热模锻工艺及模具设计教学案例

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1、SGMDYPT-FF 2009.04n 热模锻成形及模具设计n _主要热模锻压力机上锻造n 编制: 初向光SGMDYPT-FF 2009.04 课程主要内容:一.热模锻般工艺特点 -热模锻齿轮毛坯生产工艺流程 -四工步锻压成型工艺特点二. 热模锻模具设计 -闭式模锻模具设计(以齿坯为例) -开式模锻模具设计(以连杆为例) 三.涨断连杆与拉断连杆工艺对比 SGMDYPT-FF 2009.04一.热模锻一般工艺特点 (和锤上模锻相比) - 压机滑块行程固定,载荷为静压力,锻件精度高,能较好控制锻件高度公差;但不便于进行制坯. - 大尺寸工作台面,可多工位布局,如:镦粗/预锻/终锻/冲孔;模具结构复

2、杂,初次投资大. - 设备有顶料机构, 实现自动化生产,生产效率高 - 模具模块可按工步单独设计/制造/安装,调整/更换/维修方便. - 热模锻压力机因各个工位金属流动变形量不同，产生变形抗力不同，各个工位变形所需要的设备压力也不同;在实际生产中压力机负载工作状况总是存在偏载现象SGMDYPT-FF 2009.04SGMDYPT-FF 2009.042.四工步锻压成型工艺 1).DYPT齿轮毛坯锻造模式为：多工位级进/闭式/热/模锻 镦粗 制坯 预锻 成型 终锻 成型 毛坯 冲孔 自动 上料 *:锻造坯料由送料同步器(T/F)实现在各工位间顺序进级。 SGMDYPT-FF 2009.04锻造工

3、艺设计一般思路： 缩比 冷态锻 件图设计 热态锻 件图设计 预锻成型 毛坯设计 变形量(高 / 瘦 )可靠定位 圆周定位 镦粗制坯 镦粗比 减少钢棒的规格(直径) 选 材 2).四工步锻压成型工艺 设计思路 合理机加工余量&模锻斜度SGMDYPT-FF 2009.04终锻成型工艺要点：1. 缩比（热收缩率）： 高温锻件尺寸的热收缩率多采用1.0-1.5；2. 模锻： 多采用内孔35，外周1-3；3. 锻件外形尺寸： 考虑后续冲孔工序对局部尺寸的变形影响,调整局部缩比。4. 冲孔连皮设计： 基于金属流动、锻打压力和模具寿命等因素考虑，厚度多采用7-10mm 2.1）四工步锻压成型工艺 终锻成型

4、一档从动齿轮 终锻成型工步示意图 该尺寸考虑冲孔影响 SGMDYPT-FF 2009.04预锻成型工艺要点:1. 直径：便于预锻件放置于终锻模腔内，单边间隙0.8-1.2mm为易。2. 高度：目前热模锻齿轮终锻多采用类似镦粗的方式，高度降低，直径增加，为利于终锻金属较易流动，多采用预锻件高度较终锻件高1.5-2.5mm为易。3. 圆周/内孔 圆弧过渡： 预锻件在此部位成形太好(充满)，终锻时金属不易流动，易形成折叠,预锻件该部位多采用大圆弧过渡，内孔处多增加凸出高度。4. 连皮：厚度多比终锻成型厚度高2mm以上，以利于内孔上边缘终锻成型 5. 锻件上小的凸部与凹坑,预锻工步进行简化不做或转化为

5、圆滑形状. 2.2）四工步锻压成型工艺 预锻成型 一档从动齿轮 预锻成型工步示意图 此等部位易 大圆弧过渡 放大 放大部位 高度差 2-3mm 内孔部位 SGMDYPT-FF 2009.04模具下压，坯料产生变形抗力 镦粗制坯设计要点: 使坯料高度减小,横截面积增加，用于圆饼类锻件制坯， 1. 去除棒料表面氧化皮， 2. 镦粗后坯料直径与锻件接近，利于后续成型过程中充满模腔 *: 镦粗时,坯料内部变形抗力分布不均,坯料两端因温度下降较内部快,变形抗力大,较坯料中间处金属变形困难. 镦粗后毛坯多为鼓形形状.端面直径尺寸增加主要靠侧表面的金属翻上去2.3）四工步锻压成型工艺 镦粗制坯 SGMDYP

