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大行星架精锻成形分析及模具设计
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PRECISION FORGING PLANET FRAME ANALYSIS AND DIE DESIGN

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I

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I

摘 要
本文根据大行星架产品的锻压工艺分析和模具设计的研究，针对大行星架精锻工艺分析及相应的模具结构设计进行了简单的阐述，通过对该锻件的工艺方案分析，从而合理的选用压力机和坯料的制备，并重点介绍了该大行星架锻件的模具设计，通过对该课题的温锻工艺分析和模具设计，更进一步的了解了锻造技术的发展。
采用摩擦压力机来完成该锻件的锻造工艺，不仅保证了产品的尺寸精度，改善产品内部组织结构，使内部晶粒度细化，而且降低了生产成本，提高了劳动生产率。该类产品选择合理的锻造工艺是很重要的，如果选择工艺不符合要求，可能出现种种锻造缺陷，因此本文也介绍了锻造中可能出现的缺陷知识，并需要在实际生产中加强控制和避免缺陷出现。合理选择工艺，合理设计模架和模具零件，完成该大行星架类零件的锻造，同时对类似其他零件的精密锻造工艺指明了方向，推进该大行星架类产品在锻造工艺中的发展。

关键词：模具设计；工艺分析；缺陷；模架设计；设备

Abstract
According to the study of the subject product planets rack forging process analysis and mold design. This article aims planet rack forging process analysis and the corresponding mold design to a simple set forth by the forging process scheme ,that is analyzed to press a reasonable selection , preparation blank and highlight the planets frame forgings mold design, through the issue of warm forging process analysis and mold design, it make me a better understanding of the development of warm forging technology.
Accomplished through using friction press forging of the forging process, that it is not only guarantees the dimensional accuracy of the product, improve product internal organizational structure, the internal grain size refinement, but also greatly reduce production costs and improve labor productivity. These products choose the right forging process is very important, if you choose the process is not meet the requirements,it will appear many forging defects, this article also describes the knowledge of forging defects that may arise, it need to strengthen controls in the actual production and avoiding the pitfalls appears. Reasonable selection process, the rational design of mold and mold parts, completing the planets Racks forged parts, while it is similar to other parts of the precision forging process that gives direction to promote the development of the planet rack products in the process of forging.

Keywords: mold design process analysis defects mold design equipment

IV
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 I
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 选题的背景及意义 1
1.3 本设计研究的内容及解决方法 2
第2章 产品零件的分析 3
2.1 锻件结构分析 3
2.2 锻件工艺分析 4
2.3 锻模设计方案的确定 5
第3章 锻坯图的设计和绘制 6
3.1 确定分模面 6
3.2 确定机械加工余量及锻件的公差 7
3.3 确定模锻斜度 10
3.4 确定内外圆角半径公差 11
3.5 绘制锻坯图的技术条件 12
3.6确定制坯工步 13
3.7确定毛坯尺寸 13
第4章 终锻模膛设计 14
4.1 锻件成型模具图设计 14
4.2 确定模锻设备吨位 14
4.3 确定其他工序设备吨位 16
第5章 模锻结构设计 18
5.1 模架结构形式 18
5.2 模架设计 19
5.3成型模结构设计 19
5.4 顶料装置设计 20
5.5 锻模材料的选用及寿命 20
第6章 成型过程中缺陷分析和处理 22
第7章 大行星架精锻成形分析 23
7.1 有限元理论介绍 23
7.2有限元法发展综述 23
7.3有限元数值模拟技术 23
7.3.1 DEFORM软件简介 23
7.3.2 模型的建立 23
7.3.3 大行星架精锻成形分析 24
7.4 本章小结 27
结论 28
致谢 29
参考文献 30

