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1、1第 1 章 绪论1.1 模具和模具工业在现代化工业产品中，60%一 90%的工业产品需要使用模具加工，模具工业己成为工业发展的基础，许多新产品的开发和生产在很大程度上都依赖于模具生产，特别是汽车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。而作为制造业基础的机械行业，据国际生产技术协会预测，21 世纪机械制造工业的零件，其粗加工的 75%和精加工的 50%都依靠模具完成。因此，模具工业已成为国民经济的重要基础。模具工业发展的关键是模具技术的进步，模具技术又涉及到多学科的交叉。模具作为一种高附加值和技术密集型产品，其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造水平的重要标志之一。世界上许多国家，特别是一些工业发达
2、国家都十分重视模具技术的开发，大力发展模具工业，积极采用先进技术和设备，提高模具制造水平，己取得了显著的经济效益。纵观世界经济的发展，模具工业在经济繁荣和经济萧条时代都不可或缺。经济发展较快时，产品畅销，自然要求模具能跟上;而经济发展滞缓时期，产品不畅销，企业必然想方设法开发新产品，因此，国内外行家都称现代模具工业是不衰的工业。如今，模具工业在国民经济发展过程中己发挥着越来越重要的作用，其发展历程从技术角度来看，大致可分为 5 个阶段:手工操作阶段、手工操作机械化阶段、数字控制阶段、计算机阶段和 CADC/AE/CAM 信息网络技术一体化阶段。CAD/CAM 技术是随着信息技术的发展应运而生的
3、，模具行业则是最早采用 CAD/CAM 技术的行业。模具 CAD/CAM 技术是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工种。它以计算机软件的形式，为用户提供一种有效的辅助工具，使工种技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。1.2 我国模具的现状和发展趋势我国的模具工业发展较快，模具制造的水平也在逐步提高，但和工业发达国家相比，仍存在较大差距，主要表现在模具品种较少、精度差、寿命短、生产周期长、经济效应差、力量分散、管理水平低等方面。由于模具制造技术的相对落后，造成了模具供不应求的状况，远不能适应国民经济发展的需要，严重影响工业国内制
4、造水平的限制，不得不依赖进口。2我国模具工业要想在短时间内赶上世界工业发达国家的水平，还要付出许多艰苦的努力。根据我国模具技术的发展现状及存在的问题，模具制造技术今后应朝着以下几个方面发展。1）模具制造技术向生产精密、高效、长寿命模具方向发展，以满足模具市场的需要。2）加速模具标准化和商品化进程，以提高模具质量，缩短模具制造周期。3）大力开发和推广模具 CAD/CAM 技术，以提高模具制造过程的自动化程度。4）积极开发模具制造的新工艺、新技术、新材料，以满足用户对模具的不同需求。5）发展模具专业化生产，以提高模具制造的反应灵活性并提高质量和效率。1.3 数控技术在模具加工中的应用模具零件制造属
5、于单件小批量生产方式，型腔、型芯的形状往往比较复杂，难以在短时间内自动完成，制造质量也不易保证。在数控技术出现之前，除了用于大批量生产的专门生产线具有较高的自动化程度外，各种零件的制造基本上由手工操作完成。此时零件一般由直线、圆弧等简单的几何元素构成。数控技术的产生和发展，为复杂曲线、曲面模具零件的单件加工提供了极为有效地手段。锻模 CADC/AM 技术的优越性(1)CAD/CAM 技术可以提高模具设计和制造水平，从而提高模具质量。因为借助软件系统不仅可以充分利用数据库资源，而且实现人机交互，有利于发挥人机各自的特长，使模具设计和制造工艺更加合理。更为重要的是，采用 CADC/AM 技术极大地
