五档变速叉锤上模锻工艺及模具设计大学毕业设计.docx
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五档变速叉锤上模锻工艺及模具设计大学毕业设计
五档变速叉锤上模锻工艺及模具设计
摘要
五档变速叉位于传动轴的端部，是变速箱中的一个重要零部件，主要作用是变速。
根据零件尺寸、形状、结构、生产批量以及生产设备等因素来制定锤锻工艺。
五档变速叉有一定落差，形状比较简单，大批量生产，经过各种工艺分析，采取锤上模锻来进行生产，一模一锻。
进行相关计算，采用拔长,滚挤,预锻和终锻四个工步。
然后进行模锻后处理，进行冷切边，去毛刺，去氧化皮，热处理，冷校正等工艺。
设计先经过热锻件图的绘制，计算毛坯图的绘制，然后选定工步，计算设备吨位，再进行终锻、预锻、拔长、滚挤型槽以及切边模的相关计算和设计。
关键词：
五档变速叉,锤上模锻,切边
Designofdieforgingprocessanddiefivetransmissionforkhammer
Abstract
Fivegearshiftforkislocatedintheendofthedriveshaft,gearboxisoneoftheimportantparts,themainrolespeed.Accordingtothesizeoftheparts,shape,structure,massproductionandproductionequipmentandotherfactorstodevelopforgingprocess.
A5-speedtransmissionforkhascertaingap,theshapeisrelativelysimple,largequantitiesofproduction,throughavarietyofprocessanalysis,takethehammerforgingproduction,adieforging.Relatedcalculation,thepulllong,rollingandextrusion,theblockingandfinishforgingstep.Thenafterforgingprocessing,coldcutedge,burr,oxideskin,heattreatment,coldstraighteningprocessafterhotforginggraphdrawing,blankcalculationdiagramdrawing,andthenchosenstep,computingdevices,andthenthefinalforging,blockingforging,pulllong,rollingandandtherelevantcalculationanddesignofthetrimmingdie.
Keywords:
fivegearshiftingfork,hammerforging,trimming
第一章概述
1.1锻造国内外发展情况
锻造技术是先进制造技术的重要组成部分之一，锻造技术的进步必然促进金属加工技术的快速发展。
根据美国国家生产力委员会调查，在企业生产力的构成中，制造技术的作用占62%。
为获得所需零件，约70%以上金属材料需经过塑性成形（含热、温和冷）为主的加工方式加工。
从这个意义上讲，全面发展热、温与冷精锻技术具有重要的战略和现实意义[1-4]。
1）锻造国外概况
从普通模锻上来说，国外已经注意了在通用的锻造设备上研究如何减少加工余量、出模斜度和余块，以及缩小锻件尺寸公差等问题。
国外已把模角控制在0°～1°，另外，国外还采用了节省材料的模锻工艺。
如在锤锻和热模锻压机上多采用小飞边和无飞边的锻造工艺，锻件材料利用率可达82～85％.国外轴向锻造工艺也应用的越来越广，各大汽车公司均选用多工位自然热镦机来镦锻齿轮等零件。
这不但生产效率高，还可以进行无飞边锻造[2-6]。
2）锻造国内概况
我国是一个发展中国家，经过半个多世纪的建设，锻造工业可以说是从无到有、从小到大、从大到强发展起来的。
目前有万吨以上锻压机床60余台，模锻