II
第1章 绪论
1.1引言
目前，锻造已经在汽车，能源，采矿，建筑，航空，武器以及其他重要的基础产业发挥着越来越重要的作用，在过去这些年中，锻压行业已经打破了毛坯生产范畴，越来越多的成品冷锻成型件被人们生产出来，不仅表面质量好，加工余量比较少，而且尺寸精度非常高。不断冷锻行业发展好，热锻精锻产品也高速发展，也能控制加工余量很小，有的锻件热锻出来也不需要机械加工就可以直接装机使用，这一切都是由于精锻技术的不断发展。在锻造过程中的主要设备接近国际先进水平，具有较强的生产能力，测试能力，而且新产品的研究开发能力强。
我国拥有锻造设备越来越多，设备的先进程度也在向世界领先水平的国家学习和发展随着现代技术的发展，汽车和摩托车行业的高速发展，各式各样的精锻件出现在当今人们的生活和生产中，汽车零部件存在着大量的齿轮和轴类锻件，尤其是汽车变速箱里面的锻件越来越多，随着技术的发展，之前的一些机加工产品也会向着锻件方面发展。
1.2 选题的背景及意义
相较于传统成形技术，精锻成形可以减少切削量，节约能源，减少加工工序，提高生产率，同时也增强了产品的安全性，提高了产品的竞争能力。因此，研究精锻成形技术和模具的设计制造具有非常重要的现实意义。CAD/CAE/CAM技术作为现代设计制造方法，对于精密锻造有着不可忽视的作用，它使精锻工艺大大提高，模具设计更加可靠，产品的附加值和市场竞争力也得到了提高。
这些年，我国的铁路列车一直在提速，高铁也投入了运营，这就表明了铁路的发展方向，因此，铁路导轨的安全性也必须得到保障，为保证高速列车的安全运行和旅客的舒适性，高速铁路的平顺性是很重要的指标。接头作为连接导轨的关键部件起着至关重要的作用。
现代化的模具制造技术是模具工业发展的基础，性能良好的锻造设备是提高锻造生产技术水平的基本条件，它有着高精度、高寿命、高效率等特点。为了满足大批量高速生产的需要，目前锻造设备也由单工位、单功能、低速压力机朝着多工位、多功能、高速和数控方向发展，加之机械手乃至机器人的大量使用，使锻造生产效率得到大幅度的提高，各式各样的锻造自动线和高速自动压力机纷纷投入使用。

1

1.3 本设计研究的内容及解决方法
根据大行星架的特点，分析精锻成形的工艺特点，拟订模具结构设计方案；利用DEFORM-3D软件对锻造成形过程进行数值模拟分析，预测成形过程中可能出现的问题，从而优化成形工艺参数及模具结构；绘制精锻模具二维装配图，依据装配图完成模具主要零件的设计和图样绘制。
需要解决的主要问题:
（1）如何保证在精锻成形过程中，因施加过高的载荷压力而导致模具弹性变化大、寿命低以及齿形充填不满的现象；
（2）如何确定大行星架精锻成形过程中，最适宜的压力、温度等条件因素，从而保证齿轮的加工精度，延长使用寿命；
（3）如何确定模具在不同的加工温度及长时间的使用磨损中，依然能够保证对锻件的精度要求。
（4）以大行星架为研究对象，分析主要结构尺寸参数对大行星架变形的影响，进一步提出优化设计方案。

