 汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣直接 維系著乘務(wù)員和貨物的安全 因此我國的汽車零部件企業(yè)加大投資力度 借鑒國外先 進技術(shù) 開發(fā)強度更高 靈活性更強的轉(zhuǎn)向節(jié) 1 4 研究的基本內(nèi)容 1 4 1 研究的基本內(nèi)容 1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)分類及結(jié)構(gòu)分析 2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)成形工藝的研究現(xiàn)狀與成形工藝分析 3 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)模具的設(shè)計 1 4 2 擬解決的主要問題 1 轉(zhuǎn)向節(jié)模具設(shè)計計算 2 轉(zhuǎn)向節(jié)的尺寸計算 6 第 2 章 轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理 2 1 轉(zhuǎn)向節(jié)工作原理功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計 轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一 其作用是使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行 駛方向 承受汽車前部載荷 支承并帶動前輪繞主銷轉(zhuǎn)動而使汽車轉(zhuǎn)向 在汽車行駛 狀態(tài)下 它承受著多變的沖擊載荷 因此 要求其具有很高的強度 轉(zhuǎn) 向 節(jié) 通 過 主 銷 和 前 橋 與 車 身 相 連 并 通 過 法 蘭 盤 的 制 動 器 安 裝 孔 與 制 動 系 統(tǒng) 相 連 在 車 輛 高 速 行 駛 時 路 面 通 過 輪 胎 傳 遞 到 轉(zhuǎn) 向 節(jié) 上 的 振 動 是 我 們 設(shè) 計 時 考 慮 的 主 要 因 素 計 算 時 利 用 已 有 的 整 車 模 型 對 整 車 施 加 4G 的 重 力 加 速 度 算 出 轉(zhuǎn) 向 節(jié) 三 個 襯 套 中 心 點 和 兩 個 螺 栓 安 裝 孔 中 心 點 的 支 反 力 作 為 施 加 載 荷 并 約 束 法 蘭 盤 連 接 制 動 系 統(tǒng) 端 面 上 所 有 結(jié) 點 的 自 由 度 轉(zhuǎn) 向 節(jié) 形 狀 比 較 復(fù) 雜 集 中 了 軸 套 盤 環(huán) 叉 架 等 四 類 零 件 的 結(jié) 構(gòu) 特 點 主 要 由 支 承 軸 頸 法 蘭 盤 叉 架 三 大 部 分 組 成 支 承 軸 頸 的 結(jié) 構(gòu) 形 狀 為 階 梯 軸 其 結(jié) 構(gòu) 特 點 是 由 同 軸 的 外 圓 柱 面 圓 錐 面 螺 紋 面 以 及 與 軸 心 線 垂 直 的 軸 肩 過 渡 圓 角 和 端 面 組 成 的 回 轉(zhuǎn) 體 法 蘭 盤 包 括 法 蘭 面 均 布 的 連 接 螺 栓 通 孔 和 轉(zhuǎn) 向 限 位 的 螺 紋 孔 叉 架 是 由 轉(zhuǎn) 向 節(jié) 的 上 下 耳 和 法 蘭 面 構(gòu) 成 叉 架 形 體 的 2 1 主銷內(nèi)傾角 主 銷 內(nèi) 傾 角 的 作 用 是 使 車 輪 在 行 駛 中 自 動 回 正 通 常 車 輪 軸 線 不 在 水 平 面 為 了 方 便 說 明 我 們 假 設(shè) 直 線 行 駛 時 車 輪 軸 線 在 水 平 面 上 對 于 車 輪 軸 線 不 在 水 平 面 的 情 況 只 要 把 下 圖 的 水 平 面 改 為 錐 面 如 下 圖 所 示 考 慮 該 水 平 面 上 和 主 銷 有 交 點 的 直 線 主 銷 與 這 些 直 線 的 夾 角 有 一 個 最 大 值 而 汽 車 直 線 行 駛 時 車 輪 軸 線 與 主 銷 的 交 角 恰 為 這 個 最 大 值 車 輪 軸 線 與 主 銷 夾 角 在 轉(zhuǎn) 向 過 程 中 是 不 變 的 當(dāng) 車 輪 轉(zhuǎn) 過 一 個 角 度 車 輪 軸 線 就 離 開 水 平 面 往 下 傾 斜 致 使 車 身 上 抬 勢 能 增 加 這 樣 汽 車 本 身 的 重 力 就 有 使 轉(zhuǎn) 向 輪 回 復(fù) 到 原 來 中 間 位 置 的 效 果 當(dāng) 汽 車 水 平 停 放 時 在 汽 車 的 橫 向 垂 面 內(nèi) 主 銷 軸 線 與 地 面 垂 線 的 夾 角 為 主 銷 內(nèi) 傾 角 7 1 前 輪 外 傾 角 如 果 空 車 時 車 輪 的 安 裝 正 好 垂 直 于 路 面 則 滿 載 時 車 橋 因 承 載 變 形 而 可 能 出 現(xiàn) 車 輪 內(nèi) 傾 這 樣 將 加 速 車 輪 胎 的 磨 損 另 外 路 面 對 車 輪 的 垂 直 反 力 沿 輪 轂 的 軸 向 分 力 將 使 輪 轂 壓 向 外 端 的 小 軸 承 加 重 了 外 端 小 軸 承 及 輪 轂 緊 固 螺 母 的 負(fù) 荷 降 低 它 們 的 壽 命 因 此 為 了 前 輪 有 一 個 外 傾 角 但 是 外 傾 角 也 不 宜 過 大 否 則 也 會 使 輪 胎 產(chǎn) 生 偏 磨 損 如 左 圖 所 示 當(dāng) 汽 車 水 平 停 放 時 在 汽 車 的 橫 向 垂 面 內(nèi) 車 輪 平 面 與 地 面 垂 線 的 