液压机最大吨位达到800000kN，自由锻压机最大吨位达到180000kN。
大型锻压设备成倍增加，几十条锻件生产线已被建立起来，为我国机器制造业持续高速发
展奠定了雄厚的基础。
到2015年，与发达工业国家相比，我国锻造设备无论是数量、吨位还是性能都跃居世界前列。
随着我国跻身世界钢铁生产大国的行列，汽车制造业、飞机制造业以及发电设备、机车、轮船制造业的飞速发展，对锻件需求量日益增大，必然促进锻造技术的发展，使锻造与发展的制造业相适应[6-11]。
1.2中国锻造发展趋势
智能锻造设备关键共性技术研究与开发是未来的一个亮点。
如锻造装备数控技术、故障检测诊断技术、专家系统、人工智能技术、伺服直驱技术（大功率伺服电机驱动）和机器视觉等都是重要的开发研究领域。
锻造装备核心部件的开发越来越重要：
下大力气开展锻造装备数控系统、快速、精密液压驱动系统、大功率伺服电机及驱动控制器等的研制。
随着具有“国际领先水平”的“NTR法锻造成套装备技术及成形工艺”的推广与应用，我国全纤维曲轴锻造技术获得重大进展。
由于该设备的增力技术，极大地降低了同吨位锻压设备的造价，使大型锻造设备将朝着专机方向发展成为可能，使具有一定批量或变形工艺雷同的大型自由锻件改为模锻件生产方式。
减少切削余量、提高机械性能、降低制造成本和提高国际市场的竞争力有了可能。
轴承环类中小型幻剑的批量辗扩（也称辗轧）应逐步建立从环件制坯-辗环-出料的全自动化生产线，提高环件质量稳定性及一致性，提高生产效率，改善环境，减轻工人的劳动强度。
对异型截面环件的轧制可以减少机械加工余量，提高材料利用率，合理分布环件的金属纤维以提高环件质量，典型件有高颈法兰和各种台阶环等。
应对预制坯工艺、轧制成形工艺以及辗环设备的自动化控制技术等进一步优化[7-12]。
未来5年，锻造行业将发生比较大的变化，传统生产方式生产的低附值锻件竞争更加惨烈。
一部分盲目投资、无技术实力、无配套能力的锻件生产企业会被
迫关闭。
2016-2020年锻造行业在精密锻造、自动化、数字化和信息化锻造等方面将有发展。
管理规范、工艺手段齐全、设备先进实用、产品特色强和企业文化现代的锻造企业将获得生存空间[13-15]。
1.3五档变速叉概述
本次设计的五档变速叉，要进行五档变速叉锤上模锻工艺及模具设计。
综合有关知识完成五档变速叉锤上模锻工艺及模具的设计,锻造设备选择与锻造工艺卡,锤上模锻后续处理工艺。
此五档变速叉质量小，大批量生产，加工余量小，通过简单的模锻工艺即可完成。
1）此次设计主要工作如下：
零件名称：
五档变速叉
表1.1设计内容表
内容
锤锻模加工工艺规程设定
变速叉模具设计
编写设计说明书
1
分析研究零件图，进行结构工艺性审查
明确设计任务
2
根据生产纲领和生产类型，确定工艺的基本特征
绘制各工序模膛
设计任务书
3
确定毛坯的类型及制造方法，绘制计算毛坯图
合理安排模膛分布
前言
4
选择加工方法，拟定工艺路线
绘制锤上模锻锻模装配图
对零件的分析
5
进行锤上模锻工序设计和工艺
计算
绘制切边凸凹模，及装配图
工艺设计
6
校核
图样审核
切边模具设计
7
参考文献
周
任务安排
第1、2周（3.7-3.20）
确定题目，查阅参考资料，详细了解设计内容
分析零件图，并查看锻模图册中一些实例
第3、4周（3.21-4.3）
分析比较并确定工艺方案，绘制锻件图、热锻件图
第5、6周（4.4-4.17）
设备吨位计算与选择终锻型腔、预锻型腔设计
第7周（4.18-4.23）
绘制计算毛坯图，计算并选择制坯工步
原坯料尺寸计算，制坯型槽设计（拔长、滚挤）
第9、10周
（5.5-5.15）
锤锻模结构设计，绘制锤上模锻模具图
进行模锻后处理，切飞边，计算设计切边凸凹模
第11、12周（5.16-5.29）
设计夹持器、卸料版绘制切边模装配图
第13、14周（5.30-6.12）
制定锻造工艺卡，并缮写设计说明书
备注：
4.23～5.4号为校外毕业实习期
表1.2设计工作进度安排表
第二章工艺方案的分析比较及确定
2.1工艺方案
任何一锻件投入生产前，首先必须根据产品零件的形状尺寸,性能要求，生产批量和所具备的生产条件，确定模锻工艺方案，制定模锻生产的全部工艺规程。