第2章 产品零件的分析
2.1 锻件结构分析
锻件图如图2-1所示；
图2-1 大行星架零件图
由大行星架产品零件图可知，该零件结构比较简单，如果考虑锻造加工，它是一个较简单圆形类锻件的锻造，对于该产品的锻造主要是从制坯上合理的选择工艺，产品能否成型的关键因素就是制坯工艺。产品柄部有异形部位，是一个扁方，这一点需要注意，由于柄部较长，因此制坯时需要设计制坯模具保证柄部有充足的材料，这样锻造工艺才可能实现。产品图可以看出，粗线部位为加工面，其余细线为非加工面，锻造时加强产品同轴度的控制，需要从设备精度和模具精度上控制。要控制好产品的同轴度，认真做好首件产品的检测工作。所以产品制坯中考虑用棒料先将头部预锻出来，也是制坯的关键所在，否则锻造过程中流动性不好，会导致产品不能更好的填充。产品成品图可知，产品车加工大外圆和锥孔，其余部位不加工，外圆和锥孔采用车加工完成。
因此设计模具时，只需要外圆和锥孔留余量加工就是，其余尺寸按产品图设计模具锻造加工。
2.2 锻件工艺分析
由锻件图可知，产品采用的工艺是先锻造后机加工达到图纸要求。
锻造，采用精锻设备进行，因为成品图只加工大外圆和内锥孔，其余部位为非加工面，表面质量要求一定要好，具体要求无凹坑，无碰伤，无氧化皮和折叠。
车加工，采用车床加工大外圆和内锥孔，工艺简单，若大批量生产，需要用数控车床进行，并保证产品加工过程中质量的稳定性。
锻造分类分为自由锻造和模锻，其中两者的本质区别是，自由锻造模具结构简单，对重量较大的锻件适合，产品的尺寸精度不高；而模锻的主要特点产品尺寸精度高，成型较复杂，模具成型的生产率高，质量好，降低锻造成本。锻造成型的锻造方法是使用可移动的胎模在自由锻设备上生产锻件。自由锻锤上是不固定胎膜的，与自由成形相比，模具成型是生产率高，质量好，节约材料，降低成本的锻造。
分析该锻件可知，该大行星架产品只有模锻保证产品的精度。自由锻造产品所留的余量很高，这样也会大大增加产品的下料重量，材料费用会相应增加。模锻也有一些辅助工序，前面的制坯，后序加工中有热冲孔，热切边，冷切边，热校型和冷校型等等；经过对该产品的分析，产品顶端堆积材料很多，考虑锻造过程中材料流动性的原因，考虑工艺上先将产品预成型，即考虑做一副模具保证产品顶不堆料，保证终锻过程中材料可以顺利的流动填充。金属流动性的液体和固体的金属流动。液态金属流动本身就具有流动性。它与金属的温度、成分、杂质含量以及它的物理性质相关。但是现在是锻造金属也需要保证良好的流动性，因此在加热的情况下，保证模具设计合理，使得材料沿着模具顺利流动保证充分的填充性。
产品工艺分析可知，工艺大致如下:
1.原材料检测，只有材料合格后才可以生产；
2.下料，核算好产品的实际下料重量然后采用剪切下料机下料；
3.需要加热，采用中频加热炉加热；
4.制坯，因产品头部堆料较多，必须先制坯，然后才可以保证很好的填充；
5.成型，采用热锻的设备成型；
6.校型，增加校型工序防止产品翘曲变形；
7.热冲孔，成型后立即在冲床上冲孔；
8.热切边，冲床切边；产品锻造后采用热切边；
9.成型检验，产品尺寸全部合格方可进行后面的工序；否则需要修改模具，直到产品合格为止；
10.抛丸，为保证产品的表面质量良好，一般的锻件都需要抛丸处理；