夾 角 為 前 輪 外 傾 角 角 度 為 6 2 2 主銷外傾角 2 前 輪 前 束 輪 有 了 外 傾 角 后 在 滾 動 時 就 類 似 于 滾 錐 從 而 導(dǎo) 致 兩 側(cè) 車 輪 向 外 滾 開 由 于 轉(zhuǎn) 向 橫 拉 桿 和 車 橋 的 約 束 車 輪 不 致 向 外 滾 開 車 輪 將 在 地 面 上 出 現(xiàn) 邊 滾 邊 向 內(nèi) 滑 的 現(xiàn) 象 從 而 增 加 了 輪 胎 的 磨 損 為 了 避 免 這 種 由 于 圓 錐 滾 動 效 應(yīng) 帶 來 的 不 良 后 果 將 兩 前 輪 適 當(dāng) 向 內(nèi) 偏 轉(zhuǎn) 即 形 成 前 輪 前 束 設(shè) 計 時 工 藝 方 面 的 考 慮 在 設(shè) 計 產(chǎn) 品 時 我 們 也 充 分 考 慮 了 產(chǎn) 品 制 造 過 程 中 的 一 些 難 點 比 如 與 制 動 器 本 體 相 連 接 的 法 蘭 盤 螺 栓 孔 中 心 距 如 果 過 大 造 成 鍛 件 的 高 度 尺 寸 過 大 而 成 形 困 難 所 以 在 滿 足 產(chǎn) 品 要 求 的 前 提 下 我 們 把 孔 的 間 距 取 做 160 這 樣 在 鍛 造 中 就 利 于 成 形 了 2 2 本章小結(jié) 本章不要介紹了轉(zhuǎn)向節(jié)工作原理與其功能 并且對轉(zhuǎn)向節(jié)的各個部位的尺寸進行 設(shè)計與選擇 為下面的模具設(shè)計做下基礎(chǔ) 8 第 3 章 轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝分析 3 1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件工藝性分析 3 1 1 鍛件零件圖的設(shè)計 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車行駛系重要的零件 工作中承受復(fù)雜的交變應(yīng)力作 用 它的質(zhì)量好壞直接影響到汽車的行駛安全 所以要求零件有足夠的韌性和強度以 保證其工作的穩(wěn)定 該零件的毛坯采用鍛造的方法獲得 材料為 40Cr 調(diào)質(zhì) 而采用 鍛造的方法有如下的優(yōu)點 1 鍛件有良好的內(nèi)部組織 結(jié)構(gòu)堅實 可獲得較高的強度 2 鍛件沒有疏松 表面雜質(zhì) 內(nèi)部裂紋等缺陷 鍛件的良品率高 3 制得的小公差鍛件加工余量小且均勻 可以減少機加工工時 提高材料利 用率 4 鍛件的表面粗糙度高 5 生產(chǎn)效率較高 轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品圖 圖 3 1 轉(zhuǎn)向節(jié)零件圖 9 技術(shù)要求 1 模鍛斜度 7 2 未注圓角為 R3 3 未注公差尺寸精度為 IT14 4 鍛件表面缺陷深度應(yīng)不大于機加余量的二分之一 非機加表面在公 差范圍內(nèi) 5 鍛件水平和高度公差按照 JBZQ 4000 7 1986 鍛件通用技術(shù)條件 執(zhí)行 6 鍛件表面不得有磕碰傷 7 切邊毛刺高度不大于 1 5 8 錯移量不大于 1 2 3 1 2 鍛件工藝流程的確定 根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件 選用 1 噸自由鍛錘 5 噸模鍛錘 315 噸曲軸壓力機 300 千瓦中頻感應(yīng)爐等設(shè)備 確定工件的制造工藝流程是 1 鋸床下料 2 中頻感應(yīng)加熱 3 自 由鍛制坯 4 天然氣爐加熱 5 預(yù)鍛 終鍛 6 切邊 7 噴砂清理 8 正火熱處理 調(diào)質(zhì) 9 磁 粉探傷 10 機械加工 3 1 3 鍛件工藝難點和鍛造工藝方案的確定 鍛件的工藝流程一般分為 1 下料 采用砂輪切割機下料 車端面 倒圓角 R5 2 加熱 采用電爐加熱 爐溫 450 10 加熱保溫時間 136min 3 模 鍛 模鍛設(shè)備為 6300kN 摩擦壓力機 首先鍛模鐓粗臺上將坯料壓扁至 H 24mm 再 型槽內(nèi)平放料進行模鍛 并欠壓 2 3mm 4 加熱 爐溫 450 10 加熱保溫 時間為 30min 第二火 5 模鍛 壓至尺寸 6 加熱 爐溫 450 10 加熱 保溫時間為 10 15min 7 熱切邊 8 酸洗 按酸洗通用工藝規(guī)程進行 9 熱 處理 按熱處理工藝規(guī)程淬火 人工時效 10 酸洗 按酸洗通用工藝規(guī)程進行 11 鍛件修傷 12 鍛件檢驗 100 檢查材料牌號 外形及表面質(zhì)量 100 檢查 硬度 HB 140 低倍檢查 由產(chǎn)品圖看出 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件是一個一端有分叉的軸類鍛件 鍛件的輪廓尺寸較大 中間有一個尺寸較薄的法蘭盤 鍛造的過程中 金屬在各個部分之間的流動困難 金 屬不容易充滿型腔 在分叉的轉(zhuǎn)角處容易出現(xiàn)鍛造折傷 這是這個鍛件的工藝難點 所以不能在模鍛錘上直接鍛造成形 鍛件需經(jīng)過自由鍛制坯 鍛造出有分叉的毛坯方 可進行模鍛預(yù)鍛和終鍛成型 具體的鍛造過程是 10 1 加熱材料 自由鍛拔長轉(zhuǎn)向節(jié)軸的部分 用摔模摔圓錐形軸部 2 用胎模將軸的部分壓入胎模的孔中 用劈料工具將需要分叉的部分劈開 3 加熱 預(yù)鍛 終鍛 4 切去飛邊 完成該鍛件須進行兩個火次的加熱 3 2 鍛件圖的設(shè)計與鍛件毛坯尺寸的計算 3 2 1 鍛造工步的設(shè)計 鍛模設(shè)計 工藝規(guī)程制訂 