汽车半轴锻造工艺——摆辗成形设计

汽车半轴锻造工艺 摆辗成形设计说明书

系 别 机 电 工 程 系

专 业 材料成型及控制专业 班 级 材料B091班

华北科技学院机电工程学院

前 言

汽车半轴是车轮转动的直接驱动件，是传递扭矩的一个重要零件。汽车运行时，发动机输出的扭矩，经过多级变速和传动器传递给半轴，再由半轴传到车轮上，推动汽车前进或倒退。在启动或上坡时，扭矩很大，特别在紧急制动或行驶在不平坦的道路上时工作条件更为恶劣。因为半轴在工作时要承受冲击、交变弯曲疲劳荷载和扭力的作用，所以要求材料有足够的抗弯强度、抗剪强度和较好的韧性。

过去，半轴锻件均是在空气锤上采用胎模锻造，其工艺落后，锻件精度低，工件表面质量差，废品率高，工人劳动强度大，胎模易坏，易磨损，成本高，生产率低，只能中、小批量生产。显然，这种工艺已不适应用目前市场的需要。

而半轴的摆辗新工艺，因采用了由摆辗机和液压机组成的摆辗机组后效益明显。摆辗原理和工艺特点摆辗机的摆辗原埋是利用一个绕中心迅速纯辗动的圆锥形上模对毛坯端面局部加压，使毛坯逐步成形的一种加工方法。由于摆动辗压变形是局部接触顺序加压，所以其接触面积和单位压力都比较小。

本次设计，旨在引导学生接触新技术，通过汽车半轴的工艺分析、工艺方案的确定、模具总体结构的选择、摆辗成形工艺与设计计算、模具主要零件尺寸计算及绘制。通过以上这几个项目的学习，掌握锻造成形工艺与模具设计方面的基本知识和基本技能，强化学生的工程意识。

由于水平有限，以及设计时间仓促，书中难免会有不妥甚至出现错误，恳请老师及时批评指正以便调整和改正。

华北科技学院机电工程学院

目 录

一 课程设计任务书 ........................................................................................... 1 二 汽车半轴锻造工艺方案分析 ....................................................................... 2 三 摆辗工艺总体设计 ....................................................................................... 3

3.1半轴材料选择.......................................................................................... 3 3.2 半轴主要工序具体尺寸......................................................................... 3 3.3 半轴主要参数......................................................................................... 3 3.4 总体流程................................................................................................. 4 四 半轴制坯——挤压工艺 ............................................................................... 5

4.1 工艺分析................................................................................................. 5 4.2 挤压变形过程......................................................................................... 5 4.3 挤压模具简图......................................................................................... 7 五 法兰成形——摆辗工艺 ................................................................................. 8

5.1 摆辗工艺参数......................................................................................... 8

5.1.1 回转中心与压力中心.................................................................. 8 5.1.2 摆角的选择.................................................................................. 8 5.1.3 每转进给量.................................................................................. 9 5.1.4 面积接触率的计算...................................................................... 9 5.1.5 摆辗力的计算............................................................................ 10 5.1.6 分模面的选择............................................................................ 10 5.2 摆辗凸模设计....................................................................................... 11 5.3 摆辗凹模设计....................................................................................... 12 第六章 摆辗模具装配图 ................................................................................. 14 锻造设计个人总结 ............................................................................................. 15 致 谢 ............................................................................................................... 16 参考文献 ............................................................................................................. 16

一 课程设计任务书

（1）设计题目 汽车半轴锻造工艺设计

图1-1

（2）设计要求

1、尺寸不全，需要自己补充尺寸。

该图为锻件图，要求设计者自己重新确定零件尺寸，绘制零件图。 2、了解与零件相关，设计符合使用需求的零件 3、画出除标准件外的全部零件图

要求画法符合制图标准，标注完全、正确，工艺性合理，零件尺寸协调。4、课程设计说明书一份

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二 汽车半轴锻造工艺方案分析

汽车半轴属于两端局部镦粗的长轴类锻件，是汽车的轴类中承受扭矩最大的零件，半轴是差速器和驱动轮之间传递扭矩的实心轴，其内端一般通过花键与半轴齿轮连接，外端与轮毂连接，该零件在机械设备中具有传动性，故应具有足够的强度和刚度。