11.车加工，按产品的图纸要求进行车加工，主要是车外圆和内锥孔；
12.选件，防锈；合格产品采用防锈后包装
13.产品合格的按要求入库。
2.3 锻模设计方案的确定
锻造模具的设计方案的确定，前面对基本工艺进行了分析，要合理设计出模具，就先搞懂工艺成型过程，对每一步工艺完成结果做详细分析。确定好每一个工序需要用什么设备，搞懂设备的参数和使用方式，从而合理设计锻模。
锻模是热态或冷态下的金属形成体积时所用模具的总称。由于各种锻压设备的特点是不同的，在模具结构的巨大差异，模具设计也略有不同。因此，以下是锤锻模为主进行介绍。一个完善的模具设计过程中，首先考虑的应该是：能满足精度要求，锻造性能好，适应生产力的要求；其次，还应该考虑到模具有足够的强度和高寿命，具有制造简单，维修方便的优点，安装和调整的要求等。
在锻造过程中常用的有锻造，预锻，拉伸，弯曲，滚动，镦粗等。最重要的当然是终锻成形锻造。为了保证模锻件的几何形状和尺寸，所有锻件的锻造过程都必须有终锻。
通过分析该大行星架锻件，我们可以得到锻模设计方案：（1）确定好制坯模具，可以考虑该件通过热锻的方式进行制坯，由于柄部较长的缘故，制坯时需要预锻出柄部材料；（2）成型模具设计，考虑产品通过摩擦压力机完成热锻成型，合理设计上模、下模，顶出机构，并分析好飞边位置，保证产品经过制坯后可以顺利完成终锻成型。（3）设计校型模具，其实校型模具和成型模具基本一致，不同点主要是注重产品所校型的部位，不需要校型的地方尺寸可以放大起到销开的作用，只保证校型后尺寸，就能确定校型模具尺寸了。（4）确定热冲孔和切边的模具，设计时要保证操作方便，凸凹模尺寸合理，控制好凸凹模的间隙。
第3章 锻坯图的设计和绘制
锻坯图的设计原理来源于成品图和产品机加工分析的结果，另外采用的锻造工艺选择也是十分重要的。一般情况下，按成品的尺寸留1.5-2mm余量即是锻件图，这些都是经过查国家标准得来的数据。如果锻造部位有难度的地方，需要将材料覆起来，然后后序的车加工车掉，保证锻造能顺利进行。一般情况下，热锻件图中要注明分模面的所有位置和尺寸、圆角半径、模锻斜度、收缩率等，而锻件公差、技术条件和零件的轮廓线则可以省略。
经分析成品图，产品外形只有外圆和内锥孔需要车加工完成，因此锻造时该处余量应保证充分，另外加工部位标有粗糙度Ra1.6和Ra3.2等外形面都是需要留余量，还有同轴度0.1要求，保证锻件经加工后能达到成品图的要求。该产品柄部不加工并作为装夹时用的装夹面，所以锻造时控制好非加工面的表面质量和平面度，控制好锻造缺陷，最容易出现的是凹坑，其余尺寸按成品图进行设计。
3.1 确定分模面
分模面如何确定，其最基本原则就是要尽可能保证锻件形状与零件形状相同，并且要使锻件便于从模膛中取出。确定分模面时，一般主要考虑镦粗成形，这样可以使模锻件成形更加容易。此外，提高材料的利用率也是要考虑的点。
模锻方法与分模面的位置息息相关，分模面的位置决定了锻件内部金属纤维的流线方向，而锻件性能取决于金属纤维的流线方向。最大载荷方向与金属纤维流线方向相同才是锻件设计的最佳方法。锻件的工作应力一般都是多向的，所以要使其变成与其相对应的多向金属纤维。因此，我们需要考虑锻造材料的各向异性和形状，然后确定分模面，同时保证锻件金属纤维方向和主要工作应力线一直。
在确保上述原则的基础上，结合实际情况确定其分模面位置如图。

图3-1 分模面设计图形
如图所示，分模面设计在端部的上方位置，其目的是保证产品更好的填充，因此飞边槽全部存在于上模中，可以查看成型和校型模具设计方案图可知。保证多余的料往飞边槽处流动，这样产品外形就更好的填充起来，不至于产品出现塌角，使得产品报废。下模就是保证产品下端柄部的成型，是一个圆柱凸台，结构就很简单。这样一来，成型时，上模和下模之间存在飞边，靠打击能量下降到0时成型过程结束，立刻校型，不能温度降低很多了才校型，保证校型模具寿命、冲孔和切边模具寿命，并控制好每个工序的产品质量。
3.2 确定机械加工余量及锻件的公差
机械加工余量通常是指车加工达到成品图的余量。通常在保证能车加工出来的情况下，留最少的余量，这样可以节约成本。余量的理论计算可以查询下表：
I:圆棒类锻件:
(1)工件的最大外径无公差要求，表面粗糙度在Ra3.2以下，例：不磨外圆的凹模带台肩的凸模、凹模、凸凹模和推杆、推销、限制器、托杆、螺钉、螺栓、螺塞、螺帽外径必须滚花者。

表3-1 圆棒类锻件加工余量查询表

（单位：毫米）
工件直径（D）
工 件 长 度 L
车刃的割刀量和车削二端面的余量(每件)
＜70
71-120
121-200
201-300
301-450
直 径 上 加 工 余 量
≤32
1
2
2
3
4
5-10
33-60
2
3
3
4
5
4-6
61-100
3
4
4
4
5
4-6
101-200
4
5
5
5
6
4-6