模鍛生產(chǎn)過程 鍛模加工及鍛件檢驗 都離不開鍛件 圖 鍛件圖分為冷鍛件圖和熱鍛件圖 冷鍛件圖用于最終鍛件檢驗和熱鍛件圖設(shè)計 熱鍛件圖用于鍛模設(shè)計與加工制造 習(xí)慣上將冷鍛件圖稱為鍛件圖 鍛造工步方案 采用自由鍛制坯 劈料 模鍛預(yù)成型 終鍛成形的鍛造工藝方法 1 鍛造加熱 熱鍛是將鍛坯加熱到一定溫度后進行的鍛造成形工序 加熱及 加熱溫度范圍的控制是確保鍛造生產(chǎn)順利進行和提高鍛件質(zhì)量的重要工藝過程 鍛造 加熱的目的在于使金屬鍛坯軟化 當(dāng)金屬變形溫度升高至再結(jié)晶溫度以上時 由于再 結(jié)晶速度高于變形過程中金屬硬化速度 可消除硬化影響獲得再結(jié)晶組織 可利用較 小外力使金屬產(chǎn)生較大的塑性變形且不致破裂 例如 在 1150oC 靜拉伸試驗時 碳 鋼的強度極限僅為常溫時的 1 20 而合金結(jié)構(gòu)鋼的強度極限則為常溫時的 1 30 鍛 造溫度范圍是指金屬開始鍛造溫度和終結(jié)鍛造溫度間的一段溫度間隔 為了防止過熱 過燒需要正確確定始鍛溫度和終鍛溫度 制定加熱溫度的基本方法是以鋼的鐵碳平 衡圖為基礎(chǔ) 參考材料的塑性抗力圖和再結(jié)晶圖來綜合決定 了解金屬加熱的基本原理 以及各種加熱方法和設(shè)備的適用性 火焰加熱主要有 燃油 煤氣加熱 氧化脫碳 燒損較為嚴(yán)重 電加熱是利用電能轉(zhuǎn)化為熱能 以輻射 和對流的方式對坯料進行加熱的方法 即利用加熱元件產(chǎn)生的電阻熱來間接加熱金屬 坯料 其中 主要有感應(yīng)電加熱 接觸電加熱 電阻爐及鹽浴爐加熱等 電加熱可避 免氧化脫碳和燒損等加熱缺陷 氧化和脫碳 過熱和過燒以及產(chǎn)生內(nèi)部裂紋等加熱缺陷的危害及防止措施 2 自由鍛造工藝 利用簡單的通用性工模具 或在鍛造設(shè)備上 下砥鐵間直 11 接對毛坯施加外力 使其產(chǎn)生塑性變形而獲得所需形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的鍛造方法 稱為自由鍛造 簡稱自由鍛 自由鍛時 金屬在變形過程中只有部分表面受工具限制 其余表面為自由變形 自由鍛具有很大的靈活性 自由鍛不需專用模具 適合于單件小批量鍛件生產(chǎn) 自由鍛時 金屬坯料分區(qū)域逐步變形 屬于局部成形 所需鍛打力比模鍛小得多 因 此 工藝適應(yīng)性很強 對設(shè)備的精度要求不高 容易組織生產(chǎn) 且生產(chǎn)周期短 自由 鍛主要靠人工控制坯料的變形量和變形方向 要求操作者具有一定鍛打技術(shù)水平 另 外 生產(chǎn)效率比模鍛低得多 勞動強度大 先進國家正在大力縮減自由鍛應(yīng)用比例 但我國鍛造行業(yè)中自由鍛仍占有相當(dāng)大 的比例 根據(jù)鍛造變形性質(zhì) 變形程度可將自由鍛分為基本工序 輔助工序和精整工序三 大類 鐓粗和拔長是鍛造生產(chǎn)中最基本的兩大類變形工序 因此 需要掌握它們的變 形機理和變形過程 同時 還應(yīng)了解自由鍛造中其他各種主要變形工藝 鍛造成形方 法及適用場合 如在實際生產(chǎn)中經(jīng)常使用的空心沖頭沖孔 墊環(huán)沖孔以及環(huán)類鍛件常 用的芯軸擴孔等 3 2 2 冷鍛件圖的設(shè)計 冷鍛件圖根據(jù)零件圖設(shè)計 通常要解決下列問題 1 分模面的確定 模鍛件是在可分的模腔中成形 組成模具型腔的各模塊的 分合面稱為 分模面 分模面與鍛件表面的交線稱為鍛件的 分模線 鍛件分模位 置合適與否 直接關(guān)系到鍛件成形 出模 材料利用率等一系列問題 因此 分模線 是模鍛件最重要 最基本的結(jié)構(gòu)要素 確定分模位置最基本的原則是 保證鍛件形狀盡可能與零件形狀相同 容易從模 腔中取出 此外應(yīng)爭取獲得鐓粗成形 故此 鍛件分模位置應(yīng)選在具有最大水平投影 尺寸的位置上 為了提高鍛件質(zhì)量和生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性 除滿足上述分模原則外 確定開式模鍛 件的分模位置還應(yīng)考慮下列要求 1 為使分模結(jié)構(gòu)盡量簡單和便于發(fā)現(xiàn)上下模在模鍛過程中的錯移 分模平面盡 可能采用直線狀 并應(yīng)使分模線選在鍛件側(cè)面的中部 2 頭部尺寸較大的長軸類鍛件 不宜直線分模 而應(yīng)改用折線分模 如圖 6 7 12 所示 使上下模型腔深度大致相等 以確保尖角處能充填飽滿 3 為便于鍛模加工制造和鍛件切邊 同時也為了節(jié)約金屬材料 當(dāng)圓餅類鍛件 的 H 2 5 3 D 時 則無論是在錘上鍛造還是在曲柄壓力機上鍛造或螺旋壓力機 上鍛造 都應(yīng)考慮徑向分模 而盡量不采用軸向分模 因徑向分模的鍛模型槽可車 削加工 效率高 工時省 切邊模刃口形狀簡單 制造方便 徑向分模還可鍛出內(nèi)腔 節(jié)約金屬 但當(dāng) H D 較大時 錘上模鍛時 顯然不能再考慮徑向分模 若仍采用徑向 分模 則因模具高度尺寸太大 鍛造困難 鍛錘打擊能量下降 需要的出模力也大 4 對金屬流線有要求的鍛件 為避免纖維組織被切斷 應(yīng)盡可能沿鍛件截面外 形分模 如肋頂分模 同時還應(yīng)考慮鍛件工作時的受力情況 應(yīng)使纖維組織與剪應(yīng)力 方向垂直 模鍛件是在可分的模腔中成形 組成模具型腔的各個模塊的分合面就是分模面 分模面與鍛件表面的交線就是分模線 鍛件分模位置取在鍛件具有最大水平投影尺寸 的位置上 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的分模面取在如圖位置上 圖 3 2 鍛件分模面 2 鍛件機加余量的確定 普通模鍛方法很難滿足機械零件的要求 一般來說存在如下兩方面的問題 即 1 鍛件走樣 由于欠壓 鍛模磨損 上下模錯移 毛坯體積和終鍛溫度的波動 使得鍛件的形狀發(fā)生變化 尺寸在一定范圍內(nèi)波動 又由于鍛件出模需要模膛帶有斜 度 鍛件側(cè)壁不得不添加敷料 形狀復(fù)雜的長軸類鍛件還可能發(fā)生翹曲歪扭 從而導(dǎo) 致鍛件與零件有較大的差別 2 表面質(zhì)量不易保證 由于鍛件表面氧化與脫碳 合金元素蒸發(fā)與污染 表面 13 裂紋時有發(fā)生 表面粗糙度也達不到零件圖要求等 使得鍛件的表面質(zhì)量遠遠低于機 械加工零件表面質(zhì)量 正是這兩方面的原因 使得鍛件設(shè)計時 不得不考慮添加一層包覆零件外層的金 屬 即余量 而且還得規(guī)定適當(dāng)?shù)墓?