鍛件圖的設(shè)計

鍛件圖的設(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。1.1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。1.1.1確定分模面圖6-5直線類鍛件分模位置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，如圖6-5所示。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，如圖6-5和圖6-6所示。圖6-6分模位置選擇圖6-7折線分模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（圖4-8a），而盡量不采用軸向分模（圖6-8b）。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。圖6-9有流線方向要求的鍛件分模位置（a）正確（b）不正確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（圖6-9）。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。圖6-8H/D比值不同時分模線的選擇1.1.2確定鍛件的機械加工余量和公差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)。圖6-10鍛件的各種尺寸和公差余量鍛件圖尺寸、余量、公差與零件圖尺寸的關(guān)系見圖6-10。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。1.1.2.1模鍛件的加工余量的確定模鍛件的加工余量由下列因素共同組成：Z=M+m+h+x/2（6－3）式中：Z—加工余量（㎜）；M—精加工的最小余量（㎜）；m—鍛件的最大錯移量等形位公差（㎜）；h—表面缺陷（凹坑、脫碳等）層的深度（㎜）；x—鍛件尺寸的下偏差（㎜）。1.1.2.2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。1.2.3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。圖6-11錯移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，見圖6-11）、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。1.1.2.3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。（a）（b）圖6-12鍛件的內(nèi)、外表面尺寸（a）外表面尺寸（b）內(nèi)表面尺寸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（見圖6-12（a））的，其正負偏差值按+2/3和-1/3比例分配；屬內(nèi)表面尺寸（見圖6-12（b））的，其正負偏差值按+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)標準或鍛壓手冊中查找。1.1.3模鍛斜度1.1.3.1模鍛斜度的定義與作用為了便于模鍛件從型槽中取出，須將型槽壁部加工成一定的角度，稱模鍛斜度或出模角。模鍛斜度可以是鍛件側(cè)壁附加的斜度，也可以是鍛件側(cè)壁的自然斜度。模鍛時金屬被壓入型槽后，鍛模受到彈性壓縮，外力去除后，由于鍛模的彈性恢復(fù)，對鍛件鍛件產(chǎn)生很大的壓力N（圖6-13），取出鍛件時，要克服模壁對鍛件的摩檫阻力以及鍛件自重。摩檫力F的大小是由摩檫因數(shù)及模壁壓力N決定的，即F=μN。當(dāng)模壁具有斜度后，模壁壓力N所產(chǎn)生的垂直分力N·sinα將抵消摩檫阻力F·conα，有助于鍛件出模。