毕业论文长安汽车万向节叉锻造工艺设计

摘要 模具行业在我国现阶段机械制造行业中扮演着极为重要的角色，现代的模具行业普遍追求更高精度、更简易的工艺流程、更先进的设计方案，为适应社会之所需，结合本行业的发展现状，无论是在塑料模具、钣金模具还是锻造模具等各模具行业中，其总体设计框架是千篇一律的锻模行业经过了几年的发展，在某些技术上已经取得了较大的突破，但是毕竟还属于传统制造业，还依然存在机械加工的诟病，比如说机加工精度达不到要求，粗糙度控制不好，模具设计时的种种不合理导致的脱膜不便为此本论文意在解决当前传统机械加工方面的精度问题及模具设计问题，尤其为了后面的实际锻造，做了有效的有限元分析，以保证模具锻造精度达到要求，并且也综合了CAD/CAE模具技术的应用本论文以长安汽车万向节叉终锻模具为例采用了锻造工艺设计方法，通过本专业所学的知识并运用了SolidWorks2016软件对锻件零件进行三维建模，创建模具的上下模及配套的零件、运用Auto-CAD2014软件进行二维图绘制，标注好详细的公差尺寸要求、运用Workbench 15.0有限元软件进行锻件温度场及热应力场分布分析，以至于通过在不同温度范围和不同的应力范围与其分别对应的温度场云图和应力场云图各自之间相互对比作出相应的分析，为后续的锻模设计做好准备。

在设计的同时也考虑了外协加工工厂的实际加工设备，因此为该锻件制定了配套加工的工艺路线为了适用当前社会的机械行业发展需要，在设计的同时也进行了适应于现代化工业加工生产设备的配套工艺方案关键词： CAD/CAE 模具 万向节叉 热应力IAbstractThe mold industry plays a very important role in the machine manufacturing industry at the present stage in our country. The overall design framework of the mould industry is the same as the plastic mold, the sheet metal die or the forging die industry. After several years of development, forging die industry has made a great breakthrough in some technology, but it still belongs to the traditional manufacturing industry, still still exists the criticism of mechanical processing, for example, the machining accuracy is not up to the requirements, the roughness control is not good, the mold design is not reasonable caused by the inconvenience of the film removal. Taking the final forging die of Changan automobile Cardan fork as an example, the practical application of die in the forging industry is introduced in detail in this paper. It is intended to solve the problems of the precision of the traditional machining and the design of the die. In particular, the effective finite element analysis is made for the actual forging in the rear, so as to ensure the precision of the die forging. The requirement is to integrate the application of CAD/CAE mold technology. In the whole process of the design, combined with the professional knowledge of the undergraduate, SolidWorks2016 software is used to build the 3D modeling of the forging parts, the upper and lower dies and the supporting parts are created, the Auto-CAD2014 software is used to draw the two-dimensional map, the detailed requirements of the tolerance dimension and the application of Workbench 15 finite element software are marked. The temperature field and stress field distribution of forgings are analyzed to lay a good foundation for the subsequent processing. At the same time, at the same time, the actual processing equipment of the processing plant was also considered, so the processing route for the forging was developed. In order to meet the development needs of the machinery industry in the current society, a matching process plan adapted to modern industrial processing equipment was also designed. Obviously, the modern mold industry is generally pursuing higher precision, more simple process flow and more advanced design scheme. In order to adapt to the needs of the society and combine the development of the industry, this paper is only a series of design simulation for the forging die of the forgings, but through this example, it is in the future work. Learning from others can help us to integrate theory with practice and enhance our knowledge of the mold industry. Keywords: CAD/CAE mould universal； joint fork； thermal stress目 录1 绪论1.1课题研究的目的及意义 (1)1.1.1锻造模具的研究目的 (1)1.1.2模具CAD/CAM的研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 本课题研究内容 (3)2 长安汽车万向节叉锻造工艺设计2.1 零件结构分析 (4)2.2 零件工艺分析 (6)2.32.42.53 长安汽车万向节叉锻件与锻模设计2.3 锻件锻模总体设计方案的确定 (7)3.1锻件及其锻模的设计 (8)3.1.1确定锻件的分型面及分型线 (8)3.1.2制定锻件的机加工余量及公差 (9)3.1.3锻模生成及凸凹模分割 (11)3.2锻造模具设计图 (13)3.3锻模飞边槽的设计 (14)3.4 模架总体设计 (15)3.5镶块设计 (16)4 万向节叉有限元分析41有限元分析前置参数设置 (18)4.2锻件温度场及应力分布分析 (19)4.3锻件温度场及应力分布分析 (21)5 锻前加热、锻后冷却及热处理要求的确定5.1确定加热方式，及锻造温度范围 (23)5.2加热时间及冷却方式的确定 (23)结 论 (25)致 谢 (26) 参考文献 (27)11.绪论1.1课题研究的目的及意义1.1.1锻造模具的研究目的现如今，塑料模具、锻造模具及其所配套的CAD/CAM技术在机械行业中出于领军地位，锻造模具的地位尤为重要。