以保證鍛件的誤差落在余量范圍之內(nèi) 鍛件圖尺寸 余量 公差與零件圖尺寸的關(guān)系 鍛件上凡是需要機械加工的表面 都應(yīng)給予加工余量 此外 對于重要的承力件 要求 100 取樣試驗或為了檢驗和機 械加工定位的需要 還得考慮必要的工藝余塊 加工余量的大小與零件的形狀復(fù)雜程 度 尺寸精度 表面粗糙度 鍛件材質(zhì)和模鍛設(shè)備等因素有關(guān) 過大的余量將增加切 削加工量和金屬損耗 加工余量若不足 又會使鍛件廢品率增加 因為鍛件的表面質(zhì)量和尺寸精度不能直接滿足機械零件的使用要求 所以要在鍛 件的表面包覆一層材料 這一層材料就是機加余量 可根據(jù)鍛件的機加表面處的尺寸 查 錘上模鍛機加工余量與尺寸公差 模鍛件的機加余量一般有下列因素組成 Z M m h x 2 式中 Z 加工余量 mm M 精加工的最小余量 mm m 鍛件的最大錯移量等行為公差 mm h 表面缺陷 凹坑 脫碳等 層深度 mm x 鍛件鍛件尺寸的下偏差值 mm 需要增加機加余量的尺寸有 尺寸 機加余量 鍛件尺寸 M40 1 5 3 46 60 0 015 0 008 3 66 80 0 015 0 008 3 86 100 0 015 0 008 3 106 16 3 19 172 3 166 302 3 308 54 3 54 14 40 3 40 338 3 341 需要增加余塊的尺寸 1 58 2 40 3 8 4 4 24 不需要機加的尺寸 1 117 2 R30 3 R20 4 R32 5 107 5 確定模鍛件公差的依據(jù) 1 鍛件的精度等級 鍛件的精度等級分為普通級 用粗鍛或普通模鍛工藝鍛壓 半精密級 用普通模鍛或半精鍛工藝鍛壓 和精密級 用精鍛工藝鍛壓 其中精密 級鍛件應(yīng)根據(jù)需要單獨確定鍛件公差 2 鍛件的質(zhì)量和公稱尺寸的大小 這里應(yīng)注意的是長 寬 高尺寸公差如屬外 表面尺寸的 其正負(fù)偏差值按 2 3 和 1 3 比例分配 屬內(nèi)表面尺寸的 其正負(fù)偏差值 按 1 3 和 2 3 比例分配 厚度公差則按 3 4 1 4 或 2 3 1 3 的比例分配 3 鍛件的形狀復(fù)雜系數(shù) 根據(jù)前節(jié)所述 形狀復(fù)雜系數(shù) S 值大小分為四個等級 4 鍛件的材質(zhì)系數(shù) 材質(zhì)系數(shù)按鍛壓的難易程度也分為四個等級 規(guī)定可鍛性 優(yōu)的鋁合金 鎂合金為 M0 可鍛性良的低碳 低合金鋼為 M1 可鍛性一般的高碳 高合金鋼為 M2 可鍛性差的不銹鋼 耐熱鋼 高溫合金 鈦合金為 M3 5 鍛壓工藝類型 主要是指鍛件是在錘上模鍛 曲柄壓力機上模鍛還是在其它 設(shè)備上模鍛 具體的余量 公差數(shù)值可在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或鍛壓手冊中查找 3 影響加工余量的因素 鍛件需要切削加工的表面均應(yīng)有足夠的余量 而余量的大小 受下列因素的影響 1 鍛件的尺寸大小 鍛件尺寸大 加工余量較大 鍛件尺寸小 加工余量也小 2 零件的尺寸精度 表面粗糙度要求以及零件的形狀復(fù)雜程度 當(dāng)尺寸精度和 表面粗糙度要求高或形狀復(fù)雜時 必須多次加工 此時加工余量就應(yīng)適當(dāng)增加 3 鍛件各類公差對加工余量有影響 尤其應(yīng)著重考慮錯移 直線度 平面度 同軸度 頂桿壓痕等形位公差 4 零件機械加工方法與工藝 機械切削加工零件時 只要求鍛件能保證最小余 量即可 電解加工時 則要求有均勻的余量 有中間熱處理工序或零件需經(jīng)焊接或組 合加工時 應(yīng)留有較多的余量 5 鍛件的材料 鋁鎂合金毛坯加熱后氧化少 可減小粗加工余量 鋼和鈦合金 鍛件表面缺陷層深 應(yīng)加大余量 15 4 模鍛件公差的定義與分類 模鍛件的公差為鍛件最大極限尺寸與最小極限尺寸之差 它可以是具有上下偏差 的雙向公差或是只有一向偏差的單向公差 按所代表的技術(shù)要素的定義可分為 尺寸公差 包括長度 寬度 厚度 中心距 角度 出模斜度 圓弧半徑和圓角 半徑等公差 形狀位置公差 包括直線度 平面度 深孔軸的同軸度 錯移量 鍛件上分模線 一側(cè)的任一點和另一側(cè)的對應(yīng)點之間不一致的允許值 剪切端變形量和桿部變形量 等 表面技術(shù)要素公差 包括深度 殘留毛邊與毛邊過切量 頂桿壓痕深度和表面粗 糙度等 各項公差都不應(yīng)該互相疊加 5 模鍛斜度的確定 為便于模鍛件終鍛后從模具型槽中取出 必須將型槽的側(cè)壁做成一定的斜度 我 們稱之為模鍛斜度或拔模斜度 也叫做出模角 這是因為金屬在也如模具型槽是 是 模具產(chǎn)生一定的彈性壓縮 在外力去除以后 模具的彈性恢復(fù) 對鍛件的側(cè)壁產(chǎn)生很 大的壓力 取出鍛件時 就必須克服模具側(cè)壁對鍛件的摩擦阻力和鍛件的自重 當(dāng)模 具帶有斜度后 鍛模側(cè)壁壓力對鍛件產(chǎn)生一個向上的分力 抵消摩擦阻力 有助于鍛 件出模 綜合考慮鍛件的斜度余量 鍛件結(jié)構(gòu)特點 查表結(jié)果等因素 我們?nèi)″懠?