如不計鍛件本身質(zhì)量，則出模力P出為圖6-13鍛件在模膛內(nèi)的受力情況P出=F·conα－N·sinα當(dāng)F·conα=N·sinα，即F/N=tanα=μ時，P出=0，具備自然出模條件。實際生產(chǎn)中，較難實現(xiàn)自然出模，出模角度不是偏大就是偏小。若出模角增大，則金屬充填型槽阻力增大，鍛件斜度余量也增大，從而增加金屬的消耗和機械加工余量。因此，在保證鍛件能順利取出的前提下，模鍛斜度應(yīng)盡量取小值。模鍛斜度有內(nèi)斜度β和外斜度α之分，當(dāng)熱鍛件冷縮時，鍛件外側(cè)趨向離開模壁，而內(nèi)側(cè)包住模具型槽中凸出部分不易取出，因此β應(yīng)取大于α一級。圖6-14模鍛斜度用角度表示和斜度余量用長度計量1.1.3.2模鍛斜度的度量與作圖法模鍛斜度的大小一般均用角度（0）表示。有時為了方便起見，在加工模具畫線或計算時，可將模鍛斜度的角度值換算成線性長度，這種線性長度一般稱為斜度余量，以㎜計量（圖6-14）。模鍛斜度在鍛件圖上的畫法和標注極為重要，同樣形狀的鍛件，往往由于畫法和標注不同，結(jié)果就可能得到不同的鍛件形狀，給鍛模加工制造和鍛件檢驗帶來困難。對稱形狀的鍛件，分模線一般選在鍛件最大截面的中部，這時上下型槽深度相等，鍛件上下的斜度相等。但對于非對稱形狀鍛件，上下模型槽深度不相等，這時出模斜度有兩種取法，如圖6-15所示。1.反引等斜度。先作型槽較深一側(cè)的斜度，交分模線于b點，再由b點向另一側(cè)反引等斜度。采用這種作圖法，鍛件在淺型槽一側(cè)將出現(xiàn)增大的余量Δ。2.連接斜度。先作型槽較深一側(cè)的斜度，交分模線于b點，再作垂線ac，連接bc。這種作圖法在淺型槽一側(cè)將獲得較大的斜度，通常將這種斜度稱為連接斜度或匹配斜度。圖6-15非對稱形狀鍛件模鍛斜度作圖法（a）反引等斜度（b）連接斜度1－鍛件2－零件3－分模線圖6-16改變分模位置而獲得自然斜度（a）平面分模（b）折線分模3.自然斜度。利用鍛件本身固有的傾斜面，不用添加斜度就可自然出模，這種傾斜面的斜度稱為自然斜度。如圓截面體（球、圓柱體、橢圓柱體等）的弧面在直徑平面上采用直線分模時作出的出模斜度就是自然斜度。具有矩形截面的鍛件，將其傾斜一定角度時就構(gòu)成自然斜度。圖6-16所示盒形件，如分模線位置選擇合理，不僅可使原來需添加的模鍛斜度變?yōu)殄懠旧砉逃械淖匀恍倍龋€可減小模鍛斜度。若選擇腹板平面分模，則需在肋的一側(cè)添加模鍛斜度（圖6-16a），改選沿肋頂分模，則使肋的側(cè)面變成自然斜度，省去了機械加工余量，節(jié)約了金屬。4.變換模鍛斜度。當(dāng)鍛件高度尺寸大，寬度尺寸小且仍采用徑向分模時，鍛件出模困難，而且不易充滿型槽深處，這時應(yīng)取較大的出模斜度。當(dāng)高寬比（h/b或h/d）超過一定值時，斜度不宜加得太大，這時可作成具有兩段斜度的變換斜度，見圖6-17。圖6-17變換模鍛斜度1.1.3.3模鍛件斜度的大小一個鍛件某部分斜度的大小，視金屬充填該部分型槽深度H及寬度B的比值而定，型槽窄而深者模鍛斜度大。模鍛鋁鎂合金時，氧化皮少，型槽表面粗糙度值低，當(dāng)對模具采取良好潤滑時，模鍛斜度可比鋼質(zhì)鍛件小一級。1.1.4圓角半徑為了使金屬易于流動和充滿型槽，提高鍛件的成型質(zhì)量并延長鍛模的使用壽命，模鍛件上所有的轉(zhuǎn)接處都要用圓弧連接，使尖角、棱邊呈圓弧過渡，此過渡處稱為鍛件的圓角。圖6-18圓角半徑過小對模具的影響圖6-19圓角半徑與折疊的關(guān)系鍛件上的凸圓角半徑稱外圓角半徑，用r表示；凹圓角半徑稱內(nèi)圓角半徑，用R表示。鍛件上的外圓角對應(yīng)模具型槽的內(nèi)圓角，其作用是避免鍛模在熱處理和模鍛過程中因應(yīng)力集中而導(dǎo)致模具開裂，并保證金屬能充滿此處。