方案一：自由锻镦粗、拔长成型 方案二：胎膜锻造成形 方案三：摆辗成形 讨论：

1、方案一中，自由锻虽然工具简单通用性强，灵活性大，但是只适用单件和小批量锻件，同时其锻件精度低，在拔长和镦粗过程中容易产生横向或者纵向裂纹、折叠、过烧等现象，并且加工余量大，生产效率低，劳动强度大。

2、方案二中，与自由锻相比，其生产效率与材料利用率均有所提高，但是锻件精度低，工件表面质量差，废品率高，工人劳动强度大，胎模易坏，易磨损，成本高，生产率低，只能中、小批量生产。

3、方案三中，摆辗成形材料利用率高、生产效率高、锻件尺寸一致性好、变形力小、振动噪声小

摆辗机设有1 0 0 吨垂直压紧、松开液压缸机构,把半轴杆部压紧在压紧模槽和法兰成形模杆部圆槽内, 极少有金属流人杆部,杆部没有轴向滑动, 从而保证和控制了法兰的厚度和杆部的长度。

又因摆辗新工艺生产半轴杆部没有经过自由锻打拔长工序采用圆棒料局部粗、摆辗终锻成形, 可以消除旧工艺杆部在自由锻打拔长过程中产生的折叠、压痕、过烧等缺陷从而保证了半轴的质量。

综上所述，本设计采用摆辗成形方法制作汽车半轴最复杂的法兰盘部分。

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三 摆辗工艺总体设计

3.1半轴材料选择

经过查阅相关资料，汽车半轴采用通常采用45Cr GB/T 700，这种材料主要用于汽车半轴锻造件的加工与制造，汽车半轴载荷较大,有时会受到较大的冲击,这种材料比较适合作为半轴的材料。

3.2 半轴主要工序具体尺寸

经过查阅相关资料，得出汽车半轴法兰盘尺寸如下

Φ101Φ81Φ6041522°Φ50Φ141

图3-2-1

3.3 半轴主要参数

总体积=1410542mm3 总质量=11002.2276g 其材料抗拉强度 600MPa 屈服强度 355MPa 伸长率 16% 断面收缩率 40%

3

3.4总体流程

表3-4-1

总体工序一栏表

工序 材料：40Cr 说明 工序号 0 下料 规格：Φ40×1056+2−2 料重：11.4kg 设备：G72弓锯床 温度：1200℃~1230℃ 1 加热 设备：加热炉 设备：YB41-160液压机 2 第一次聚积变形 模具：挤压模具一套 加热方式： 3 加热 第一次变形不冷却接着加热 设备：YB41-160液压机 4 第二次聚积变形 模具：挤压模具一套 设备：DW99-160摆辗机 5 摆辗成形 模具：摆辗模具一套 根据零件图检验 6

检验 4

四 半轴制坯——挤压工艺

4.1 工艺分析

汽车半轴是典型的法兰盘件, 锻件头部(法兰盘)尺寸和杆部直径相差悬殊, 分别为Φ141mm 和Φ40mm, 所以温摆辗前如何获得合理的毛坯形状、尺寸成为工艺设计的关键问题。采用Φ40棒料, 对法兰盘部分聚料( 制坯), 再温摆辗法兰盘。由于这种制坯所需设备为锯床、液压机等普通设备, 故生产中常用这种工艺。

汽车半轴锻件材料为45Cr,法兰盘体积296525mm3 , 相当于杆部直40mm 、长151mm棒料的体积,高径比为3.8。当高径比> 2. 5 时，如果简单地自由徽粗, 就会失稳。现在制坯过程中采用局部约束, 一次制坯成功, 没有折叠裂纹缺陷,同时满足下一道工序温摆辗成形要求。因此采用挤压锻造方式。