它简化了传统金属零件的加工生产流程它同时也是传统模具的关键生产技术它需要协同计算机软进行辅助设计及配合各种机械设备进行加工生产使加工人员能进行更方便的生产自己想要的产品在工程师们的不断研究中，锻造模具行业逐渐偏向于设计优化、流程优化生产优化的理念进行研发锻造生产能够显著地减少机械零件的生产加工周期[1]提高了产品的质量并且简化了工艺流程更为重要的是减轻了工人的劳动强度，缩减了公司的制造成本锻造模具同塑料模具一样是用来进行产品成型的它大体可以划分为动模和定模两部分，或称途模和凹模，在工作过程中的开合来进行产品的挤压成型锻造的过程也分为初锻和终锻两方面，往往终.........在产品成型的过程中，气压、冲头等一系列外部构件把外力传递给动模和定模，上下模具框架为挤压产生的力起了缓冲作用因为锻造模具在实际的加工生产中对生产效率有明显的提高并且能够节约生产原料，提高了生产效率，因此在全国众多工厂中得到了广泛的应用针对锻造模具，本文以长安汽车万向节叉零件为例进行了模具设计、零件受热应力场及温度场模拟分析，简要描述了模具在实际生产过程中的应用1.1.2模具CAD/CAM的研究意义随着机械CAD/CAM行业蓬勃发展，现模具能够实现三维软件自动分模或用三维设计软件手动辅助分模，大大缩短模具研发设计时间。

目前甚至未来模具行业趋向于设计与制造智能化、一体化发展此次设计是针对长安汽车万向节叉的锻造中终锻部分模具的设计，涉及三维产品设计、模具分模设计、二维工程图及ANSYS温度场应力场分析仿真，总体涵盖了锻模的设计及应用，完全与工厂实际设计生产需求接轨[2] 终锻模是零件进行模具锻造时使毛坯料挤压成型而获得产品的模具设计之初重要的是选择锻件的材料，按照工厂所给图纸的要求即选择了45钢终锻之前需先将锻件进行加热，以达到终锻所需的温度要求，接着将预热的初锻件放置在锻造设备上，按照要求施加压力，迫使锻件因其自身的塑性变形发生内部分子流动，进而成型获得终锻件[3]所设计的锻造模具在实际应用中既要承受锻锤的高速冲击及负载压力，并且还要耐受在锻件成型过程中的急冷、急热和冷热交变状态，对于模具的材料需要其满足高耐磨及强度刚度 1.2国内外研究现状经过了几代机械行业乃至模具行业科研人员的不断挖掘发展，目前模具行业及其配套的CAD/CAM/CAE在整个行业起了不可替代的位置，基本上国内大小公司都离不开这三方面联合设计模具的应用，并一直刷新行业应用记录，比如更高的模具制造精度及更优化的锻造方案，有卓越的贡献。

尤其在近几年模具行业借助Ansys等CAE软件配合进行实际工况产品应力场及温度场的模拟分析，可谓是模具行业质的突破[4]同时更多的科研人员进行在SolidWorks和UG软件平台上针对模具设计的二次开发软件，更加方便了设计人员开发模具，直接缩短了设计流程升级传统模具制造生产的关键技术方案是进行模具CAD/CAM/CAE联合研究开发，它作为当今机械行业高水平发展的方向一直被广泛的应用[5]此技术借助计算机软件给设计者提供了很好地工作平台，提高了模具设计效率，提高了模具的制造精度及使用的安全系数通过有限元软件分析能够进行优化模具结构、模具锻造工艺、锻件成型工艺等锻造模具行业的CAD/CAM/CAE的发展状况符合总体机械类相关软件的发展进程，基本上设计软件每升级一版本，模具行业的科研进度也跟上一个版本目前相关的软件发展情况基本如下所述:CAD从前几年的仅仅能够二维平面图形设计、三维实体模型设计、自由曲面模型设计、参数化设计、特征模型设计等，到近些年来随着互联网的广泛应用，此类设计软件基本结合了当今热门的智能化、集成化等新关键词进行开发软件，进而发展为新的技术特点进而CAD技术能够具备更好地协同开发、简化设计流程等优点。

CAM行业一直处于并接轨于高精度机床编程、以更好地工艺进行工件的加工生产，尽可能的缩短工厂的生产效率，并通过软件的编程基本减少了实际数控机床及加工中心的离线编程，使编程人员面对三维实际模型更好地更方便的编写G代码程序[6]CAE技术也在近几年得到了广泛的普及，对件及具结构进行有限元分析计算，进而得到锻件在不同工作状态下（温度场）的位移和应力分布情况最终是为模具的优化设计和合理改进提供更有效的理论依据[6]尽管说我国的CAD/CAM/CAE钻研利用在近几年来发展迅速，为此感到特别欣慰，然而相对于其他的工业比较发达的国家如日美韩德等国相比还有非常大的差距，此述的差距大体表现在这几个方面：（1）我国的CAD/CAM的运用集成化程度相对较低，目前很多企业的运用仍然停留在画图、NC编程等单项技能的利用上2）目前国内的CAD/CAM系统的软、硬件均依靠通过进口来获得，而自主版权的软件相对比较少3）由于缺少设备和技术指导，有些企业尽管引进CAD/CAM系统，但其功能却没能充分发挥出来1.3 本课题研究内容此次设计是综合机械类常用的CAD设计软件及CAE分析软件进行的SolidWorks是位于美国马萨诸塞州的达索公司（Dassault Systemes S.A）专门为了从事机械设计行业人员研发的视窗应用软件，它拥有强大的非标设备设计功能及较为完善的模具分模一体化设计功能。