图2.1五档变速叉零件图
方案一：
采用锤上模锻，以图2.1分模面分模，其工步如下：
图2.2锤上模锻工艺方案
方案二：
采用热模锻曲柄压力机上模锻，采用图2.1分模面分模，其工步如下：
图2.3热模锻工艺方案
2.2分析比较以上两个方案：
（1）锤上模锻
优点：
A.工艺灵活，适应性广，可单型槽模锻，可多型槽模锻，可单件模锻，
也可以多件模锻，一料多件连续模锻。
B.锤头的行程，打击速度，打击能量均可调节，能实现轻重缓急不同的
击打。
C.锤上模锻是靠锤头多次冲击坯料使之变形，锤头冲击速度快，金属流
动有惯性，充填型槽能力强。
D.模锻件的纤维组织按锻件轮廓分布，加工后保持完整，可提高零件使
用寿命。
E.单位时间冲击次数多，生产效率高。
F.锻件加工余量小，材料利用率高，生产成本低。
缺点：
A.模锻锤投资大，生产准备周期长。
B.锤上模锻振动大；锻锤底座质量大，搬运安装不便。
C.导向性差，精度不高。
D.打击速度过快，不适用于变形速率敏感的低塑性材料。
（2）热模锻曲柄压力机上模锻
优点：
A.工作振动小，噪音小。
B.可实现锻件在四周方向的精密程度。
C.可实现锻件在高度方向的精度水平。
D.有自动顶料装置，有利于实现机械自动化。
缺点：
A.造价比昂贵，一次性投资大。
B.不能随意调节，不适宜拔长，滚挤等制坯操作。
C.操作不当时，肯能发生闷车，中断生产。
方案比较及结论：
五档变速叉精度要求低，形状复杂，而且需多种工步才能完成，而且考虑到锻造零件的使用寿命，材料利用率以及生产成本，选择锤上模锻更为合适。
故选择锤上模锻。
第三章五档变速叉锤上模锻设计
3.1锻件图设计
模锻锻件图是在零件图的基础上，加上机械加工余量、余块或其它特殊留量后绘制的图。
图中锻件外形用粗实线表示，零件外形用粗实线表示，零件外形用双点划线表示，以便了解各处的加工余量是否满足要求。
锻件的公称尺寸与公差标注在尺寸线上面。
模锻锻件图上无法用绘图语言表示的有关锻件质量检验要求的内容，均应列入技术条件中说明。
图3.1五档变速叉锻件图
3.1.1确定分模位置
对于开式模锻，确定分模面的主要原则是：
A.保证锻件容易脱落，一般以最大投影面作为分模面
B.易于检查上下模堂的相对错移
C.分模面尽可能选用直线，使锻模加工简单
D.保证合理地金属流线分布
综上，选取分模面如下图：
图3.2五档变速叉分模线
3.1.2锻件公差和机械加工和余量
根据锻件名义尺寸，锻件质量约为1.3kg，材料：
45钢，即材质系数为M1.
锻件形状复杂系数：
锻件重量m锻与相应的锻件外廓包容体的重量m外的比值，即：
（3.1）
为S4级复杂系数（文献1表4-3）
再由文献2表5-1，查得：
高度公差：
长度公差：
宽度公差：
零件需磨削加工，加工精度F2，有文献2表5-5得高度及水平尺寸的单边余量为1.7-2.2mm，取2mm。
3.1.3模锻斜度及圆角半径
模锻斜度由零件图给出为：
7°
零件图给出圆角半径：
2mm
3.1.4技术条件
1.未注出模斜度7°，圆角半径R2
2.热处理正火dB=41-48HRC
3.毛刺不大于1，叉口内毛刺不大于1.5
4.表面缺陷深度：
不加工表面不大于1
加工表面不大于实际余量的1/2
5.弯曲不大于0.5
6.错差不大于0.5
3.2确定锻锤吨位
锻件在分模面上的投影面积为6452mm2
锻件周边周长为660mm
锻件体积为130668mm3
锻件质量为1.026kg
由文献1式4-29经验公式计算锻锤吨位：
m=（3.5～6.3）KA
K为材料系数，由文献1表4-12查得K=1.0
A为锻件本体和毛边在水平面上的投影面积，参考文献1表4-14按1～2t锤考虑，假定飞边平均宽度为24mm，则A=（6452+24×660）=22292mm2，取K=6.3
m=6.3×1.0×22292=1401.25kg≈1.4t
故选用1.5t锤。
3.3确定飞边槽尺寸
3.3.1确定飞边槽形式
常用的飞边槽有6种形式，
图3.3飞边槽形式
参照文献1图4-62以及文献内容，选取形式1飞边槽。
3.3.2飞边槽尺寸