4.2 挤压变形过程

挤压是将金属毛坯放入挤压模具模膛内，在强大的压力和一定的速度条件下迫使金属从模膛中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。本设计采用热挤压类正挤压方式，其毛坯变形及计算过程

(a) 原始坯料

(b) 第一次挤压

(c) 第二次挤压

图4-2-1

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（1）法兰盘毛坯计算：

表4-2-1

Φ141 Φ90Φ6044.88 Φ70Φ45 41578.3794235.967100Φ50Φ50123.979681Φ50法兰盘体积为296525mm3 第二次挤压 L=100mm D1=141mm D2=50mm

（2）半轴尾部毛坯计算

表4-2-2

坯料 第一次挤压 尺寸如上图 L=235.967mm D=40mm 尺寸如上图 234.375 半轴尾部体积为：294524.3112mm3 L=150mm D=50mm

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坯料 L=234.375mm D=40mm

挤压模具简图

图4-3-1 半轴挤压制坯模具

1-垫板 2-固定板 3-冲头 4-模芯 5-拉板 6-模套 7-拉杆 8-半边模 9-夹具体 10-工作台

7

4.3

五 法兰成形——摆辗工艺

本设计采用卧式摆辗机，设计卧式摆辗模具。模具由三部分造成，即摆辗凸模、活动凸模、固定凸模三部分。具体设计过程如下：

5.1 摆辗工艺参数

5.1.1回转中心与压力中心

（1）回转中心

摆头模具的顶点应位于机器的回转中心上。以此为依据，在顶点水平面内的锥模母线上的尺寸与锻件图的尺寸一致。

（2）压力中心

与常规锻压设备的冷挤压成形等工艺不同，摆动辗压成形时是偏心受裁，其压力中心大体为从圆周上沿直径方向向内1⁄3R处。

本次设计回转中心与压力中心如所示

摆辗凸模回转中心点摆角943°锻件压力中心环

5.1.2 摆角的选择

摆角是摆头模具的轴线与主轴线倾斜的角度。摆角越小，金属垂直流动越大，径向流动越小，摆辗力和偏心力矩小，但同样的变形量摆辗次数增多。所以，冷辗时，取 =1~2°；热辗时，取 =3~5°。铆接时，为加快金属的径向流动， 角常取4~5°

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图5-1-1

本次设计使用热辗，摆角采用3°。如图图5-1-1所示 5.1.3 每转进给量

当辗压力较小，即s较小时，就容易产生上蘑菇效应，使锻件锻不透，影响锻件质量。一般最小的s值按下式计算：

H2smintan4R式中smin每转最小进给量（mm）；H辗压后工件的高度（mm）；R辗压后工件的半径（mm）；

摆角（）。则本设计中，Smin=

1924×70.5

×tan3°=1.6 mm/r

5.1.4 面积接触率的计算

面积接触率是摆辗模具与毛坯接触面积Ac与毛坯表面积A的比值。本设计中，λ的计算公式均基于圆锥与圆柱平面压下相交求出的。根据波兰马尔辛尼克教授给出的公式：

0.45式中：s2Rtan面积接触率；R工件的半径（mm）；s每转工件进给量（mm/r）；

摆角（）。所以：0.450.16=0.2094

270.5tan3o9

5.1.5 摆辗力的计算 摆辗时所需的变形力F为：

FAcp10式中：3F摆辗力（kN）；Ac接触面积（mm2），AcR2；p平均单位压力（Mpa）。p值可按经验公式计算如下：pKsK系数，对于自由镦粗K1.5~1.7；局部镦粗K1.6~1.9；模膛内成形K2.0~2.(本设计取1.8)σs 为摆辗成形时材料的屈服应力。

所以：

(本设计热辗的温度为800℃， ,45Cr的σs=110MPa)