6、T-FF 2009.042.4）镦粗制坯易出现问题: 镦粗后坯料理论为圆饼状坯料，实际生产坯料不一定是完整的圆形; 原因分析: 1.棒料剪切后，端面有斜度，锻造生产以料径（剪切端面)为定位，容易造成材料镦粗后偏向一边，使材料分布不均匀， 2.镦粗过程中,坯料侧面金属向上流动变形不均匀,产生变形抗力不均. 易产生影响: 导致后续锻件一边充不满，一边毛刺过高的情况出现。图b模具下压，坯料产生变形抗力不均匀SGMDYPT-FF 2009.04二.模具结构设计(闭式) 预锻模腔 1.预锻模腔： 预锻模腔改善金属在终锻模腔内的成形条件,尽可能减少变形量使金属易于充满终锻模腔,可以改善终锻模具使用寿命并尽

7、可能减少压力偏载；2.设计要点: 2.1模锻角度: 复杂形状模锻斜度,预锻比终锻斜度大1-2,右上图示 2.2封闭模腔容积： 预锻模腔容积较终锻模腔大10-20%,预锻模腔过渡处多为较大R,预锻毛坯外圆周和内孔边缘以成型圆鼓状为好,预锻毛坯不要求充满模腔。 如右下图示 预锻模腔 终锻模腔 基准尺寸相同 或预锻比终锻单边小 此部位多不充满 SGMDYPT-FF 2009.04镦粗圆饼状坯料落入本区域下模浮动顶出二.模具结构设计(闭式) 预锻模腔 2.3镦粗坯料定位： 由于镦粗坯料端面圆角与侧面多为大圆弧过渡,坯料定位于下模接近坯料直径的凹腔内,如图示区域；2.4镦粗坯料放置： 坯料由送料同步器夹

8、持到达位置后，坯料与模具成型面多有一定高度差，坯料放置与成型后顶出，需要保证其运动过程中的平稳性； 多采用浮动下模结构，利用浮动顶出机构来接、送坯料，有利于运动平稳性和坯料定位准确。 SGMDYPT-FF 2009.04合模时，上下模啮合面二.模具结构设计(闭式) 预锻模腔 设计要点:2.5预防终锻成型时产生错差/折叠： 1)因热模锻压力机为多工位进级方式，很难保证使模腔布局于压力机工作压力中心位置，并且因各个工位金属流动变形量不同，产生变形抗力也不同，各个工位变形所需要的设备压力也不同。 2)在实际生产中压力机负载工作状况总是存在偏载现象； 3)偏载现象与模具制造、装配等累积误差必然影响到锻

9、件的错差，工步间错差过大，后续锻压易出现折叠。 4)在模座导柱导向之外，增加预锻工步与终锻工步的模具结构导向。 依靠合模初期，上下模外衬啮合，对工步模具起导向作用，右图示 SGMDYPT-FF 2009.041.终锻模腔： DYPT热模锻齿轮均为闭式模锻，即为无飞边锻造，因此终锻模腔设计较为简单，仅须考虑热态锻件尺寸，无需考虑飞边槽设计。 2.设计要点:2.1缩比及尺寸调整： 在没有类似参考及相关经验的前提下，终锻模腔可以根据锻件材料缩比系数（1.2-1.5）进行设计。 根据最终锻件成品进行调整终锻模腔相关尺寸。2.2预锻件放置及定位： 因终锻模腔与锻件成品有直接关联，终锻模腔不易采用浮动接送

10、料的方式，且终锻模腔是各个工步中变形受力最大的工步，下模多采用热态紧配合，改善模具受力状态,以增强抗打击能力; 预锻件的放置完全依靠自由落体进入模腔， 预锻件靠其与终锻模腔相近的下模外形定位. 二.模具结构设计(闭式) 终锻模腔 SGMDYPT-FF 2009.04设计要点:2.3冲孔连皮设计： 冲孔连皮的设计多跟锻件的内孔形状/内孔深度与直径等因素有关， 目前我们热模锻齿轮的冲孔连皮有两种结构模式。（预锻模腔的连皮形式多跟终锻模腔形式接近） 二.模具结构设计(闭式) 终锻模腔 图 a 图 b 图 a 结构有：一档从动齿轮/三四档从动结合齿/五档从动齿轮/倒档惰轮 图 b 结构有：其他零件 S