本设计用该软件进行锻件的三维设计并且对其进行分模，以分出凸模具和凹模具，并用其他内嵌于SolidWorks的模具辅助外挂软件设计模架、顶针、导向柱等模具必须零件设计完长安汽车万向节叉锻件，将其导入ANSYS Workbench 15.0正确应用瞬态传热分析的初始条件进行温度场及应力场分析通过分析可以清晰看出锻件在不同温度下的应力分布及变化情况为了方便工厂工人加工，用二维CAD软件出模具总装工程图及凹模、凸模工程图，方便实际组装及加工通过机械类多软件综合的设计分析充分发挥了CAD/CAE在模具行业的应用在设计过程中我走访了某锻件锻造加工厂，亲临了加工厂实际生产，跟工厂师傅交流了锻造的工艺要求，也体验了锻造设备的使用，因而本设计充分贴近工厂生产之所需由于我自己的学术水平有限，因此本论文难免存在学术方面的不妥之处，还请各位老师和同学们的批评指正2.长安汽车万向节叉锻造工艺设计2.1零件结构分析先进行零件结构分析，所设计的零件为长安汽车万向节叉如图2-1所示，万向节叉是叉形件万向节叉用在主动轴与从动轴中，用来控制之间的角度因其作为连接件，使被连接的零件间存在规定范围内的角度变化，在整个汽车传动结构中起着至关重要的作用，故万向节叉需承受的扭转矩较大刚度需求较高，同时其在实际工况中环境不同，有时需承受的载荷较大。

主动轴的将转矩通过万向节叉传递给从动轴，在不平行情况下主要起连接主动轴和从动轴的作用当然，万向节叉这类零件应用范围较为广泛，不仅仅用在汽车传动行业方向上，也用于机械行业非标件设计过程中，甚至民用传动设备的生产制造过程中大体上，可用于如下场所：两轴不同心、两轴间平行但不相交或空间平行且相交、两轴的空间夹角在运动过程中经常变化等场所[7]分析长安汽车万向节叉的整体形体尺寸及表面粗糙度等公差要求，容易看出：该零件整体体积较小，各种圆角较多，但圆角尺寸不大，形状不是很复杂，因其是连接件，非传动件，故其精度要求不高，但为了保证连接位置的精度配合要求，也需要通过锻压机如图2-2所示，初锻终锻两步锻造成型顶部头端的设计较为麻烦，内孔需在终锻后用加工中心继续加工，并且在设计过程中需要考虑其脱膜的角度，防止不易脱膜及卡模等现象出现，包括初锻及终锻过程只能锻造其大体形状，末端的凹槽需要数控机床进行加工，在锻造的过程中，因其材料内部分子聚集加强，使其组织更为紧密，碳化物分布及流线分布更为合理，故能够提高锻件整体热处理性能及提高其强度及使用寿命若企业要求加工花键或滑槽，则按实际工艺进行设计零件按照工厂要求选取锻件的材料为热轧钢45钢，此材料拥有相对较好的金属材料稳定性，较高的强度，并方便后期机加工。

具体该锻件的工艺方案及材料相关属性如下表及相关数据所述，零件预期设计的实物图如图2-3所示图2-1 长安汽车万向节叉零件图图2-2 锻压机实体图 图2-3 万向节叉的预期实物图2.2 零件工艺分析2.2.1零件材料 选取45钢，原因是45钢的切削性能较好，几乎没有加工问题，所以加工中不需要采取特殊工艺措施2.2.2主要表面分析及技术要求外圆表面用于支撑该零件连接，两个挂耳面和底面用于承受动力技术要求是允许的表面缺陷深度0.5mm；热处理是调质HB230—260；表面清理是为便于检查淬火裂纹,采用酸洗2.2.3零件的加工特点盘类零件（ H≤ D ）在终锻之前都要先进行预锻，但包括预锻和终锻过程都在锻压机里完成预锻后沿原锻料毛坯截面轴向剪裁制成模样近乎锻件的中间毛坯，从而保证锻件进行最后的终锻时使锻件各处充分填充金属并且有均匀毛边，进而降低了模槽的磨损损耗，延长其使用寿命2.3计算坯料的质量与尺寸2.3.1坯料质量的计算首先根据锻件的形状以及尺寸计算其锻件质量，然后考虑到加热时的表面氧化损失，切去热边还有去毛刺的质量，最后计算锻件所用的坯料质量，其计算公式为：m坯=m锻+m烧+m切+m毛。