根据锻锤吨位参照表4-14可得其主要尺寸如下：
h=1.8，b=9，b1=25，h1=3.5，r=1.5，其形状如图3.4：
图3.4飞边槽
3.4终锻模膛设计
3.4.1热锻件图
材料45钢，热缩率为1.5％，故其热锻件图如图3.5所示：
图3.5五档变速叉热锻件图
3.4.2钳口
终锻模膛和预锻模膛都需布置钳口。
钳口主要是用来容纳夹持坯料的夹钳和便于从型槽中取出锻件;另一作用是作为浇注检验用的铅或金属盐样件的浇口。
参考文献1图4-64及表4-16表4-17，结合锻件尺寸，可得钳口尺寸为：
B=80，h=35，R0=15，b=15,a=2
其形式如图3.6所示;
图3.6钳口
3.5预锻模膛设计
由于锻件形状复杂，故设置预锻模膛，其设计要点如下:
1）预锻模膛的四周不设置飞边槽，模锻时由于打不靠，仍有少量飞边形成。
2）为使预锻后的毛坯在终锻时以墩粗成型为主，预锻模膛比终锻模膛小1～2mm，高度比终锻模膛大2～5mm，顶部宽度相同。
五档变速叉为叉类锻件，预锻时必须做成劈料台，参考文献1图4-71及其尺寸计算，根据零件形状选择（a）类劈料台，其尺寸如下：
A=0.25B8H=（0.4～0.7）H（3.3）
α=10°～45°（3.4）
取A=35，则B=100，h=31～120，取h=45，α=30°，其形状如下图所示:
图3.7劈料台
3.6绘制计算毛坯图
选取锻件的12个典型截面，分别计算A锻，A计及a计，并绘制计算毛坯截面面积图与计算毛坯直径图，其图如下:
根据计算毛坯图可计算求得：
锻件体积V=223000mm3
锻件平均截面积A=952mm2
锻件平均直径d=32.4mm
图3.8计算毛坯图
计算毛坯计算数据如表3.1
表3.1计算毛坯的计算数据
断面号
A锻
mm2
A飞
mm2
A计=A锻+A飞
mm2
d计=1.13√A计
mm
K
h=Kd计
mm
1
0
0
0
0
0.8
0
2
524
194
708
12.93
0.8
9.69
3
240
194
434
8.75
0.8
7
4
528
194
722
12.98
0.8
11.6
5
1680
194
1874
23.16
0.8
25.3
6
2028
194
2222
25.44
1.1
27.98
7
1880
194
2074
24.5
1.1
26.95
8
1200
194
1394
19.57
1.1
23.1
9
760
194
954
15.57
1.1
11.6
10
608
194
802
13.93
0.8
11.84
11
648
194
842
14.38
0.8
9.6
12
0
0
0
0
0.8
0
3.7选择制坯工步
任何一种锻件投入生产前，首先必须根据产品零件的形状尺寸、性能要求、生产批量和所具备的生产条件，确定模锻工艺方案，制定模锻生产的全部工艺规程。
一般的模锻工艺流程包括下料、加热、模锻、切边、热处理、精压、检验等工序。
锻件为长轴类锻件，其制坯工步的选择取决于以下四个参数：
金属流入头部的系数：
（3.5）
金属轴向流动系数：
：
（3.6）
杆部锥度：
（3.7）
锻件质量m：
1.026kg
式中：
—计算毛坯的最大直径
—计算毛坯的最小直径
d拐—杆部与头部过渡处的假想直径，把计算毛皮杆部的体积转换成一个截锥体，该截锥体的长度为L杆,小端直径为
，大端直径为d拐，根据截锥体公式可知：
参照文献2图5-31，并由以上四个参数可确定五档变速叉的制坯工步为：
拔长——闭式滚挤——预锻——终锻。
3.8确定坯料尺寸
长轴类锻件坯料尺寸的计算参照文献2表5-25及表5-26：
V坯=（V计+V飞）（1+δ）（3.8）
V计—锻件体积
V飞—飞边加冲孔连皮的体积
δ—火耗率由表5-26查得δ=3％
故V坯=12613.517×20×（1+3％）=259838mm3
由表5-25：
A拔=V头/L头=9020.435×20/105=1718mm2
A滚=（1.02～1.2）A均=1.1×46.7×20=1027.4mm2
A坯=A拔-K（A拔-A滚）=1686-0.29（1686-1027）=1494.89mm2
d坯=
=22.4mm
.