6、提高了加工能力，很好地解决了传统方法难以加工或根本无法加工的复杂模具型腔的加工难题。(2)CAD/CAM 技术可以节省时间，提高效率。借助计算机，能使设计算和图样绘制成为自动化，从而大大缩短设计时间。CAD 与 CAM 一体化，减少了中间环节的过渡时间，显著缩短从设计到制造的周期。产周期的缩短有利于产品的更新换代。(3)CAD/CAM 技术可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运算和自动绘图大大节省了劳动力。采用优化设计后，也大大节省了原材料。用 CAM 可减少模具的加工和调试工时，使制造成本降低。(4)CAD/CAM 技术将技术人员从繁冗的计算、绘图和 NC 编程中解出来，使其可以从事更多的创
7、造性劳动。模具 CAD/CAM 的优越性不局限于以上几点，还可列举好多，但是可以肯定的是这一高智力、知识密集、更新速度快、高效益的新技术最将取代传统的模具设计与制造技术。3第 2 章 零件的分析2.1 连杆功能和结构特点连杆是汽车发动机中的主要部件之一，其小头经活塞销与活塞连接，大头与曲轴连杆轴颈连接。燃烧室中受压缩的油气混合气体经点火燃烧后急剧膨胀，以很大的压力压向活塞顶面，连杆则将活塞所受的力传给曲轴，推动曲轴旋转。连杆部件一般是由连杆体、连杆盖和螺栓、螺母等所组成，如图 2.1 所示。在发动机工作过程中，连杆要承受膨胀气体交变压力的作用和惯性力的作用，连杆除应具有足够的强度和刚度外，还应
8、尽量减小连杆自身的质量，以减小惯性力的作用。连杆杆身一般都采用从大头到小头逐步变小的工字型截面形状。为了减少磨损和便于维修，在连杆小头孔中压入青铜衬套，大头孔内衬有具有钢质基底的耐磨巴氏合金轴瓦。为了保证发动机运转均衡，同一发动机中各连杆的质量不能相差太大，因此，在连杆部件的大、小头两端面设置了去不平衡质量的凸块，以便在称质量后切除不平衡质量。连杆大、小头两端面对称分布在连杆中截面的两侧。考虑到装夹、安装、搬运等要求，连杆大、小头的厚度相等（基本尺寸相同） 。在连杆小头的顶端设有油孔（或油槽） ，发动机工作时，依靠曲轴的高速转动，把气缸体下部的润滑油飞溅到小头顶端的油孔内，以润滑连杆小头铜衬套
9、与活塞销之间的摆动运动副。2.2 分析零件图连杆上需进行机械加工的主要表面为：大、小头孔及其两端面，杆体与杆盖的结合面及连杆螺栓定位孔等。仔细阅读连杆的零件图和相关资料得出连杆总成的主要技术要求如下：1.为了使连杆大、小头运动副之间配合良好，大头孔的尺寸公差等级取为 IT6，表面粗糙度 Ra 应不大于 1.0 ；小头孔的尺寸公差等级取为 IT7，表面粗糙度 Ra 应不大于m2.0，对它们的圆柱度也相应地规定了严格的要求。2.大、小头孔的中心距影响到汽缸的压4缩比，进而影响发动机的效率，故两孔中心距的尺寸公差等级应不低于 IT9(0.115mm)。大、小头孔中心线在两个相互垂直的方向上的平行度误
10、差会使活塞在汽缸中倾斜，致使汽缸磨损不均匀，缩短发动机的寿命，同时也使曲轴的连杆轴颈磨损加剧。3.连杆大头孔两端面对大头孔中心线的垂直度误差过大，将加剧连杆大头两端面与曲轴连杆轴颈两端面之间的磨损，甚至引起烧伤，一般规定垂直度公差等级应不低于 9 级（0.062mm） 。4.连杆大小头两端面间距离的基本尺寸相同，但是其技术要求是不同的。大头两端面间尺寸公差等级为 IT9，表面粗糙度 Ra 部大于 3.2 ；小头两端面间的尺寸公差等级m为 IT12，表面粗糙度 Ra 不大于 6.3 。这是因为连杆大头两端面与曲轴连杆轴颈两轴肩m端面间有配合要求，而连杆小头两端面与活塞销孔座內档之间没有配合要求。
11、连杆大头两端面间距离尺寸的公差带正好落在连杆小头端面间距离尺寸的公差带中，这给连杆的加工带来许多方便。5.为了保证发动机运转平稳，对连杆小头（约占连杆全长 2/3）质量差和小头（约占连杆全长 1/3）质量差分别给以严格的规定。图 2.1 连杆实体图5第 3 章 模锻及锤用锻模的了解3.1 模锻工艺概述模锻工艺是金属毛坯在外力作用下发生变形充满模膛，获得所需形状、尺寸并具有一定机械性能的模锻件的锻造生产工艺。根据模锻时锻件是否形成横向飞边，模锻工艺可分为两种：1）有飞边模锻 即开式模锻，如图 3.1a 所示。分模面与模具运动方向垂直，在模锻过程中分模面之间的距离逐渐减小，沿分模面形成横向飞边，依