加计算m烧=0.0350.2=0.007kg（烧损值为0.035）m锻=锻V锻=20.33kg0.097393=1.98kgm切=0.23kgm毛=0.16kg综上，m坯=2.377kg2.3.2坯料尺寸的计算计算毛坯在整个设计中起到了关键的作用，对于锻件的结构特性，本文首先就选择采用45热轧钢所选定的毛坯具体参数如下：锻件毛坯截面积： S坯 = （1.02～1.05）S均=1.031841600=1841680mm锻件毛坯截面尺寸： A坯 =60mm 锻件毛坯长度： L坯 =V坯/ S坯=1841680/23021.53=80mm2.4锻造设备的选定锻造设备的选择根据是锻件的材料、尺寸、质量，同时还要适当的考虑车间现有设备条件若设备的吨位太小，锻件内部锻不透，生产效率低，反则造成设备和施加动力的浪费，而且操作不便不安全，一般按经验类比法或者是查表法来计算的2.4.1经验类比法锻锤吨位可按经验公式计算：镦粗时的吨位G=（0.002-0.003)KS(kg)2.4.2查表法像对于普通低合金钢、低碳钢、中碳钢的自由锻可查表选定锻锤的吨位综上所述，根据查表法选择镦锤的吨位时16000KN。

2.5锻造工序的选择其加工流程如下：下料→加热→拔长→滚挤→预锻→终锻→热切边→磨毛刺→热处理→清除氧化皮→检查锻件质量具体锻造工艺流程如表2-1所示长安汽车万向节叉锻造工艺设计材料代号45GB－T699-1999工序号工序和工步工序（工步内容）与要求设备名称工具名称1下料冷剪切按“锻件毛坯小料手册”250t剪床切刀、卡尺2加热按“锻件毛坯加热守则”炉温1250C，料温1200C加热炉3拔长3t模锻锤4滚挤3t模锻锤5预锻3t模锻锤6终锻自检：表面缺陷、厚度尺寸、错差3t模锻锤7热切边切边温度500~1250C1.6t压力机切边模8磨毛刺要求残留毛边不大于1mm砂轮机砂轮片9热处理对模槽进行淬火、回火处理热处理炉10清除氧化皮11检查锻件质量表面缺陷 尺寸200、100、16、61.8 错差 残留毛边 重量卡尺、500台称表2-1长安汽车万向节叉锻造工艺卡对于锻模来说，其种类有很多，单纯按照模膛数量分为单模膛模和多模膛模；按照锻件的成形过程机理可分成闭式锻模及开式锻模；按照锻件的加工工序又可分为制坯模、预锻模、终锻模、弯曲模等按锻件制造方式可分为团体模和组合模；大多数公司中依照锻造设备来区别锻模种类，可分为胎模、锤锻模、机锻模、平锻模、辊锻模等。

各种各样的模锻件满足了机械行业非标准零件的需求，相应配套的模锻件是完全处于凸凹模间进行锻压成型得到的通过翻阅相关书籍、查阅相关互联网资料，定义本设计的锻件为普通锻件，并且归类于柱形锻件同时，万向节叉锻件一般是小规模同尺度批量生产，便于机械流程化、工艺流程化及自动生产化，本设计采取了开式单型槽热模锻，而且选用热锻模曲柄压力机进行模锻通过上述图纸分析及工艺流程的确定，我们可以进一步对其进行模具锻模设计及后续CAE分析并且可以进行图纸设计3. 长安汽车万向节叉锻件与锻模设计3.1锻件锻模总体设计方案的确定了解了零件的属性及材料，我们现在可以选择合适的锻模方式设计该锻件的模具，锻模设计的步骤如下：1) 用三维设计软件SolidWorks，根据所给二维图纸的尺寸要求相应画出终锻件模型，倒好规定位置的圆角，同时最重要的是注意选择合适的拔模斜度，使其顺利出模2) 根据锻件的精度、形状及工厂的实际生产条件确定好模具分型面、分型线及加工余量公差，借助于软件的评估功能，查看锻件体积V0和锻件质量m0，再查阅相关资料制定较为完善的锻造参数，如分型面周边长度L0等参数3) 开始分模，插入切削分割，进而使模具生成型心和型腔块（又称凸模凹模）。

根据之前生成的三个曲面实体： 一个型心曲面实体、一个型腔曲面实体、以及一个分型面实体运用切削分割命令生成锻件的模具及相同零件的多个实例，但本设计要求一模具一产品，因此生成了一个实例4) 查阅锻造设计手册，考虑飞边槽充满参数、锻压力吨位、锻件质量设计终锻模膛，着重设计飞边槽及钳口5) 原材料规格按照制坯模膛的要求给出，下料毛坯形状大小依据坯料总体积和加热中的消耗及工艺余块，料夹头等方面确定6) 本设计中的万向节叉其结构不复杂，为了节约工时，因此只需在锻模型槽中一次锻压成形即可，即不考虑预锻制坯工序，只要求终锻这一工步即可7) 将锻件导入Workbench 15.0进行分析锻件的温度场模拟，分析在不同的锻造温度下及环境外界温度下，锻件的温度场的分布情况，以及锻件的应力分布情况，进而用SolidWorks完善锻模装配总图8) 绘制出二维CAD图纸，制定相应的说明书3.2锻件及其锻模的设计3.1.1确定锻件的分型面及分型线终锻件在凸凹模间的型槽中挤压成型，且凸凹模具的接触面（又称成型面）将其称为分型面（分模面）分型面与终锻件的交线称为分型线分模的关键就是要首先确定此锻件的分型面及分型线，确定好后才可以进行下一步，这是最为基础的一步，且必须准确无误判断出相应位置。

