大学毕业论文套筒扳头挤压成型模具设计与制造设计.docx
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大学毕业论文套筒扳头挤压成型模具设计与制造设计
河南工程学院毕业设计（论文）
题目：
套筒扳头挤压成型模具设计与制造
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
年月日
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
摘要
根据热挤压成形理论，针对套筒扳头自身用量大、结构简单的特点，采用模锻中的热挤压成形工艺进行加工。
以热挤压成形工序和模具的结构设计基础先设计出一套模具，再借助Deform软件对成形过程进行了模拟、分析。
了解成形过程中金属的流动规律及应力的分布情况。
对工艺参数进行优化，得到一组最适合于制造模具的工艺参数，这组参数不仅有效的降低模具使用中的锻造力还提高了模具的寿命。
关键词：
套筒扳头模具设计 热挤压成形 模具制造 Deform分析
Abstract
AccordingtothetheoryofSocketWrenchExtrusionforming,TheSocketWrenchcanbeprocessedinhotextrusionformingbyupset-dieforlargeamountsandsimplestructurecharacteristic.Thestructuralofhotextrusionformingmouldcanbedesignedbasedonhotextrusionformingprocess,andthennumericalsimulationandanalysisofhotextrusionformingprocessmaybedonebyusingDEFORMsoftware.Meanwhiletheruleofmetalformingflowandthedistributionofstresscanberealized.Themostsuitableparametersformouldmanufacturingcanbegottenfromoptimizingprocessparameters.thisgroupofparametersisnotonlytoreduceformingforceandalsoenhancedthelifeofextrusiondie.
Keywords:
Socketwrenchdiedesign hotextrusionforming moldmanufacturing Deformelement
目 录
前言………………………………………………………………………………………………1
第一章绪论……………………………………………………………………………………2
第一节本课题的目的和意义……………………………………………………………2
第二节本课题的主要研究内容及技术要求……………………………………………2
一、套筒扳头的制造工艺确定…………………………………………………………2
二、套筒扳头的模具设计………………………………………………………………2
三、DEFORM的优化分析…………………………………………………………………2
第三节小结………………………………………………………………………………3
第二章套筒扳头热挤压模具设计………………………………………………………3
第一节热挤压工艺概述…………………………………………………………………3
第二节热挤压工艺中的重要工艺参数…………………………………………………6
第三节套筒扳头热挤压成型工艺方案的确定…………………………………………7
第四节热挤压的质量问题及预防………………………………………………………10
一、磨损………………………………………………………………………………10
二、热疲劳裂纹………………………………………………………………………10
三、破裂………………………………………………………………………………10
四、模具发生塑性变形………………………………………………………………10
第五节毛坯的尺寸计算…………………………………………………………………11
第六节热挤压力的计算…………………………………………………………………12