12、靠飞边的阻力使金属充满模膛。其特点是锻件周围沿分模面形成横向飞边。2）无飞边模锻 即闭式模锻，如图 3.1b 所示。分模面与模具运动方向平行，在模锻过程中分模面之间的间隙保持不变，不形成飞边。如果毛坯体积过多，则在模膛充满后出现少量的纵向毛刺。图 3.1 a)开式模锻 图 3.1 b)闭式模锻根据金属毛坯的温度不同，模锻工艺可以分为三种：1）热模锻 将金属毛坯加热至再结晶温度以上时进行模锻。2）温模锻 将金属毛坯加热至金属再结晶温度以下某个适当的温度范围内进行模锻。3）冷漠段 在室温中对金属毛坯进行模锻。3.2 锻模概述锻压加工是机械制造工业的一个重要加工方式，它的加工特点是坯料经过加热，在锤
13、锻或压力机等锻压设备及模具的动力作用下，坯料内部的应力状态达到一定的条件后，引起形状改变为最终形状的锻件。由于锻6件的内部组织与机械性能较好，因此一般承载力件多选用锻压方法进行生产。而锻模是金属在热态和冷态下进行体积成形（锻压）时所用模具的统称。根据不同的情况，锻模的分类也有多种：1）按锻造设备不同，锻模可以分为锤用锻模、螺旋压力机用锻模、热模锻压力机用锻模、平锻机用锻模、水压机用锻模、辊锻机用锻模、高速锤用锻模、摆輾机用锻模等等，这种分类方法主要考虑了各种锻压设备的工作特点、结构特点和工艺特点，因此决定了锻模的结构和使用条件有所不同。2）按工艺用途不同，锻模可以分为锻造模具、挤压模具、辊锻模
14、具、冷镦模具、校正模具、压印模具、精整模具、精锻模具、切边模具、冲孔模具等等。这种方法主要考虑不同变形工序的规律，因此各类锻模的模膛设计和模锻结构也有所不同。3）其它的分类方法，如按锻模的结构不同分为整体模和组合镶块锻模;按终锻模膛结构不同可分为开式锻模和闭式锻模；按分模面的数量不同分为单个分模面锻模和多向分模面锻模等。目前由于国内连杆生产企业在规模和技术先进程度存在着差异，因此连杆生产所采用的锻造工艺也就有所不同。锤用锻模主要用于锻件的大量生产，是锻造生产中最基本的锻造方法。由于模锻锤具有通用性较强，生产效率高等优点，因此锤用锻模也是锻造生产中应用最广的锻造方法之一。本课题也是就锤用锻模作为
15、研究对象，来设计连杆的锤用锻模。3.3 锤用锻模介绍锤用锻模主要用于锻件的大量生产，是锻造生产中最基本的锻造方法。由于模锻锤具有通用性较强，生产效率高优点，因此锤用锻模也是锻造生产中应用最广的锻造方法之一。3.3.1 锤上锻模的特点模锻锤与锻压机等相比较主要有下列工作特点：1）靠冲压力使金属变形，锤头在行程的最后的、速度约为 7-9m/s;2）受力系统不是封闭的，冲击力通过下帖传给基础；3）单位时间内的打击次数多（1-10t 模锻锤为 100-400 次/min） ；4)锤头的行程不固定；5）承受偏载的能力和导向精度较差；6）无顶出装置。7根据模锻锤的工作特点，其模锻工艺和模具设计具有下列特点
16、：1）金属在各模膛中的变形是在锤头的多次打击下逐步完成的，锤头的打击速度虽然较快，但是在打击中每一次的变形量较小；2）由于靠冲击力使金属变形，可以利用金属的流动惯性，有利于金属充满模膛。锻件上难充满的部分应尽量放在上模；3）在锤上可实现多种模锻工步，特别是对长轴类锻件进行滚压、拔长等制坯工步非常方便。4)由于模锻锤的导向精度不太高，工作时的冲击性质和锤头行程不固定等，因此，模锻件的尺寸精度不太高；5）由于无顶出装置，锻模起模较困难，模锻斜度应适当大些；6）由于靠冲击力使金属变形，模具一般用用整体结构；7）由于靠冲击力使金属变形和锤头行程速度快，通常采用锁扣装置导向，较少采用导柱导套。模锻锤工作时振动、噪音大，劳动条件差，对车间设备和厂房带来有害的影响；另外，模锻锤需要较重的砧座（约为落下部分质量的 25 倍） ，尤其对大吨位的模锻锤，制造、运输和安装都很困难。因此，近几十年来，16t 以上的模锻锤逐渐地被其他锻压设备所代替。3.3.2 锤上锻模