分型面的制定原则根据脱模过程是否容易脱模、成型面是否完好、平衡侧的压力情况、承受力的一面受压情况及强度、尽量简化锻造工艺等条件进行确定[8]同样分型线也有其自身的确定规则，分型线尽量平直并且与分型面尽可能在一个平面内在折分型线确定时，用两个或两个以上不同平面的分型面与锻件相交形成的分型线作为折分型线，将同时含直线及曲线的分型线称为弯曲分型线 更为重要的是判断分型线是否合适时，需要考虑锻件的脱膜过程、制造成本及后续毛坯料利用率等方面考量选择合适的分型线的同时，还应满足其分型线有利于锻件外形美观，即流线型外观较好，对于高度较高的锻件，应选择尽量靠近中间部位，这样能够保证锻件不发生错模现象此外还应该考虑锻件的非加工面，对于加工面应该尽量减少孔洞及槽的机加工余量[9]锻件分模线适合与否，关系到锻件质量、锻造操作、模具制造和材料利用率等一系列问题为了进一步提高锻件质量、保持生产过程的稳定性和取得最低的成本，在满足上述分模原则的基础上，对开式模锻确定分模线位置时还应考虑以下几个因素的影响：（1）在锻件的高度方向上选择分模位置时，应尽可能选取中间位置，这样能确保锻件自由出模，对金属冲填型槽也有益，同时还便于发现错模现象；（2）有利于锻件获得理想的流线方向；（3）对盘类锻件（ H≤ D ） ，应取径向分模，而不宜取轴向分模；（4）应有利于锻出零件的非加工表面，对加工表面也应尽可能削减锻件凹槽和孔等的机械加工余量；根据本论文所涉及的锻件来说，综合上述分型理论及其锻件形状独特性制定的分型面及分型线如图3-1、图3-2所示：图3-1 长安汽车万向节叉终锻件分型面弯曲分模线 图3-2 长安汽车万向节叉终锻件分型线3.1.2 制定锻件的机加工余量及公差 锻件在终锻过程中会因温度高下成型使其自身表面氧化、粗糙不平，因此在需要锻造后机加工的部位一定要流出足够的加工余量，这对于连接件的后续应用极为重要[10]。

当然加工余量主要由机加工设备的加工精度及锻件质量等属性确定为了得到零件的质量属性，需要首先定义其材质，定义好后，再在SolidWorks软件中在建模模块中点击质量属性按键，使软件自动估算锻件质量，得到该万向节叉的质量属性如图3-3所示图3-3 锻件质量属性依照工厂的实际加工条件及锻件的用途，进行半精密级（用于普通模锻或半精锻工艺锻压）锻造，制定主要工作表面粗糙度为Ra=6.3um确定该零件的精度属于一般级锻造过程锻件会因根据锻造温度或模具损耗量产生误差，故要考虑锻造的工艺及加热方法等因素选择该锻件类属于低碳低合金含量钢的45热轧钢外轮廓包容体质量为1千克则按照锻件形状复杂系数S是锻件质量Mf与对应的锻件外廓包容体质量MN之比，即：S=Mf / MN=0.76（其中Mf为3.8kg，MN为5kg ），计算锻件的形状复杂系数S 根据S值的大小，锻件形状复杂系数分为4级：S1级（简单）： 0.63

经过求差值来计算确定锻件的尺寸公差和形状公差的锻件万向节叉对于其外形尺寸的要求极为严格，因为外形尺寸直接影响到外径和连接件的配合要求，外形尺寸过大与过小都能导致连接轴连接后致使轴不同心因此根据工厂的实际需要及设计时考虑的加工因素，我在设计万向节叉的外围外型圆柱周长最大极限尺寸为200.5mm、最小的极限尺寸为200mm，最大与最小极限尺寸的差值0.5mm来作为该锻件的最外形公差图3-4 公差示意图3.1.3 锻模生成及凸凹模分割 本论文所设计的万向节叉锻件因其外围大体为对称的圆柱图形，为了方便设计凸凹锻模，在Solid Works软件中以上一步为基础选用模具的切削分割命令对零件锻件进行分模处理，得到如图3-5所示的凸凹模易看出，成对称分布关系，同时为了考虑出模方便即锻件容易从模膛中脱膜，为此考虑了锻件与模膛接触的地方必须有适当的拔模斜度（业内称为出模斜度），对于拔模斜度的要求要根据实际出模需要以及工厂的实际锻造要求制定，斜度不能过大，过大使其脱膜极易导致无法锻造出合适的形状，如果过小使其在脱模时脱模极难，导致零件外表及内部接触部分摩擦受损，因此对于拔模斜度的制定在锻模设计的整个过程中显得尤为重要。

