大高径比镦粗挤压防失稳模具结构设计(附件)【字数：10446】
摘 要摘 要近年来，民用、商用和国防事业等方面对机械产品的需求和性能要求日益增加，这推动了现代机械制造业加工工艺的日益完善。传统的锻造工艺要求锻件的高径比不得大于3，不然将出现塑性失稳弯曲，这一难题一定程度上阻碍了企业的高效生产。国内对长轴锻件镦粗的研究还不够成熟，因此需要我们对此更加关注。本次论文就是为了解决长轴类锻件镦粗时发生塑性失稳的问题，通过设计合理的方案和模具结构，在镦粗时做好防失稳的工作，同时提高企业的生产效率。为了避免镦粗失稳，首先要将高径比控制在3以内。本文采用了镦粗冷挤压的方法来设计此模具。通过使用合理的模具使锻件镦粗的部分得到有效保护，在镦粗的后期将材料挤压到凹模腔内，从而得到所需结构的零件。在此次模具设计中，首先使用PRO/E软件做出模具的三维造型，再用DEFORM软件对锻件成形的过程进行模拟仿真，最后根据软件模拟的结果对模具的结构进行相应的改善，从而得到符合要求的模具和锻件。通过对各种造型、模拟软件的合理利用，能够大大降低产品的生产成本，提高了模具的质量和精度，缩短了设计周期。关键词长轴锻件；高径比；防失稳；仿真模拟；模具设计
目 录
第一章 绪论 1
1.1 镦粗理论与传统镦粗工艺的论述 1
1.2 镦粗模具技术及发展趋势 1
1.3 关于长轴锻件镦粗失稳的研究 2
1.4 Pro/E的概述及在镦粗模具计算机辅助设计方面的应用 2
1.5 DEFORM的相关功能和操作 4
第二章 镦粗防失稳模具的设计方案 5
2.1 镦粗模具的设计流程 5
2.2 镦粗的工艺性分析 5
2.2.1 锻件的分析 5
2.2.2 毛坯尺寸的计算与分析 6
2.3 镦粗长轴锻件的模具设计方案的确定 7
第三章 镦粗冷挤压防失稳模具设计 9
3.1 模具主要成型零件的结构设计 9
3.1.1 冲头和轴套的设计 9
3.1.2 凹模和凹模座的设计与分析 9
3.1.3 顶出机构的分析与设计 10
3.2 防失稳模具各零件结构的具体设计 11
3.2.1 上模座的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
结构设计 11
3.2.2 上模垫板的结构设计 12
3.2.3 上模板的结构设计 12
3.2.4 冲头的结构设计 14
3.2.5 轴套的结构设计 14
3.2.6 凹模的结构设计 15
3.2.7 凹模座的结构设计 16
3.2.8 凹模垫板的结构设计 16
3.2.9 顶出机构的结构设计 17
3.3 防失稳模具整体装配图与工作分析 18
第四章 锻造设备的选择 20
4.1 冷锻力的计算和压力机的选择 20
4.2 锻模材料选择 22
第五章 镦粗挤压成型的模拟与分析 23
5.1 长轴锻件镦粗挤压成型过程的模拟 23
4.2 镦粗成型模拟的结果分析 24
4.3 有限元模拟的最终结论 26
结 语 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
镦粗理论与传统镦粗工艺的论述
随着材料科学的发展，塑性成形工艺经过人们的实验研究得到了不断发展和完善，开发出了高效率、新的塑性成形工艺方法，由于其材料利用率高、力学性能好、尺寸精度高和生产率高等优点，在机械制造工业中也得到了越来越广泛的应用。锻造生产在制造业中占有十分重要的地位。国防工业、机床制造业中各种机床、电力工业中发电设备、农用机械以及交通运输业中的主要零件也和锻造生产息息相关。镦粗是自由锻的基本工序之一，作为锻造生产的一种方式，不但能够得到所需要的零件形状，还能改善金属的内部组织和缺陷，从而提高金属本身的机械力学性能。镦粗根据加工成型的要求可分为整体镦粗和局部镦粗。
前苏联学者M.B.斯德罗日夫在1960S曾提出：在不考虑摩擦力的理想情况下，镦粗为简单的压缩变形；有摩擦力时，镦粗部件的心部总呈现三向应力压缩状态[11]。后来著名学者刘助柏应用塑性力学的理论，在平砧镦粗圆柱体的过程中，结合主动和被动变形区的概念，分析了镦粗变形体内部的应力状态，得出了镦粗体心部在镦粗速度较小时会出现拉应力的结论。该结论否定了统治近百年的传统学说，得出镦粗体并不总是处于三向压应力的状态。该应力理论经过一系列的验证，使塑性力学得到了很大的发展，对镦粗工艺的实际生产有一定的指导作用。