当D小于36，不适合在一个单一的夹掉头，加工处理的工件，应在L上加夹头量10-15。
(2)工件的最大外径有公差配合要求，表面粗糙度在Ra3.2以上，例如：外圆须磨加工的凹模，挡料销、肩台须磨加工的凸模或凸凹模等。
表3-2 圆棒类锻件加工余量查询表
（单位：毫米）
工件直径（D）
工 件 长 度 L
车刃的割刀量和车削二端面的余量(每件)
＜50
51-80
81-150
151-250
251-420
直 径 上 加 工 余 量
≤15
3
3
4
4
5
5-10
16-32
3
4
4
5
6
5-10
33-60
4
4
5
6
6
5-8
61-100
5
5
5
6
7
5-8
101-200
6
6
6
7
7
5-8
当D＜36时，不适合调头加工，在加工单个零件时，应加夹头量10-15。
Ⅱ：圆形锻件类（不需锻件图）
(1)表面粗糙度在Ra1.6 以下的不淬火钢则无公差配合要求，例如：固定板、退料板等。
表3-3 圆形类锻件加工余量查询表
（单位：毫米）
工件直径（D）
工 件 长 度 L
＜10
11-20
21-45
46-100
101-250
直径上加工余量 长度方向上余量
150-200
5 5
5 5
5 5
5 6
5 7
201-300
5 6
5 6
5 6
5 7
6 8
301-400
5 7
5 7
5 7
6 8
8 9
401-500
7 8
5 8
6 8
7 9
9 10
501-600
7 8
6 8
6 8
7 10
10 11
注：表中的加工余量为最小余量，其最大余量不得超过厂规定标准。
Ⅲ：矩形锻件类：
表内的加工余量为最小余量，其最大余量不得超过规定的标准件厂。
表3-4 矩形类锻件加工余量查询表
工件直径（D）
工 件 长 度 L
≤100
101-250
251-320
321-450
451-600
601-800
长度上加工余量2e
5
6
6
7
8
10
工件截面上加工余量部份（2a=2b）
≤10
4
4
5
5
6
6
11-25
4
4
5
5
6
6
26-50
4
5
5
6
7
7
51-100
5
5
6
7
7
7
101-200
5
5
7
7
8
8
201-300
6
7
7
8
8
9
301-450
7
7
8
8
9
9
451-600
8
8
9
9
10
10

所以参考以上表，圆形类锻件产品留余量大致1-2mm就是比较理想的，该产品尺寸按1.25mm单边留余量。该锻件产品为未注拔模斜度为0.5°，因产品本身重量不大，高度也不大，所以拔模斜度不需要设计很大就可以拔模，这样更能体现锻件的精锻技术实力。为了方便锻造过程中容易填充，易于成型。另外在成型后锻件在适当的顶出力左右下，可以保证产品顺利的顶出。
上模部分留余量就更加简单了，只要是体现在上模芯部位，刚好反应的是内锥孔位置，保证直径方向有1.25mm的余量就可以，这样可以保证产品车加工时能够加工出来，整个周身部位车见光。
锻造公差的确定，根据gb12362-90 -国家标准钢模锻件公差和加工公差，可以查询到公差值，但一般公差在实际生产中，技术要求将高于国家标准。本次设计原则是，锻件的尺寸公差按产品的成品图纸确定执行，大多数面都是非加工面，所以不用去查不加工面处锻件尺寸公差，外圆的尺寸公差可以按照图纸非加工外圆的公差要求，取+1.0/-0.5，尽量保证产品走上偏差，从而保证产品的质量稳定性。内孔的尺寸公差取+0.3/-0.8，尽量去下差可以保证加工余量较大，更能保证产品生产过程中质量稳定性。
3.3 确定模锻斜度
锻造的拔模斜度是很重要的，常常拔模斜度设计不合理，会导致产品无法正常完成锻压。如拔模斜度偏大，常常会导致产品浪费材料；偏小产品则无法取出，这样成本也无法满足。
下表是国家标准GB12362-90-钢质模锻件的拔模斜度查询表。
表3-5 锻件的模斜度查询表