锻件在冷却收缩时离有离开模具侧壁的趋势，应考虑外模锻斜度用α表示，按照锻件的自身高度H和自身宽度B或通过外形轮廓长度L与自身宽度的比值即H/B、L/B确定拔模斜度同时，内模锻拔模斜度β一般比外模锻斜度α值加大2或3，具体的取值还需根据工厂实际工艺需求及工人经验制定图3-5 凸凹锻模图通过SolidWorks软件设计了三维设计锻件的凸凹锻模后，通过“从零件/装配体制作工程图”命令将三维图转化为二维图而锻模的总装图则在万向节叉锻件分模完成后在装配体中调入零件模具方向导柱及配套导套、底板、上顶板等零件，投影好相关的视图后最后将文件保存至Dwg格式如图2-7所示，用CAD打开进行编辑如图3-6，图3-7，图3-8所示，在CAD软件中对所导入的图纸进行基本外轮廓尺寸标注，并且标注好形位公差、尺寸公差，确保车间加工时能达到好的公差要求，当然考虑到外协工厂的实际加工设备，CAD图中标注的实际公差范围尽量要求低一些，因为该工厂的设备能力有限，且工艺流程不是很完善图3-6 SolidWorks转换二维图图3-7 上镶模块CAD二维图 图3-8 下镶模块CAD二维图3.2锻造模具设计图锻造模具设计图如图3-9所示。

图3-9 模具设计三维图3.3 锻模飞边槽的设计终锻模作为锤上模锻锻模中的重要组成部分，其必须要设计在终锻型槽周围在实际锻件锻造中，它能够增加液体金属在模膛里面的流通阻力，并且包含余下的金属，使其充满模膛当然飞边槽的尺寸和设计方案直接影响到锻件的成型特征及质量，因此飞边槽在整个锻模设计中尤为重要[11]查阅相关资料得知在终锻模设计中，模锻的飞边槽基本上机械行业内基本上有下面如图3-10所示的三种形式：图3-10 飞边槽三种设计方式图3-11 二维CAD图中的飞边槽设计（如上图中的箭头所示）接下来再根据万向节叉的形状大致沿轴线对称，并且考虑到万向节叉锻件在锻造时，流体阻力对类似圆柱形状的零件在成型时的作用力比较小，而飞边槽的作用是包含尽可能多的金属，因此此锻件锻造时采用的飞边槽设计，选用第二种方案设计二维图如图3-11所示飞边槽有其自身的尺寸衡量标准，对于其槽高度H、入口圆角半径R、槽宽B的选用规则如下表3-1所示，它们之间的关系是：当B变小，H增大时，则在流动阻力（水平方向）会减小，同时减小了锻模的磨损量[12]并且本设计所用的锻造设备吨位是1.6万千牛，但在实际的应用中还需考虑众多影响因素比如环境、加热温度的影响，选用时要根据情况适当扩大或减小飞边槽的个别尺寸。

总体根据锻压机的吨位（kN）结合下表中的数据选用H=2.1mm，B=6mm，H1=6mm，R=20mm R1=1.8mm表3-1飞边槽尺寸锻压机吨位（kN）H/mmB/mmH1/mmR/mmR1/mm～6 30010 00016 00020 00025 00031 500～40 0001.0～1.51.5～2.02.0～2.52.5～3.02.5～3.03.5～4.04～54～65～6666～85666～86～881515202020250.5～1.01.0～1.51.5～2.02.0～3.03.03.5～4.0加飞边槽的图3.4 模架总体设计 锻造过程中锤锻过程要求速度低且平稳，所以锻模不需要或少量受到冲击，为了减轻本方案的设计难度，尽量不考虑锻模的打击面本文设计的锻件结构简单，又是旋转结构，采用了单工位矩形镶块紧固结构，此种模架结构简单，通过T形螺栓及压板可以方便的调整镶块模架是组合结构，设置有下顶出机构并两侧设置有导向柱及配套的导套，起导向作用，进行上下分模导向，一次出一个锻件产品，紧固压板是为了更好地固定下模座，据此选用了单腔锻模详细的整体框架如图3-12所示: 1—上模座，2—上垫板，3—上模镶块，4—下模镶块，5—下模座，6—下垫板，7—导向装置,8—紧固压板图3-12 模具框架总体结构图图3-13 模具总体结构的二维CAD图3.5镶块设计 镶块在整个模具设计中也尤为重要，它直接通过与锻件接触直接影响了锻件的形状及成型质量。

有镶块存在的地方就必然会涉及到镶块贴合面，而模具约复杂镶块的贴合面越多，配合精度越高，其加工越不易其外形尺寸与模腔的尺寸及模架闭合高度有关在设计时，应考虑镶块底部厚度h必须大于0.6～0.65倍模架的闭合高度H考虑了镶块在实际锻件成型中的关键作用及承力的大小，应该校核它的受力面使其压力机的公称压力P小于1KMPa通过计算：p = P / S≈ 200 MPa 〈 1000 MPaP —施加锻造压力值16000（kN）S —镶块实际承压面积80（mm2）明显看出镶块的设计是合理的4 万向节叉有限元分析 为了适应工业发展，ANSYS公司每隔一段时间会推出ANSYS经典版(Mechanical APDL)及其配套的可视化并方便操作的Workbench软件[13]在不断地优化升级过程中，软件的功能也逐渐强大，此软件占据了国内工业CAE分析的半壁江山，很好地解决了各企业的实际对于不同产品不同方案的模拟分析本论文设计的万向节叉协同热应力分析便采用了较为成熟的Workbench15.0版本为了清楚看到锻件在实际锻造过程中因不同温度而对锻件不同位置的温度分布影响，并且直观地展现其相应的应力分布范围，对此进行了有限元热应力分析[14]。