第七节小结………………………………………………………………………………13
第三章热挤压模具的结构设计…………………………………………………………13
第一节热挤压模具材料的选择…………………………………………………………13
第二节模具设计…………………………………………………………………………15
一、凹模的设计与计算………………………………………………………………15
二、上凸模的设计与计算……………………………………………………………16
三、下凸模的设计与计算……………………………………………………………18
第三节小结………………………………………………………………………………19
第四章Pro/E3D建模……………………………………………………………………20
第一节Pro/E3D建模…………………………………………………………………20
第一节小结…………………………………………………………………………22
参考文献………………………………………………………………………………………23
致谢……………………………………………………………………………………………24
前言
现代工业的迅猛发展使挤压技术得到越来越广泛的应用，对挤压模具的设计与制造的要求越来越高。
我们都知道挤压模具是挤压生产的主要工艺准备，它的设计是否合理对挤压件的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益等影响很大。
所以说提高挤压模具的设计水平和挤压模具的各项技术指标，对现代工业的发展使十分必要的。
挤压模具设计广泛应用于机械、汽车、五金制品等行业中。
由于金属材料的冷、温、热变形，所以挤压模具分为冷挤压模具、温挤压模具、热挤压模具，从设计中可以看出是热挤压模具的设计。
热挤压模具一般都是由模架、导向装置、紧固装置、卸料装置、冷却装置和热加压模具工作部分（凸模和凹模等）组成。
它一般将坯料加热到热锻温度，所获得的热挤压件具有良好的力学性能。
生产实践证明，热挤压是一种生产效率高、劳动强度低、加工质量好、省料、省工和成本低的金属压力加工方法。
这种先进的加工方法，可以取代或部分取代金属切削加工，为机械加工实现少无切削创造了条件。
制定套筒扳手的热挤压成形工艺，坯料加热温度的确定，成形过程中的润滑计算热挤压力，挤压速度，运用CAD技术实现成形模具CAD建模，并采用有限元软件DEFORM-3D实现套筒扳手的挤压成型模拟和分析，运用Pro∕E3D进行建模，提高了自己的动手能力，互相请教，巩固了自己所学的知识，并且运用好学院的图书馆书籍。
第一章绪论
第一节本课题的目的和意义
应用3D-CAD软件实现套筒扳头挤压模具设计，并采用有限元软件DEFORM-3D实现套筒扳头挤压成形模拟与分析技术是当前比较先进的CAD/CAE设计，仿真理念。
集合本专业知识，通过该项目的研究与实施，培养学生运用3D-CAD软件进行挤压成形模具设计及其成形分析，提高综合素质设计，分析能力及解决生产实际问题的能力，加强和提升所学专业知识，同时拓展专业广度，符合我校应用型人才培养模式。
第二节本课题的主要研究内容及技术要求
1．学习，掌握套筒扳头热挤压成形工艺流程；
2．学习理解挤压模具相关参数的计算与分析，运用CAD技术实现成形模具CAD建模；
3．熟练掌握DEFORM-3D有限元软件及其应用技术；
4．模拟，仿真挤压成形过程，分析影响正常成形的因素，对成形模具设计进行优化，最后进行模具制作。
一、套筒扳头的制造工艺确定
针对套筒扳头自身的特点，利用热挤压成形理论，制定套筒扳头热挤压的成形工艺。
二、套筒扳头的模具设计
结合套筒扳头用量大结构简单的特点，设计热挤压制造套筒扳头，其中以模具结构的设计和模具制造为重点。
模具设计包括成形工艺方案的确定、毛胚尺寸的计算、挤压力的结算、模具各部分零件尺寸的确定、模具材料的选取、模具的强度及寿命的校核。
三、DEFORM的优化设计
模具按照理论依据和经验公式进行设计，得出的模具结构不一定为最优。
再利用Deform对其分析优化，改变其中结构工艺参数，使其工作应力尽量降低，提高模具的寿命，再用Deform分析的到的最优的资料去指导模具的生产。
第三节小结
本章概述了套筒扳头的特点及其制方法，并要利用Deform软件对模具成形过程进行分析，从而指导模具的生产。
第二章套筒扳头热挤压模具设计