鍛斜度為 7 6 鍛件圓角半徑的確定 圓角半徑的大小與鍛件的形狀和尺寸有關(guān) 鍛件的高度尺寸大的鍛件 圓角半徑 也應(yīng)該加大 為保證鍛件的外圓角有足夠的機加余量可按公式進行計算 R 余量 零 件相應(yīng)處的圓角半徑或倒角也可參照表 4 7 來進行選取 該鍛件中 我們選取圓角半 徑為 R3 幾個特殊的機加面交合處的圓角半徑選為 R5 跟據(jù)以上結(jié)果繪制出該產(chǎn)品的冷鍛件如圖 3 冷鍛件的技術(shù)要求 1 模鍛斜度 7 2 未注圓角為 R3 3 未注公差尺寸精度為 IT14 4 鍛件表面缺陷深度應(yīng)不大于機加余量的二分之一 非機加表面在公差范圍內(nèi) 5 鍛件水平和高度公差按照 JBZQ 4000 7 1986 鍛件通用技術(shù)條件 執(zhí)行 6 鍛件表面不得有磕碰傷 7 切邊毛刺高度不大于 1 5 8 鍛件的水平錯移量不大于 1 2 16 圖 3 3 轉(zhuǎn)向節(jié)冷鍛件圖 在設(shè)計這個冷鍛件圖的過程中 考慮到 80 和 100 尺寸處加上機加余量會使 鍛件成一個很小的凸臺 不利于提高模具的使用壽命 所以采取了頂面 66 的圓錐 底面直接到方形盤的結(jié)構(gòu) 簡化了模具結(jié)構(gòu) 有利于鍛件的成型 也提高了模具的使 用壽命 另外由于中間法蘭盤部位的尺寸較薄 僅為 16mm 且高度尺寸較大 金屬不 易充滿模膛 所以設(shè)計熱鍛件圖時 我們把靠近軸的一面的機加面設(shè)計成與另一側(cè)的 毛皮面鍛造斜度相同的形式 這樣就加大了方盤部位的厚度尺寸 便于金屬更好地流 動以充滿模膛 如圖 圖 3 4 熱鍛件圖鍛造斜度 7 模鍛后續(xù)工序 模鍛成形后的鍛件還需經(jīng)過許多后續(xù)加工工序才能成為一個完整的鍛件 如開式 模鍛件所帶飛邊 帶孔鍛件中的連皮都需要切除 為了提高模鍛件使用性能 消除殘 余應(yīng)力 改善內(nèi)部組織結(jié)構(gòu) 需要進行后續(xù)熱處理 對于鍛件表面殘留的氧化皮和鍛 造缺陷 需要進行表面清理 而經(jīng)過一系列后續(xù)工序加工包括往來運輸所造成的模鍛 17 件斷后變形 特別對精度要求較高的鍛件 還必須進行精壓整形等 最后 經(jīng)過最終 檢驗才能成為一個合格的模鍛制件 確定冷 熱切邊 估算切邊力 沖孔力 設(shè)計切 邊模及沖孔模 3 2 3 熱鍛件圖的設(shè)計 有了冷鍛件圖 我們就可以根據(jù)它來進行熱鍛件圖的設(shè)計 熱鍛件圖是制造鍛造 模具型槽的依據(jù) 所以鍛件是否達到冷鍛件的圖紙要求 熱鍛件圖的設(shè)計就很關(guān)鍵 設(shè)計熱鍛件圖要考慮的因素 1 鍛件的終端溫度 鍛件的終鍛溫度的高低決定了冷鍛件的尺寸是否符合冷鍛件 圖的要求 鍛件終鍛溫度過高 在冷卻時尺寸冷縮較大 造成冷鍛件尺寸小于冷鍛件 要求的尺寸 鍛件的終鍛溫度過低 造成鍛件在模具型腔的金屬流動困難 不易成型 鍛件的內(nèi)部組織會出現(xiàn)微晶裂紋 單靠增加打擊次數(shù)也會加劇模具的磨損 2 鍛件的冷縮率 根據(jù)具體鍛件的鍛造工藝 判斷終端溫度的高低 再根據(jù)終端 溫度選用合適的冷縮率 可以獲得與冷鍛件相符合的鍛件 在該轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的設(shè)計中 我們選冷縮率為 1 2 熱鍛件圖如圖 圖 3 5 熱鍛件圖 其中 圓角半徑不加冷縮率 按冷鍛件的圓角半徑設(shè)計 3 2 4 鍛件毛坯尺寸的計算 1 鍛件重量的確定 我們利用軟件 對零件體積進行估算得出轉(zhuǎn)向節(jié)體積約 為 4659145 4mm 3 所以 鍛件重量為 G V 7 85 4659145 4mm3 36 6Kg 2 飛邊重量的計算 飛邊槽的選用 飛邊槽作用是 1 增加金屬流出模膛的阻力 2 容納多余的金屬 18 3 鍛造飛邊還能起到緩沖作用 減弱上下模的直接打擊 防止上下模的壓塌和崩裂 通過查閱 鍛工手冊 5 130 圖 5 148 表 5 37 確定使用第一種飛邊形式如圖 圖 3 6 飛邊形式及尺寸 利用 CAD 的創(chuàng)建面域命令 創(chuàng)建飛邊的面域 點擊工具 查詢命令 測得飛邊的 截面積為 218 46mm2 利用 CAD 中的 UCS 命令 將坐標(biāo)系的原點移動至軸的中心與 58 孔中心線交點 的位置 點擊創(chuàng)建面域命令 將轉(zhuǎn)向節(jié)熱鍛件圖的最大投影面創(chuàng)建面域 點擊查詢命 令 查詢面域 質(zhì)量特性 測得鍛件最大投影輪廓的周長是 1671 68mm 所以 飛邊部分的體積為 V 飛邊 L F 飛邊 218 46 1671 68 365195 21mm3 鍛件飛邊的重量按照充滿飛 邊的 70 計算 則飛邊的重量為 G 飛邊 V 飛邊 365195 21 7 85 70 2 0Kg 采用兩個火次鍛造 火耗率為 5 則下料重量為 G 總 G 鍛 G 飛邊 1 05 36 6 2 0 1 05 40 5Kg 所以 鍛件的下料重量 為 40 5Kg 3 模鍛件所用原材料 體積應(yīng)包括鍛件本體 鍛造飛邊 連皮 夾鉗料頭 加 熱氧化皮的總和 原材料的截面尺寸及長度是計算毛坯體積和重量的基礎(chǔ) 確定毛坯 尺寸還要考慮到制坯工步的特點等因素 選擇圓形坯料直徑 D 和方形坯料的邊長 A 時 也考慮到在進行墩粗時 坯料不產(chǎn)生彎曲 應(yīng)使坯料的長度與直徑之比 L 坯 D 坯在 1 5 2 2 之間 19 由此 坯料的直徑或邊長有由以下公式確定 D 坯 