有限元分析的操作流程大体分为：1、 通过使用三维设计软件或Workbench软件进行万向节叉三维模型设计2、 确定模型的材质，并在Workbench前置处理器，进行材质属性配置，要着重注意材料的热属性及弹性模量及相关的参数3、通过相应的计算或查阅有关书籍，然后确定网格划分方案，最后进行网格划分4、在Workbench软件中使用Steady-State Thermal进行热力学设置，涉及到外界温度、施加温度、冷却速率等参数设置，参数设置好后进行温度场分析5、将Steady-State Thermal分析结果导入Static Structral模块的Setup进行热应力分布分析6、导出Static Structral体系中Results结果进行查看分析4.1不同温度下45钢的性能变化在不同温度下碳钢45的导热系数是不同的0摄氏度： 52.34100摄氏度： 48.85200摄氏度： 44.19300摄氏度： 41.87400摄氏度： 34.89 单位都是：KW/(m.℃)千瓦每米.摄氏度 如图3-1所示，首先设置碳钢的终锻温度约在铁一碳平衡图A，线以上25～75℃。

中碳钢的终锻温度位于奥氏体单相区，组织均匀，塑性良好，完全满足终锻要求低碳钢的终锻温度虽处在奥氏体和铁素体的双相区，但因两者的塑性均较好，一般不会给锻造带来困难高碳钢的终锻温度是处于奥氏体和渗碳体的双相区，在此温度区间锻造时，可借助塑性变形，将析出的渗碳体破裂呈弥散状，而在高于Acm线的温度下终锻将会使锻后沿晶界析出网状渗碳体图4-1 碳钢材料温度平衡图4.2有限元分析前置参数设置进入Workbench软件中先建立总体逻辑体系如图3-2所示，保证分析的时整体完整性正确接连关系映射线，保证上一步结果对应着下一步的设置，并且保证两步的模型及材料属性共享图5-2 前置逻辑体系建立在体系页面中单击Geometry模块，进入MD系统将用Solidworks软件已经建模完成的锻件三维图导入至Geometry模块中并生成模型在Engineering Data模块中对其材料进行定义设置，如图3-3所示图4-3模型材料参数设置用Workbench的mesh模块对导入的锻件进行网格划分，根据其形状采用三角面网格划分形式并且采用patch conforming算法，同时为了简化流程采用自动划分网格因为锻件基本为封闭模型且精度要求较高，但不应该忽略诸如倒角，小孔等一些小细节，对此采用了patch conforming算法，如图3-4所示，并且设置网格的最大边长为2mm，在保证电脑性能及分析运行时间的基础上尽可能细分网格，这样会提高分析结果的准确性。

网格划分完成后的模型如图3-5所示最后设置锻件在不同环境温度下的温度属性如图3-6所示，是锻件在冷却水为10度时的锻件模型，如图3-7所示，是锻件在空气温度为22度时的锻件模型[15]图4-4 网格划分设置图4-5 网格划分后模型接下来确定流体对流：图4-6 冷却水为10度时的锻件模型图4-7空气温度为22度时的锻件模型4.3锻件温度场及应力分布分析求解热应力先理解其概念，非刚形体受外力冲击载荷或者受外界变化影响会或多或少因其塑性变形或引起应力应变的变化确定对应的温度场，尤其确定好依规定时间变化范围内的随时间变化的温度分布及引起的非定常应力分布热应力的求解过程：①先由热传导方程和边界条件（求非定常温度场还须初始条件）求出温度分布；②再由热弹性力学方程求出位移和应力 锻造过程中，加热后的液体金属流动性高，相应的对锻件材质的各性能比如说热稳定性、高温强度、耐热疲劳性等要求就较高，不可金属的材质属性、截面温差、热处理等参数都能直接或间接影响热应力的大小及分布，尤其对于是终锻件材料的横截尺寸、轮廓尺寸，厚度都能直接影响热应力[16] 完成锻件有限元网格划分及相应环境温度及热锻温度的设置，接下来选择合适的求解器进行分析求解，获得不同温度下的锻件热应力分布。

热应力的大小与金属的性质、截面温差有关，而截面温差取决于金属的导温性、截面尺寸和加热速率，若金属导温性差、截面尺寸大、加热速率快，则温差大，热应力也大；反之，热应力就小要明白，钢料在室温至500℃-550℃范围内的弹性状态时，开裂大概最大模拟万向节叉锻件在不同温度下的温度场模拟，分析不同锻造温度以及不同环境外界温度下锻件的温度场分布情况如图3-8所示，以及锻件的应力分布情况[17]在Steady-State Thermal体系中的Setup模块中设置外界温度参数及相应的锻件800至900度锻造温度，并且设置好不同温度下的冷却速率及对流系数 800℃ 900℃1000℃图4-8 锻件的温度场及应力分布通过温度场云图分析结果看以看出，该锻件的最小温度值出现在其侧壁上，最高温度值出现在挂耳处，且该温度场关于YZ平面对称通过热应力计算结果分析易看出万向节叉锻件的应力大小及分布范围总体在理想范围内5.锻前加热、锻后冷却及热处理要求的确定5.1确定加热方式，及锻造温度范围本文前面已经确定了制造终锻模的总体方案并且对锻件进行了对应的有限元分析，得出了锻件在不同温度下的热应力表现及温度场分布。