第一节热挤压工具概述
所谓热挤压就是在挤压前将毛坯加热到金属再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压（见下表2—1），从而获得所需要的热挤压件的一种加工方法。
一般碳钢的热挤压加工温度区间见图2—1所示：
表2-1金属的再结晶温度
金属
再结晶温度（℃）
熔点（℃）
Pb
室温以下
327.4
Sn
室温以下
232
Zn
200
419.4
Mg
150
650
Al
150
660
Cu
200
1083
Ni
600
1455
Fe
450
1539
C0.1%钢
580~600
C0.25%钢
600~630
C0.15%钢
630~650
图2-1碳钢的加工温度区域
由图2--1可见热挤压时，毛坯是在很高的压应力作用下产生塑性变形。
所以包括高温下塑性很低的材料，均可以承受很大的变形而不发生破坏。
热挤压工艺过程包括：
毛坯的制备——毛坯预热和加热——涂敷玻璃润滑剂——挤压——卸下模具（凸、凹模）、芯棒，清除制件上的玻璃润滑剂——精加工。
挤压可以分为两大类：
正挤压和反挤压。
正挤压的特点是被挤压金属的流动方向与凸模（冲头）的运动方向一致，而凹模则是固定不动的。
如图2—2：
图2-2正挤压过程示意图
（a）凸模接触热料，金属坯料开始流动
（b）凸模完成挤压，滑块回到下死点位置
（c）凸模向上运动，离开挤压件
反挤压的特点是金属流动方向与凸模的运动相反。
采用反挤压能制成圆形、正方形、矩形以及其它形状的空心零件。
如图2—3
图2-3反挤压过程示意图
（a）凸模接触热料，金属坯料开始流动
（b）凸模完成挤压，滑块回到下死点位置
（c）凸模向上运动，离开挤压件
热挤压基本上有如下几种形式如图2—4所示。
其中a、c、d的形式应用最广。
a应用于挤压筒形零件，c应用于挤压管形零件，d应用于棒形零件。
b也是应用于挤压棒形零件，此形式由于毛坯相对于挤压筒壁没有滑动，所以摩擦力比d小，而且一般情况下不采用。
但是近来这种形式有时也用于挤压有色金属零件。
图2-4挤压方式
a）深孔反挤压b）实心反挤压c）空心正挤压d）实心正挤压
热挤压工艺是先进的金属压力加工方法之一。
挤压件的机械加工余量较小，表面质量和尺寸精度也较高，热挤压件的表面光洁度高，尺寸精度也可达IT6--7级。
因此，在零件要求不太高的情况下，热挤压件无需再进行机械加工，从而可以节约大量的金属材料和机加工工时，因此热挤压加工工艺是一种很有发展前途的金属加工方法。
第二节热挤压工艺中的重要工艺参数
在热挤压成形过程中，坯料的加热温度、润滑条件、挤压速度及模具的过渡圆角等都对热挤压成形起着关键的作用。
一、坯料加热温度的确定
在热挤压前毛坯要先要预热，目的是防止毛坯晶粒粗大，表面产生裂纹，提高生产率和节约能源。
一般来说，在保证金属坯料不产生过烧和过热的前提下，总是希望被挤压金属的坯料温度愈高愈好，金属的塑性就越好，也就更容易金属坯料的变形。
但是金属坯料的加热温度不能无限的高，因为金属坯料的加热温度过高，不仅会产生严重的氧化和脱碳，而且还可能出现过热和过烧现象。
因此，金属坯料的加热温度，必须严格控制在一定的范围内，通常是将金属坯料的加热温度控制在低于金属坯料熔化温度150—250℃之间。
二、成形过程中的润滑
润滑剂选用的合适与否直接影响热挤压工艺的成败。
对于钢，使用各种各样的玻璃粉或者玻璃纤维作润滑剂。
它们不仅起润滑作用（摩擦系数
=0.027—0.033），还在毛坯和模具之间起隔热作用。
根据热挤压工艺特点，一般要求润滑剂有如下性能：
（一）具有良好的润滑性能
在热挤压时，为使坯料与模具隔离，避免两者的直接接触，帮助金属流动、提高金属的填充性，降低挤压力，因此要求润滑剂在热挤压温度范围内要具有良好的润滑性能。
（二）具有良好的脱模性能
在热挤压时，模具的温度一般在200—300℃，有时甚至高达400--500℃，而挤压件的温度远高于模具温度，当挤压过程结束时，如果润滑剂具有良好的脱模性，则挤压件与模具可即刻分离出去，从而减少了挤压件传到模具上的热量，也就控制了模具的温升。
三、模具材料的选用
热挤压模具在材料的变形过程中，要经受高的变形抗力和热应力的综合作用，单位压力可高达2000—2500Mpa,连续生产时模具温度可以高达到500--600℃甚至更高，因此在进行工艺设计时，模具材料应满足下列要求：
四、成形设备特点