一般情况下，锻造的普通锻造和精密锻造，拔模斜度是不同的，普通锻造，拔模斜度就比较大，这样才能脱模；对于精密锻造，拔模斜度相对小一些，这样会更节省材料，而且产品的尺寸一致性更好。
该大行星架锻件零件按普通的等级取拔模斜度，就会大大浪费材料了，而且工艺不能满足，由于柄部尺寸是不加工的，后序的车加工还需要装夹该外圆，因此选取未注拔模斜度0.5°最大。
在能够拔模的情况下尽量减小拔模斜度，这样可以产品材料费用，降低产品生产成本。柄部按拔模斜度0.5°max执行，其目的是保证产品锻造后可以顺利从模具中顶出来。
3.4 确定内外圆角半径公差
查询国标，下表是国标GB12362-90-钢质模锻件的圆角公差查询表：
表3-6 锻件的内外圆角半径公差

锻造圆角的确定是针对产品填充性考虑的，圆角设计合理能保证产品很好的流动，要是不设计圆角或圆角过小，则会对金属流线产生不良影响，也会导致模具损坏，影响模具的寿命。在设计过程中，需确保产品可以车加工出来，最大程度的节省材料，也需要保证模具锻造的寿命。通过查表可得该大行星架锻件设计圆角应为R3-5。
3.5 绘制锻坯图的技术条件
锻造的技术要求常常会有热处理要求，力学性能要求，锻件的表面质量要求，未注尺寸的要求等等；这里针对该大行星架类锻件的技术要求需要包括的内容有未注圆角，产品外观缺陷的描述，流线要求，材料要求和未注拔模斜度等。这是为了满足现场检验控制，未注拔模斜度等要求。总结出来，该大行星架锻件的技术要求有：
技术要求：
1、未注圆角R2MAX;
2、拔模斜度30'(包含拔模斜度);
3、翘曲0.5(JIS B 0415);
4、应确认纤维流线;
5、脱碳层深度0.5MAX;
6、应进行磁粉探伤、无裂纹、裂缝；
7、材质45钢（S45C相当材料）。
因此在锻造和其他工序加工中，都需要按该技术要求控制质量。
3.6确定制坯工步
毛坯的尺寸确定是在成品基础之上的，通过对成品的测绘去求解毛坯的尺寸，这里涉及的是机加余量的取值。车加工单边需要有1.25mm左右留余量，易于成型可以少留，难以成型可以考虑多留。从而为合格产品打下基础。分析成品图，产品内孔锥度和大外圆需要车加工完成，因此锻造时该处余量应保证充分，另外加工部位标有粗糙度Ra1.6和Ra3.2等外形面都是需要留余量，保证锻件经加工后能达到成品图的要求。该产品其他地方不机加工，因此不留余量，但需要保证产品的表面质量和尺寸精度满足图纸技术要求。
制坯是锻造成型中非常重要的步骤，而制坯如果出现错误，往往会对产品的生产大大不利，甚至会产生充填饱满、折叠的缺陷。对于该大行星架产品制坯工步的确定是这样的，由于该产品柄部较长，大外圆直径达，可以考虑制坯是通过将原材料棒料将产品柄部先预锻出来，导致柄部堆料，然后热锻锻打出来，保证产品达到锻件图纸尺寸和表面质量等要求。
3.7确定毛坯尺寸
毛坯尺寸的确定，基于工艺分析清楚后确定如何锻毛坯，因此就可以确定毛坯尺寸。
毛坯尺寸按要求留余量后，主要是考虑锻造圆角和拔模斜度，按前面所述的锻造拔模斜度选择0.5度，保证产品容易拔模。为保证模具的使用寿命，选择合理的圆角半径，R2-3比较合理，能够满足成型模具的使用寿命要求，大致可以保证模具寿命在3000件。产品只有大外圆和内锥孔车加工，该处留加工余量，由锻坯图可以看出。

致谢

参考文献
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18《金属挤压理论与技术》，谢建新主编，冶金工业出版社
19《金属塑性成型过程模拟》，李尚健主编，机械工业出版社
20《模具CAD/CAM/CAE》，王义林等主编，电子工业出版社

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