锻造件在正式机加工之前都需要进行热处理，以便利于机加工时切削，同时也是细化晶格消除内应力以延长锻件的使用寿命下面将针对万向节叉锻件进行热处理要求设计在整个锻造的过程当中，锻造毛坯料热处理的目的是在锻造时减小变形量、提高金属塑性使液体金属能更好的在模腔内流动成型，以使终锻后的锻件得到良好的金属力学性能金属毛坯件的可以通过通电加热或者燃料办连续加热炉加热，本论文设计的锻件是采用半连续加热炉加热为了保证金属在理论的锻造温度范围里获得更好的力学性能，查阅了相关热处理资料，热轧钢45#钢是碳钢且属于含碳量在0.42%—0.50%之间的中碳钢，根据图4-1可知设计选用锻件的初始锻造温度为1050℃，终锻温度为850℃图5-1 常见金属材质锻造温度5.2 加热时间及冷却方式的确定这里所指的加热时间是自毛坯进入加热炉内加热时到从加热炉取出的整个过程所消耗的时间，它包含整个过程的升温和保温两个过程 加热时间是坯料装炉后从最先加热到出炉所需的时间，包括加热整个阶段的升温时间和保温时间加热时间可以按照计算，其中D表示毛坯的直径（cm），表示45钢的金属化学影响系数，一般取值为0.11（h/cm） 模具热疲劳会导致疲劳失效，这种失效现象尤其体现在凸凹模成型面上，甚至会顺着裂纹逐渐扩大，模具经过反复的受热受冷刺激后其内部多少会有些疲劳变形。

为了尽量避免模具生产后的疲劳破坏等问题，这里需要必须保证其热处理工艺，好比在压铸之前模具本身务必要进行充分的高温加热，并尽量做到保持一定的高温；根据实际生产需要，常规的冷却的方式有气冷、水冷、炉内冷却等方式，其中炉内冷却因隔绝空气使其冷却速度最慢，这里我们选择常规的在空气中冷却总结 本论文以长安汽车万向节叉锻件为例，详尽的阐述了锻件终锻锻造的工艺流程、锻造模具设计、模具毛坯选取以及锻件有限元温度场应力分析更好地把机械设计学科知识相融合，更肯定了模具行业CAE方向的广阔前景作为大学生的我们，理应当跟随时代的脚步，不断接触机械行业的创新知识，传统行业的机械加工需要当今社会高科技设备的辅助，更是离不开计算机三维设计及虚拟样机仿真的功劳与其说是时代的进步，不如说是机械行业工程师们的不断创新挖掘，想到这里，我由衷对我过机械行业现代化进步如此极快感到欣慰，我过尚处在高速发展阶段，我相信在不断的将来，一定会超越世界上先进国家的制造水平，毕竟我们也在不断创新进步在本文设计过程中使用了当今机械行业广泛应用的三维设计软件和CAE辅助分析软件，更好地结合模具行业实际需求，完成本论文的创作 本毕业设计历时近5个月的时间，伴随着指导老师的指导才使我的论文达到预期的效果，虽然本文设计的锻件比较简单，但是我们可以以小见大，映射出更复杂的模型对其进行这一系列的建模、分析、出图等。

当然锻造的过程也不是很难，但是为了追求更高的精度及更好地可靠性，我们需要更努力的去考察其他工厂的锻造流程及工艺在实际的论文撰写中，我深刻地体会到了理论与实践相结合的重要性，当然了，更重要的是要注重创新的精神，用新思维考虑设计方案如今，机械行业正在蓬勃发展，更是离不开我们大学生的努力，我要学的知识还有很多，这只是冰山一角 我们要将理论付诸于实践，无论是看教学书还是听老师讲课我们都应该把理论的知识搬移到实际工作中，在工作中，我们更应该勤思考，更深入的理解所学知识本文在撰写的过程中遇到了不少的技术难题，但我们应该积极地去面对，而不是逃避，找出问题所在，逐个攻破，问题迎刃而解致谢本次毕业设计能够顺利的结题，离不开老师同学们的帮助，并在设计过程中得到了很多同学和老师的帮助和关怀，并提出了许多宝贵的意见，使我能够在规定的时间内顺利完成毕业设计我的指导老师何斌锋老师能够在繁忙之中抽出时间来指导我，为此我深表感激之情值毕业结束之际，我真诚地向每一位在毕业设计中帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢，感谢你们的深情关怀和细心指导感谢我的指导老师在这段时间给予我的耐心指导和帮助感谢舍友及同学给予的支持和关心参考文献[1] . 黄荣学,范洪远.我国模具工业发展概述及展望[J]. 机械工程师. 2007(05)[2] . 李付国,蔡军,耿健.锻模型腔表面热负荷分析[J]. 锻压装备与制造技术. 20。