1.2 镦粗模具技术及发展趋势
在锻造生产中镦粗工序应用很普遍，镦粗使坯料整体或一部分高度缩减变矮、横截面增大，得到特定的形状。镦粗加工时，锻件的镦粗部分高径比不能大于3，尽量限制在2.5以内，一旦超出这个范围，锻件多会出现塑性失稳[3]，因此镦粗模具的设计要增加防失稳的机构。
到目前为止，塑性成形工艺与模具技术得到了日益的发展，主要体现有：完成了塑性成形的基本理论；以有限元模拟为主导的仿真技术发展日渐完善，在工业方面得到了越来越广泛的应用；CAD/CAM技术和新的成形方法在生产中的不断应用，缩短了模具的设计、制造周期，提高了模具和锻件的质量。塑性成形工艺与模具设计将使得工艺更加省力、生产更加灵活、工件更加优质、劳动条件更加良好成为可能，并带动模具的数字化设计与制造技术等方面的发展[1]。
1.3 关于长轴锻件镦粗失稳的研究
镦粗工序目前在锻造生产中得到普及，通过镦粗能得到特定的形态，同时也能明显提高锻件的物理性能和化学性能[4]。长杆类锻件的高径比一般比较大，超出了能稳定镦粗的范围，镦粗过程中容易产生失稳的情况，此时毛坯材料的分布形态会有所改变，不再有笔直的轴。若不采取一定的措施，纵向将会有弯曲甚至出现材料的皱褶和叠加，锻件只能成为废品。此外，由于毛坯材料在凹模型腔中呈现无规律的形态分布，使得型腔的边角处很难充满，而型腔的其他地方在分模面处的材料过多，使成形力急剧地增加，载荷出现严重的不平衡，严重时会突然停机，对机器和生产极为不利，这些都是我们应该努力避免的。
传统的防止锻件失稳的方法是限制其变形量。当坯料的高径比小于3时，可以将坯料一次镦粗成形，而不会产生失稳或内部缺陷。当高径比大于3时，局部镦粗规则要求坯料在模具的型腔内多次积聚，直到高径比小于3。但以上措施并不能从根本上解决塑性失稳的问题，而且多次成形的工步较多，工序复杂，限制了高效率的生产，增加了生产成本。本次毕业设计就是要研究如何在镦粗长轴锻件时做好防失稳的工作。
为了避免镦粗时发生塑性失稳，首先要将高径比控制在3以内。本文采用了镦粗冷挤压的方式来设计模具。通过使用合理的模具结构使锻件的高径比小于3，在镦粗的同时将金属材料挤压到凹模腔内，从而得到所需结构的零件。在模具设计的过程中，首先使用PRO/E软件做出模具的三维造型，再用DEFORM软件对锻件成形的过程进行模拟仿真，最后根据软件模拟的结果对模具的结构进行相应的改善，从而得到符合要求的模具结构和零件。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 镦粗理论与传统镦粗工艺的论述 1
1.2 镦粗模具技术及发展趋势 1
1.3 关于长轴锻件镦粗失稳的研究 2
1.4 Pro/E的概述及在镦粗模具计算机辅助设计方面的应用 2
1.5 DEFORM的相关功能和操作 4
第二章 镦粗防失稳模具的设计方案 5
2.1 镦粗模具的设计流程 5
2.2 镦粗的工艺性分析 5
2.2.1 锻件的分析 5
2.2.2 毛坯尺寸的计算与分析 6
2.3 镦粗长轴锻件的模具设计方案的确定 7
第三章 镦粗冷挤压防失稳模具设计 9
3.1 模具主要成型零件的结构设计 9
3.1.1 冲头和轴套的设计 9
3.1.2 凹模和凹模座的设计与分析 9
3.1.3 顶出机构的分析与设计 10
3.2 防失稳模具各零件结构的具体设计 11
3.2.1 上模座的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
结构设计 11
3.2.2 上模垫板的结构设计 12
3.2.3 上模板的结构设计 12
3.2.4 冲头的结构设计 14
3.2.5 轴套的结构设计 14
3.2.6 凹模的结构设计 15
3.2.7 凹模座的结构设计 16
3.2.8 凹模垫板的结构设计 16
3.2.9 顶出机构的结构设计 17
3.3 防失稳模具整体装配图与工作分析 18
第四章 锻造设备的选择 20
4.1 冷锻力的计算和压力机的选择 20