0 95 0 83 3 V 坯 0 95 3 40 5 7 85 164 15mm 所以 選用直徑 160 的圓形坯料 坯料的尺寸為 160 260 3 3 本章小結(jié) 本章重點是轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝設(shè)計 首先設(shè)計出轉(zhuǎn)向節(jié)的零件圖 然后確定鍛造的工 藝流程 找出鍛造難點 確定最終的工藝方案 下一步是鍛件圖的設(shè)計與鍛件毛坯的 尺寸計算 在鍛件圖的設(shè)計中 我首先確定了鍛件的分模面 然后對冷鍛件圖和熱鍛 件圖分別做出設(shè)計 最后計算毛坯的體積與重量與飛邊槽的設(shè)計與選用 20 第 4 章 轉(zhuǎn)向節(jié)的模鍛設(shè)計 4 1 自由鍛制坯工具的設(shè)計 鍛造工步圖 圖 4 1 鍛造工步圖 根據(jù)鍛造工步圖 我們要設(shè)計相應(yīng)的自由鍛制坯工具 包括摔模 胎模 劈料工具等 4 1 1 摔軸頸摔模的設(shè)計 設(shè)計如圖 21 圖 4 2 軸部摔模 4 1 2 劈料胎模的設(shè)計 設(shè)計如圖 圖 4 3 劈料胎模 22 圖 4 4 壓墊 1 圖 4 5 壓墊 2 23 圖 4 5 壓墊 3 4 2 鍛造打擊力的估算和設(shè)備的選用 合適的選擇模鍛錘的噸位 不但能獲得優(yōu)質(zhì)鍛件 也能節(jié)省能源 保證模具的使 用壽命 由于模鍛的每一次打擊是一個瞬時過程 要獲得準(zhǔn)確的理論計算是很困難的 所以生產(chǎn)中是根據(jù)經(jīng)驗公式或近似解的理論公式來確定設(shè)備噸位 也可根據(jù)已經(jīng)生產(chǎn) 鍛件的大小對比來確定設(shè)備 在本次設(shè)計中 我們是根據(jù)經(jīng)驗公式來確定設(shè)備噸位的 按鍛件在分模面上的投 影面積和所鍛造的材料性質(zhì)來確定設(shè)備噸位 G 3 5 6 3kF 總 式中 G 鍛錘噸位 鍛錘落下部分的總質(zhì)量 K 材料系數(shù) 查 鍛造工藝學(xué) 表 5 36 取鋼種系數(shù)為 1 F 總 鍛件的總變形面積 包括鍛件的投影面積 飛邊面積的 70 連皮面 積 我們利用 CAD 的面域功能 求得 1 鍛件的投影面積為 43373 66mm2 2 飛邊面積為 127769 64 43373 66 84396mm2 3 總面積為 43373 66 84396 0 7mm2 102450 mm2 所以 G 3 5 6 3kF 總面 4 102450 1 409800KN 取中間值 4 可以選用 5 噸模鍛錘進行鍛造 4 3 鍛造模具 切邊模具設(shè)計及鍛造工藝編制 24 4 3 1 模具壓力中心的計算 模具壓力中心是指沖壓時諸沖壓力合力的作用點位置 為了確保壓力機和模具正常工 作 應(yīng)使沖模的壓力中心與壓力機滑塊的中心相重合 否則 會使沖模和壓力機滑塊產(chǎn)生 偏心載荷 使滑塊和導(dǎo)軌間產(chǎn)生過大的磨損 模具導(dǎo)向零件加速磨損 降低模具和壓力機 的使用壽命 沖模的壓力中心 可按下述原則來確定 對稱形狀的單個沖裁件 沖模的壓力中心就是沖裁件的幾何中心 工件形狀相同且分布位置對稱時 沖模的壓力中心與零件的對稱中心相重合 形狀復(fù)雜的零件 多孔沖模 級進模的 壓力中心可用解析計算法求出沖模壓力 中心 解析法的計算依據(jù)是 各分力對某坐標(biāo)軸的力矩之代數(shù)和 等于諸力的 合力對該軸 的力矩 求出合力作用點的 座標(biāo) 位置 O 0 x 0 y 即為所求模具的壓力中心 4 利用 CAD 中的 UCS 命令 將坐標(biāo)系的原點移動至軸的中心與 58 孔中心線交點的位 置 點擊創(chuàng)建面域命令 將轉(zhuǎn)向節(jié)熱鍛件圖的最大投影面創(chuàng)建面域 點擊查詢命令 查詢 面域 質(zhì)量特性 測得鍛件的質(zhì)心位置為 X Y 的值為 80 9 4 3 2 終鍛鍛造模具的設(shè)計 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的形狀較為復(fù)雜 單靠自由鍛制坯來完成從原材料到鍛件的材料體積分配 是不準(zhǔn)確的 另外 分叉部位尺寸變化劇烈 在鍛造時材料變形劇烈 容易產(chǎn)生折疊傷 所以我們在模具上設(shè)計增加了一個預(yù)鍛型槽 在終鍛前對材料進行一次材料的體積分配 改善金屬在終鍛模膛中的流動情況 這樣就能保證鍛件的各個部分成型充分 避免鍛件出 現(xiàn)折疊傷 也會提高終鍛型槽的使用壽命 預(yù)鍛型槽四周不開設(shè)飛邊槽 但是預(yù)鍛時也會有飛邊形成 這個飛邊會起到限制金屬 向預(yù)鍛型槽外流動的作用 促使金屬充滿預(yù)鍛型槽 另外 預(yù)鍛時 預(yù)鍛型槽是不需要打 靠的 因此預(yù)鍛時的坯料的高度和斷面積大于終鍛模膛的高度和截面積 在終鍛時尚有部 分金屬從終鍛模膛中流出形成飛邊 對模膛內(nèi)的金屬材料產(chǎn)生流動阻力 促使金屬材料更 25 好地充滿模膛 在中間方盤部位 由于方盤較薄且高度尺寸較大 金屬不易充滿模膛 所 以在飛邊的相應(yīng)位置開設(shè)了阻尼溝槽 鍛造時阻滯金屬向外流動 促使金屬充滿模膛 1 鉗口的設(shè)計 鉗口是放置鉗子加持坯料的 也是用來取出鍛件的位置 在模具制造后交檢時 由該 處注入金屬鹽或熔化的鉛液 待凝固后劃線檢驗 以驗證模具制造尺寸是否正確 圖 4 7 鉗口的設(shè)計 2 預(yù)鍛型槽和終鍛型槽的設(shè)計如圖 26 圖 4 8 預(yù)鍛型槽 圖 4 9 終鍛型槽 3 鍛模模塊的設(shè)計和燕尾尺寸設(shè)計 確定模塊尺寸的原則和數(shù)據(jù) 