11、GMDYPT-FF 2009.04-终锻模腔按热锻件图设计: 加工面机加工余量及工艺余量(需与机加工厂协商) 例如:拉断连杆(T200)需考虑连杆体和连杆盖断开的加工余量, 而涨断连杆(GEN3)不需考虑. 考虑收缩率,对钢锻件,收缩率一般取1%1.5;考虑后续工序(如校正或压印),收缩率取为1%1.5 . 同时还应考虑: . 切边和冲孔时,锻件可能产生的拉缩变形; . 终锻模膛的局部磨损; . 模膛较深处易积聚氧化皮引起锻件局部“缺肉”; . 机加工定位面 . 锻件的追溯性标识及内部标识 所以在使用CAD/UG等软件进行模具设计时,首先要对得到的图纸和三维数模进行修改,做出一个合理的热锻件图

12、. 二.模具结构设计(开式) 终锻模腔 SGMDYPT-FF 2009.04 设计出热锻件图,下一步要 考虑的是: -飞边槽的确定,(根据设备确定) (飞边槽的作用: -增加金属流动阻力,便于充满; -容纳多余金属) -排气孔 针对较深的腔,在金属最后充满处钻出排气孔,(直径12，深度5-15mm);如模腔底部有顶出器或其它排气的缝隙时,不需开排气孔. 二.模具结构设计(开式) 终锻模腔 SGMDYPT-FF 2009.04 -顶料装置: 1.顶杆位置: -顶杆位置视锻件的形状和尺寸而定,分为两类: 1.顶杆位置在锻件本体上; 2.顶杆位置在飞边或冲孔连皮上 -T200连杆锻模采用的顶杆位置在

13、飞边和冲孔连 皮上,除考虑锻件顶出平稳,顶杆及时复位等,还应 参照模座顶出装置合理布置顶杆位置,特别是顶杆 位置在飞边上,既要防止顶杆顶不上,又要考虑模 具强度. 二.模具结构设计(开式) 终锻模腔 SGMDYPT-FF 2009.04设计要点: 1.高度尺寸比终锻工步尺寸图相应大2-5mm,而宽度尺寸适当减小,并使预锻件的截面面积稍大于终锻件相应的横截面积; 2.严格控制预锻件各部分的体积,使终锻时多余的金属能合理地流动,避免产生金属回流,折叠等缺陷;3.预锻件在终锻模腔的定位.预锻件图的某些部位的形状和尺寸应与终锻件基本吻合;4.预锻件的圆角半径和模锻斜度设计原则与锤上模锻相同. 二.模具

14、结构设计(开式) 预锻模腔 SGMDYPT-FF 2009.04. 举例 T200连杆与L850连杆工艺比较: T200L850SGMDYPT-FF 2009.041. 工艺流程 Process原材料进厂检验Raw Material棒料剪切Cutting the Stick棒料感应加热Stick Induction Heating辊锻制坯（4工步）Roller Foundry(4 Steps)锻压成型（5工步）Forging Pressing(5 Steps)淬火回火Quenching Temperature精压Accurate Pressing去应力Temperature抛丸处理Ball B

15、last磁粉探伤Magnetic Detection1）S200连杆毛坯锻造生产工艺流程Forging Process of S200 Connecting Rod Production终检入库Final AcceptanceSGMDYPT-FF 2009.04原材料进厂检验Raw Material棒料剪切Cutting the Stick棒料感应加热Stick Induction Heating辊锻制坯（4工步）Roller Foundry(4 Steps)锻压成型（5工步）Forging Pressing(5 Steps)可控风冷Controllable Wind Cooler精压Accu

16、rate Pressing强化抛丸Short Blasting磁粉探伤Magnetic Detection终检入库Final Acceptance2）L850连杆毛坯锻造生产工艺流程Forging Process of L850 Connecting Rod ProductionSGMDYPT-FF 2009.04 机械手机械手夹爪爪夹爪爪夹持端夹持端工步示意图:辊锻制坯镦粗压扁预锻终锻冲孔切边辊锻工步(4)SGMDYPT-FF 2009.04工艺比较:1.采用涨断加工的连杆减少了工艺切口和调质费用,(材料为非调钢);2.从原材料和加工费用较拉断连杆都有优势;3.从机械性能讲涨断连杆的机械性能好于拉断连杆在国外涨断连杆是一种较成熟的工艺,所以德国许多汽车公司(包括大众汽车和奔驰汽车)基本都采用锻造连杆.而在美国和日本,粉末冶金连杆采用的较多.