在钢质机械零件的热挤压过程中，目前越来越多地采用专用的热挤压设备，针对热挤压工艺生产的特点，用于热挤压生产的设备应满足下列要求：
（一）设备必须具有足够的强度和刚度
（二）足够的打击能量和精确的导向
（三）要有合适的挤压速度
第三节套筒扳头热挤压成型工艺方案的确定
根据套筒扳手零件的结构特点以及热挤压工艺的要求，图2---5所示的零件图，此次毕业设计针对此零件进行了工艺分析，设计了一套可供生产使用的热挤压成形模具。
图2-5扳头零件图
热挤压工艺方案可以如下图2--6所示：
下料→墩粗、锯平→挤压成形
图2-6套筒扳手热挤压工艺简图
在套筒扳手成形工艺方案中，墩平工序后是要进行退火和磷化处理的。
套筒扳手热挤压材料采用25号钢。
生产套筒扳手的全部流程为：
备料---原材料酸洗、磷皂化---拉拔---下料磷皂化---墩平---退火---酸洗、磷皂化---成形---热处理（渗碳淬火或碳氮共渗）---包装入库。
各主要工序工作特点分析：
（一） 准备主要为后工序提供稳定的工作直径，以及低而稳定的材料硬度。
（二） 下料本工序要求下料长度稳定，重量公差稳定在
以内。
（三） 加热为确保零件内孔对脱碳层的要求，坯料采用中频加热方式，在加热过程中应严格控制坯料的加热温度。
（四） 墩平通过墩平工序消除马蹄形、压塌等缺陷，墩平上下断面并在上断面中心打出一中心窝，在下端面边缘形成倒角，为下道工序做准备。
（五） 润滑在生产过程中，将圆柱形毛坯表面涂上水剂石墨，然后感应加热至490℃，放入组合凹模的模具中。
（六） 成形本工序所需要完成的是挤压内孔和下端的四方，采用一次反挤压成形工艺，即杆部反挤头部正挤的复合挤压成形工艺可以解决上述问题，其工艺流程如图2所示。
由于采用了六角头和四方头孔均反挤，坯料与凹模之间无相对运动产生的摩擦力，从而降低了挤压力。
该方案模具结构简单，生产效率高J31—100型曲柄压力机活动横梁到工作台面距离为1250mm，行程长，凸模设计为中空结构，成形杆部的模腔在凸模上，可以完成脱模。
套筒扳手热挤压工艺的生产过程是:
下料-加热-挤压-热处理-精加工。
图2-7成型过程
第四节热挤压的质量问题及预防
套筒扳手的热挤压是属于模锻中的热模。
模锻工序的镦粗变形过程可能会产生以下一些缺陷，影响镦粗件的质量。
所以要了解这些失效形式，才能有效的采取相应的措施。
常见的失效形式有以下几种。
一、磨损
磨损是模具与毛坯在高压下相对摩擦的结果，磨损使模具表面不平并且出现沟痕，这种沟痕有可能引起应力集中造成模具破裂。
二、热疲劳裂纹
热疲劳裂纹是由于模具表面热冷交替反复变化引起异符号的热应力的反复作用而产生的。
热裂纹成龟裂状，多发生在模具的突出部，因为突出部容易急冷急热。
当模具材料的导热性差，热膨胀系数大，使用温度范围和润滑剂选用不合适时，更容易产生热裂。
磨损和热疲劳裂纹属于正常失效。
三、破裂
产生破裂的原因：
（一）采用的模具材料冲击韧性低；
（二）模块没有锻透，组织不均，甚至内部有缺陷；
（三）热处理不当，有实效裂纹；
（四）模块内的纤维方向安排不当。
防止模具破裂，在设计时应当考虑以下几点：
（一）确保在模锻时，模具发生模锻时，模具内的应力值低于材料允许强度极限;
（二）尽量减少应力集中情况；
（四）多余能量的吸收问题；
（五）选用适当的模具材料并对模块的锻造和纤维方向的布排提出要求。
四、模具发生塑性变形
模具发生塑性变形的原因是因为模具的硬度过低或锻件的变形抗力过大所引起的。
热短时由于冷却不好，模具温升较高，引起模具退火而变软。
而当坯料温度过低时锻件的变形抗力便会增大。
第五节毛坯的尺寸计算
根据零件确定毛坯为圆棒料，规格为Ф45X71mm。
就能确定毛坯的形状如图2—8：
图2-8零件毛坯形状图
首先根据挤压件图计算出套筒挤压件的重量为0.163kg,挤压件的重量加上1%的烧损率（由于采用中频感应加热），再加上1%的锯边重量：
即毛坯的重量=挤压件的重量×（1+1%+1%）=0.8315kg
再根据毛坯与零件质量不变原理有：
V
=V
毛坯体积V0=挤压件体积VP+0.01V0+0.01V0
=1.1424×105mm3
选用毛坯的规格为Ф45×71mm
毛坯的高度h0=V0/A0=1.27×105/
R
=71mm
采用热挤压成形工艺，需对材料的许用变形程度进行验证，许用变形程度用断面收缩率ε来表示挤压过程中毛坯的变形程度为:
%
（1）
＜
完全
升级会员 