L坯=
=259838/1494.89=173.8mm
根据以上数据选取坯料尺寸为174mm，直径45mm棒材。
3.9制坯模膛设计
3.9.1拔长模膛
拔长选用开式模膛，模膛尺寸根据文献2表5-27计算：
拔长坎高度：
（3.9）
拔长坎长度：
l=k3d坯=1.5×45=67.5mm（3.10）
模膛高度：
B=k4d坯+（10～20）mm=1.35×45+（10～20）（3.11）
选取B=75mm
模膛深度：
e=1.2d头=1.2×24=28.8，又e≥2h故取e=36mm（3.12）
圆角圆弧半径：
R=0.25l=0.25×67.5=16.875mm取17mm（3.13）
拔长模膛总长度L=L拔+（5～10）=177+（5～10）=182～187mm取185mm
其型膛形状尺寸如图3.9：
图3.9拔长模膛
3.9.2滚挤模膛
滚挤采用闭式滚挤，模膛的主要尺寸根据文献2表5-28计算：
h=kd计，由计算毛坯图计算数据表已得出
模膛宽度B参照计算毛坯图取B=80mm
模膛长度：
L=L计（1+δ）=237×（1+3％）=244mm
模膛钳口尺寸：
n=0.2d坯+6mm=0.2×45+6=15mm取16mm
m=（1～2）n=16～32mm取m=25mm
R=0.1d坯+6mm=0.1×45+6=10.5mm取R=10mm
毛刺槽尺寸a=8mm，c=30mm，R3=5mm，R4=8mm,b=30mm
其形状如下图：
图3.10五档变速叉闭式滚挤型槽
3.10模膛结构设计
3.10.1模膛布置
锤锻模结构设计任务主要是解决生产一种锻件所采用的各工步型槽在模块上的合理布排，型槽之间和型槽至模块边缘的壁厚，模块尺寸，质量，纤维方向要求，以及平衡错移力的锁扣方式。
参考文献1第149页，当设有两个制坯型槽时，这时应将第一道制坯工步安排在吹分管的对面，以避免氧化皮落到终锻型槽里，布排时应以终端型槽为中心，左右对称布排，并尽可能使其打击中心与型槽中心重合。
其大致排布如下图：
图3.11五档变速叉锤上模锻模膛拍布图
从左到右依次为滚挤－－预锻－－终锻－－拔长.
3.10.2模壁厚度
制坯模膛壁厚一般为5～10mm，取10mm
终锻模膛和预锻模膛的壁厚大小与模膛深度h，底部圆角半径R，模锻斜度α有关
壁厚大小按文献2图5-58选取:
其值为47mm
3.10.3错移力平衡和锁扣
本锻件分模面落差23mm，但由于其为细长杆件，故设置平衡锁扣。
其尺寸计算参照文献2表5-33：
锁扣高度H=锻件分模面落差高度=23mm
锁扣宽度b≥1.5h=36mm
锁扣斜度β=5°
锁扣间隙
锁扣平面间隙
锁扣内圆角半径R1=0.15H=4.5mm
锁扣外圆角半径R2=R1+2=6.5mm
其形状如下：
图3.12平衡锁扣
3.10.4模块尺寸
模块尺寸除了考虑模膛布置、模壁厚度、锁扣等有关因素外，还应考虑：
（1）承击面积
查文献1表5-35,1.5t锤最小承击面积约为40000mm2，根据模膛布置及模膛大致尺寸，由CAXA查询其承击面积为124356mm2，满足要求。
（2）锻模中心与模块中心的偏移量
图3.13锤击中心与模块中心的关系
当设有预锻制坯型槽时，允许打击中心和模块中心不重合，但偏移量不能太大，应限制在a（7）≤0.1A（14.88），b（16）≤0.1B（22.9）的范围内，符合条件。
（3）模块长度、宽度及高度
模块长度：
根据各型槽、模膛宽度及之间壁厚L总=80+75+102+152+15+15+4+10+10=463mm查表5-38选取宽度475mm，由滚挤型槽长度为306mm，根据其尺寸选定模块长度为350mm，由表5-37可知锻模最大最小闭合高度为Hmin=220mm，Hmax=300mm。
由以上数据，参照文献2表5-38，选取模块高度H=325mm，宽度B=475mm，长度350mm
（4）锤锻模燕尾尺寸选择
根据锻锤吨位，查文献2图5-78及表5-47可知，燕尾尺寸为：
b=200mm，h=50.5mm，b1=50mm，d×S=30×60。
（5）楔铁尺寸
根据文献2表5-43，锻锤吨位为1.5t时：
上模：
h=50mm,b=40.8mm,l=7.0mm
下摸：
h=50mm，b=40.7mm,l=900mm
（6）定位键尺寸
查文献2表5-44，根据锻锤吨位可得，定位键尺寸为：
f=80mm，h=50mm，L=97mm，L1=48mm，b1=52.9mm
第4章切边模具设计
4.1切边方法的选择
切边和冲孔通常在切边压力机上进行，如下图所示：
图4.1切边与冲孔
切边分为热切和冷切两种。
热切通常安排在模锻工序同一火次内，及模锻后立刻进行切边，冷切则是再模锻后集中在常温下进行。
热切所需冲切力比冷切要小得多，约为后者的百分之20；同时，锻件在热态下具有较好的塑性，切边时，切口不易产生裂纹，但生产率低。
冷切的优点是劳动条件好，生产率高，冲切时锻件走样小，凸凹
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