一是根據(jù)模膛的尺寸和數(shù)量進行布排 考慮最小壁厚等 27 因素 得出所必須的模塊最小輪廓尺寸 選取工廠現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模塊中的較大值 模塊尺寸 為 840 840 400 燕尾寬度 300 高度 65 燕尾角度為 10 4 鍛造模具的總體設(shè)計圖 圖 4 10 鍛造模具總體設(shè)計圖 4 3 3 切邊模具的設(shè)計 通過上網(wǎng)查找資料 切邊凹模采用碳素結(jié)構(gòu)鋼做凹模的本體材料 采用模具鋼焊條堆 焊 圖 4 11 切邊模具 28 機加的工藝方法 這樣可以節(jié)省昂貴的模具材料 降低鍛造生產(chǎn)成本 圖 4 12 切邊凹模 查 鍛造工藝學(xué) 模具的單邊間隙應(yīng)取 0 5 凹模刃口尺寸按照熱鍛件圖的分模線制造 間隙取在凸模上 圖 4 13 切邊凸模 圖 4 14 上模板 29 4 3 4 鍛造工藝的編制 查 鍛工手冊 2 6 表 2 3 40Cr 鋼的始鍛溫度為 1200 終鍛溫度 800 圖 4 15 鍛造工藝 4 4 鍛造模具的制造 4 4 1 鍛造模具的模塊加工 模具材料選用國內(nèi)常見的 5CrNiMo 熱做模具鋼 經(jīng)過自由鍛造而成 經(jīng)過正火處理 采用刨床或銑床按照設(shè)計尺寸制成方形模塊 4 4 2 鍛造模具模膛的制造 經(jīng)過粗加工加工好的模塊 按照傳統(tǒng)的方法可以采用在電火花機床上電火花放電的方 法制造 這種方法需要事先制造好用于放電的電火花電極 這種加工方法的缺點是 1 需要 制作電極 增加了模具制造的成本 2 制作電極和電火花加工模具的周期較長 模具交付周 期也長 不適合當(dāng)前的市場經(jīng)濟和市場競爭 3 對于一些形狀較復(fù)雜的模具 由于電極的制 作精度的原因 鍛件的精度不容易得到提高 4 5 本章小結(jié) 本章完成了轉(zhuǎn)向節(jié)的所有模具的設(shè)計 包括鍛造的工步的確定 軸部摔模 劈料胎膜 壓墊的設(shè)計 模具壓力中心的計算終鍛鍛造模具的設(shè)計鉗口的設(shè)計預(yù)鍛型槽跟終鍛型槽的 設(shè)計 鍛造模具的總體設(shè)計圖 還有切邊模具切邊凹模的設(shè)計 30 結(jié) 論 通過這一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計 我學(xué)到了許多以前沒有接觸到的知識 我做的設(shè)計為汽車 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)與成型工藝 這個題目需要很多關(guān)于模鍛 模具設(shè)計的知識 這些知識是我以 前所不了解的 但是通過這次做這個畢業(yè)設(shè)計 我通過網(wǎng)上查資料 咨詢老師與同學(xué) 獲 得了很大的收獲 我個人覺得在轉(zhuǎn)向節(jié)的材料應(yīng)用上或許可以研制出更好的材料 是轉(zhuǎn)向節(jié)的耐磨度 硬度都有個大大的提升 這樣可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量 延長其使用壽命 從經(jīng)濟行到安全性 都將是個大大的提高 轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零件 所以他的模具設(shè)計更是重中之重 此次我設(shè)計了 轉(zhuǎn)向節(jié)的零件圖 模具圖 由于時間有限 知識有限 肯定會有很多欠缺的地方 希望大 家批評指正 31 參考文獻 1 鍛工工藝學(xué) 機械工業(yè)出版社 M 2005 2 鍛工手冊 機械工業(yè)出版社 M 1976 3 沖壓設(shè)計資料 王孝培 北京 機械工業(yè)出版社 M 2000 4 鍛造工藝與模具設(shè)計 姚澤坤 西北工業(yè)大學(xué) M 2007 5 許發(fā)樾 模具標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊 北京 航空工業(yè)出版社 M 1994 6 國家標(biāo)準(zhǔn)總局 鍛造模國家標(biāo)準(zhǔn) 北京 國家標(biāo)準(zhǔn)出版社 1981 7 汪澤波 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)成形工藝有限元模擬研究 D 合肥 合肥工業(yè)大學(xué)1998 8 陳小斌 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)錘上鍛造工藝 J 鍛壓機械 1983 9 張德春 孫吉寶 STEYR轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛成形工藝研究 J 鍛壓技術(shù)2005 10 王林 周杰 常江 李果 1020 轉(zhuǎn)向節(jié)成形分析及有限元模擬 J 2003 11 張德春 孫吉寶 STEYR 轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛成形工藝研究 J 1994 12 路 周杰 王貴華 盧先正 成形速度對轉(zhuǎn)向節(jié)熱擠壓系統(tǒng)的影 0 J 1997 13 文琳 朱小兵 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造成形工藝的有限元分析 J 1991 14 盛英泰 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)柔性生產(chǎn)線設(shè)計 