4.2 锻模材料选择 22
第五章 镦粗挤压成型的模拟与分析 23
5.1 长轴锻件镦粗挤压成型过程的模拟 23
4.2 镦粗成型模拟的结果分析 24
4.3 有限元模拟的最终结论 26
结 语 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
镦粗理论与传统镦粗工艺的论述
随着材料科学的发展，塑性成形工艺经过人们的实验研究得到了不断发展和完善，开发出了高效率、新的塑性成形工艺方法，由于其材料利用率高、力学性能好、尺寸精度高和生产率高等优点，在机械制造工业中也得到了越来越广泛的应用。锻造生产在制造业中占有十分重要的地位。国防工业、机床制造业中各种机床、电力工业中发电设备、农用机械以及交通运输业中的主要零件也和锻造生产息息相关。镦粗是自由锻的基本工序之一，作为锻造生产的一种方式，不但能够得到所需要的零件形状，还能改善金属的内部组织和缺陷，从而提高金属本身的机械力学性能。镦粗根据加工成型的要求可分为整体镦粗和局部镦粗。
前苏联学者M.B.斯德罗日夫在1960S曾提出：在不考虑摩擦力的理想情况下，镦粗为简单的压缩变形；有摩擦力时，镦粗部件的心部总呈现三向应力压缩状态[11]。后来著名学者刘助柏应用塑性力学的理论，在平砧镦粗圆柱体的过程中，结合主动和被动变形区的概念，分析了镦粗变形体内部的应力状态，得出了镦粗体心部在镦粗速度较小时会出现拉应力的结论。该结论否定了统治近百年的传统学说，得出镦粗体并不总是处于三向压应力的状态。该应力理论经过一系列的验证，使塑性力学得到了很大的发展，对镦粗工艺的实际生产有一定的指导作用。
1.2 镦粗模具技术及发展趋势
在锻造生产中镦粗工序应用很普遍，镦粗使坯料整体或一部分高度缩减变矮、横截面增大，得到特定的形状。镦粗加工时，锻件的镦粗部分高径比不能大于3，尽量限制在2.5以内，一旦超出这个范围，锻件多会出现塑性失稳[3]，因此镦粗模具的设计要增加防失稳的机构。
到目前为止，塑性成形工艺与模具技术得到了日益的发展，主要体现有：完成了塑性成形的基本理论；以有限元模拟为主导的仿真技术发展日渐完善，在工业方面得到了越来越广泛的应用；CAD/CAM技术和新的成形方法在生产中的不断应用，缩短了模具的设计、制造周期，提高了模具和锻件的质量。塑性成形工艺与模具设计将使得工艺更加省力、生产更加灵活、工件更加优质、劳动条件更加良好成为可能，并带动模具的数字化设计与制造技术等方面的发展[1]。
1.3 关于长轴锻件镦粗失稳的研究
镦粗工序目前在锻造生产中得到普及，通过镦粗能得到特定的形态，同时也能明显提高锻件的物理性能和化学性能[4]。长杆类锻件的高径比一般比较大，超出了能稳定镦粗的范围，镦粗过程中容易产生失稳的情况，此时毛坯材料的分布形态会有所改变，不再有笔直的轴。若不采取一定的措施，纵向将会有弯曲甚至出现材料的皱褶和叠加，锻件只能成为废品。此外，由于毛坯材料在凹模型腔中呈现无规律的形态分布，使得型腔的边角处很难充满，而型腔的其他地方在分模面处的材料过多，使成形力急剧地增加，载荷出现严重的不平衡，严重时会突然停机，对机器和生产极为不利，这些都是我们应该努力避免的。
传统的防止锻件失稳的方法是限制其变形量。当坯料的高径比小于3时，可以将坯料一次镦粗成形，而不会产生失稳或内部缺陷。当高径比大于3时，局部镦粗规则要求坯料在模具的型腔内多次积聚，直到高径比小于3。但以上措施并不能从根本上解决塑性失稳的问题，而且多次成形的工步较多，工序复杂，限制了高效率的生产，增加了生产成本。本次毕业设计就是要研究如何在镦粗长轴锻件时做好防失稳的工作。
为了避免镦粗时发生塑性失稳，首先要将高径比控制在3以内。本文采用了镦粗冷挤压的方式来设计模具。通过使用合理的模具结构使锻件的高径比小于3，在镦粗的同时将金属材料挤压到凹模腔内，从而得到所需结构的零件。在模具设计的过程中，首先使用PRO/E软件做出模具的三维造型，再用DEFORM软件对锻件成形的过程进行模拟仿真，最后根据软件模拟的结果对模具的结构进行相应的改善，从而得到符合要求的模具结构和零件。
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