若外圓角半徑過小，金屬充填模具型槽相應(yīng)處十分困難，而且易在此處引起應(yīng)力集中使模具過早開裂。若外圓角半徑過大，會使鍛件凸角處余量減少。鍛件上內(nèi)圓角對應(yīng)模具型槽上的凸圓角，其作用是使金屬易于流動充填深腔，防止腹板薄、筋既窄又高這類鍛件在筋部折疊，同時也防止型槽中較窄的凸出部分壓塌（圖6-18）。如鍛件內(nèi)圓角過小，則金屬流動時形成的纖維容易被割斷，導(dǎo)致力學(xué)性能下降；或是產(chǎn)生回流、形成折疊，使鍛件報廢（圖6-19）；或使模具中凸出部分壓塌而影響鍛件出模。內(nèi)圓角半徑若過大，將增加機械加工余量和金屬損耗，對于某些復(fù)雜鍛件，內(nèi)圓角半徑過大，會使金屬過早流失，造成局部充不滿。圓角半徑的大小與鍛件的形狀尺寸有關(guān)，鍛件高度尺寸大，圓角半徑應(yīng)加大。為保證鍛件外圓角處有必要的加工余量，可按下述公式確定：r=余量+零件相應(yīng)處半徑或倒角或是參考有關(guān)手冊確定。鍛件上的內(nèi)圓角半徑R應(yīng)比外圓角半徑r大，一般取R=（2～3）r。為便于選用標準刀具，圓角半徑應(yīng)按下列標準選定：1，1.5，2，3，4，5，6，8，10，12，15，20，25，30（㎜）。1.1.5沖孔連皮模鍛不能直接鍛出透孔，因此，在設(shè)計熱鍛件圖時必須在孔內(nèi)保留一層連皮（圖6-20），然后在切邊壓力機上沖除掉。一般情況下，當(dāng)鍛件內(nèi)孔直徑大于30㎜時要考慮設(shè)沖孔連皮。連皮厚度s應(yīng)適當(dāng)，若過薄，鍛件容易發(fā)生鍛不足并要求較大的打擊力，從而導(dǎo)致模具凸出部分加速模損或打塌；若連皮太厚，雖然有助于克服上述現(xiàn)象，但是沖除連皮困難，容易使鍛件形狀走樣，而且浪費金屬。所以在設(shè)計有內(nèi)孔的鍛件時，必須正確選擇連皮形式及其尺寸。1.平底連皮。這是常用的連皮形式，其厚度s可根據(jù)圖6-20確定，也可按下式計算：s=0.45+0.6(㎜)（6－4）圖6-20平底連皮厚度的確定式中:d——鍛件內(nèi)孔直徑（㎜）；h——鍛件內(nèi)孔深度（㎜）。連皮上的圓角半徑R1，因模鍛成形過程中金屬流動激烈，應(yīng)比同尺寸壓凹件內(nèi)圓角半徑R大一些，可按下式確定：R1=R+0.1h+2（㎜）2.斜底連皮。當(dāng)鍛件內(nèi)孔較大時（d＞2.5h或d＞60㎜），采用平底連皮則鍛件內(nèi)孔處的多余金屬不易向四周排除，而且容易在連皮周邊處產(chǎn)生折疊，沖頭部分也會過早的磨損或壓塌，為此應(yīng)改用斜底連皮（圖6-21）。但斜底連皮周邊的厚度增大，切除連皮時容易引起鍛件形狀走樣。斜底連皮有關(guān)尺寸如下：s大=1.35s；s小=0.65sd1=0.12d+s或d1=(0.25～0.3)d式中:s按平底連皮計算。圖6-21斜底連皮圖6-22帶倉連皮圖6-23拱底連皮3.帶倉連皮。若鍛件內(nèi)孔直徑大，形狀復(fù)雜，需經(jīng)預(yù)鍛和終鍛成形，可在預(yù)鍛型槽中安排斜底連皮，而在終鍛型槽中則改用帶倉連皮（圖6-22），以便于切邊時沖除。帶倉連皮的厚度s和寬度b，按毛邊槽橋部高度h和橋部寬度b確定，倉部容積應(yīng)足夠容納預(yù)鍛后斜底連皮上多余的金屬。4.拱底連皮。若鍛件內(nèi)孔很大（d＞15h），高度又很小，金屬向外流動困難，這時應(yīng)采用拱底連皮（圖6-23）或帶倉連皮，以便容納更多金屬，避免產(chǎn)生折疊或穿筋等缺陷，切邊也容易。5.壓凹。當(dāng)鍛件內(nèi)孔直徑較小（d＜25㎜），不宜鍛出連皮，應(yīng)改用壓凹形式，其目的是使鍛件飽滿成形。1.1.6模鍛件圖及技術(shù)條件模鍛件圖即冷鍛件圖是在零件圖的基礎(chǔ)上，加機械加工余量、余塊或其它特殊留量后繪制的圖。圖中鍛件外形用粗實線表示，零件外形用雙點畫線表示，以便了解各處的加工余量是否滿足要求。鍛件的公稱尺寸與公差