J 1991 15 朱小兵 輕卡轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造成形有限元分析 合肥工業(yè)大學(xué) J 2006 16 王紅衛(wèi) 韓國立 轉(zhuǎn)向節(jié)成形變形力的計算 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 J 2001 17 楊彩紅 馬永杰 王紅衛(wèi) 轉(zhuǎn)向節(jié)成形工藝參數(shù)數(shù)值模擬研究 J 1992 18 權(quán)國政 周杰 轉(zhuǎn)向節(jié)的一種半封閉式擠壓成形工藝模擬研究 J 2008 19 機械設(shè)計手冊 聯(lián)合編寫組編 機械設(shè)計手冊 M 北京 人民交通出版社 2004 20 汽車工程手冊 編輯委員會 汽車工程手冊 M 化學(xué)工業(yè)出版社 2001 21 ternational Organization for Standardization Passenger Car Tyres Rolling Resistance Measurement Draft International Standard ISO DIS 8767 1989 22 over P S Bordelon S H New Parameters for Comparing Tire Rolling Resistance SAE Paper 1999 32 致 謝 通過這六周的畢業(yè)設(shè)計 使我學(xué)到了不少東西 首先 感謝王國田老師的細(xì)心指導(dǎo) 其 次 在自己不斷自學(xué)和向老師同學(xué)請教的過程中 不僅鞏固了以前所學(xué)到的知識并掌握了一 些新知識 雖然我們不是學(xué)鍛造專業(yè)的 但是通過此次畢業(yè)設(shè)計 查閱了大量的專業(yè)書籍 和技術(shù)資料 使我掌握了很多鍛造專業(yè)的基本知識 也讓我對課堂所學(xué)有了更深刻的理解 其次 在運用所學(xué)知識的過程中 遇到了很多問題 通過上網(wǎng)查找使自己解決問題的能力 得到了很大提高 在完成這次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)的過程中 很多問題是在我們的教材上得不到 答案的 需要我們查閱各種資料并進行理解應(yīng)用 通過自己的努力 最終解決了這些問題 不但加深了對鍛造專業(yè)的知識理解 還考驗了自己的耐心和毅力 畢業(yè)設(shè)計消耗時間較多 任務(wù)量也比較大 當(dāng)各種問題一個個冒出來的時候 常常很急燥 但為了早日完成 又不 得不使自己靜下心來 認(rèn)真看書研究 最終找到了答案 最后我再次感謝王國田老師以及汽車與交通工程學(xué)院的所有老師對我四年學(xué)習(xí)的關(guān)心 與教導(dǎo) 謝謝 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 32 附 錄 Steering knuckle technology development present situation Auto steering knuckle is key automotive parts the quality of the security of the fit and unfit quality directly support crew and cargo security At the same time the car turned to the festival is very complex difficult shape forming high parts Our traditional ways of manufacturing high energy consumption low material utilization ratio die life high cost and low manufacturing production environment is bad and can t meet the requirements of the development of China s automotive high speed At present China s automotive steering knuckle is in the stage of development technical level is developed countries also has the disparity With the high speed development of auto industry China s automobile steering knuckle is gradually towards specialized advanced In 2007 China s weapon equipment group company self developed aluminum alloy steering knuckle smooth through the national nonferrous metal and electronic material analysis and test center of the test can meet the international similar product standard become our country the first successfully developed the aluminum alloy of steering joint enterprise fill th