F=0.2094×π×70.52×1.8×110×106×10−3=206KN。

所以：取DW99-160卧式摆辗机。 5.1.6 分模面的选择

分模面的选择基本原则是保证锻件从模膛中取出的前提下，兼顾金属易于充满模膛，制造加工简单。同时，本设计采用闭式模，分模面要求选在锻件最大轮廓尺寸靠近凸模的一面，以便于在开模时锻件不会固着在摆辗凸模上。

以此，分模面A-A选取如下

A┏

A┛

图5-1-2

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5.2 摆辗凸模设计

摆辗凸模圆锥台面直径计算公式：DMN=DDNcosγ±2Hdnsinγ 摆辗凸模斜度与锻件斜度关系: βimn=βodn+γ βomn=βimn−γ 所以，凸模设计如表5-2-1所示，实体图如图5-2-1所示

Φ18020①②70Φ124Φ146.80252590°Φ100.8643Φ80.47Φ59.9252°零件图尺寸 Φ141 Φ101 Φ81 Φ60 4 凸模相应尺寸 Φ142.80 Φ100.86 Φ80.47 Φ59.92 4 Φ124 25 ③ 备注：1.为提高易损区强度和硬度，采用镶块组合结构，①处材料为:3Cr2W8 ②处材料为5CrNiMo 2.③处考虑热辗膨胀系数，取大值。 3.该凸模为圆柱型凸模 11

图5-2-1摆辗凸模实体剖视图

5.3 摆辗凹模设计

（1）设计要点

A、形状和尺寸 固定凸模和活动凸模模膛尺寸和形状按照锻件图相应尺寸和形状设计。

B、凸、凹模间隙 采用闭式辗压模时，摆辗凸模进入固定凹模中，两者间隙必须适当，间隙过大，则纵向毛刺增厚，不易去除；反之，由于模具热胀又容易卡住。本设计间隙选取0.5mm。

C、凸、凹模配合锥度 圆柱形凸模与固定凹模的配合锥度为摆角，即3° （2）固定凸模设计

根据结合设计要点，固定凸模尺寸如下图5-3-1，实体如图5-3-2

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3°50Φ147.482001581Φ200图5-3-1

图5-3-2

3）活动凹模设计

活动凹模尺寸如固定凹模。

（

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第六章 摆辗模具装配图及其工艺卡片

6.1 摆辗模装配图

图6-1 摆辗模具装配图

1-摆头 2-压紧圈 3-凸模外镶块 4-活动凹模 5-凸模内镶块 6-固定凹模 7-半轴锻件

摆辗模具实体图

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锻造设计个人总结

程设计，是徘徊于理论与实践之间的一段旅程，是回望在课堂与课下之间的一丝脆铃，是升华间不懂与朦胧之间的一抹阳光。通过这次课程设计，纸张上文字不再艰涩难懂，一个个的文字拼凑起来的丰满的线条，布满在金属块的表面，再配上喜悦的心情，冲出一个又一个瓶起子，旅途的风景再多么地糟糕，心情还是愉悦的。通过这次课程设计，想到了上课时一次有一次问过老师的问题今天不再是浮云，想到了课本上许许多多未曾出现的新知识，今天我却发现了，想到了今天能够和同学坐在一起翻着同样的书、讨论着千奇百态的问题，那未来又算得了什么。我不敢确定我的能力提高了多少，但我能确定的是我比以前懂得了不少。我不知道我还有多少专业知识不够了解甚至不曾了解，但我知道我今天每一点的努力都是靠近知识尽头的一步。不足两个礼拜，或许时间不多，却足足能够抵掉慵懒的一个学期。综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识，巩固与扩充了模具制造等课程所学的内容，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用，突出自己劳动成果的喜悦心情。等等这些益处，不再是空话。

通过几2周的模具课程设计，即使掌握新工艺摆辗成形模具设计的方法与步骤及制造，即使懂得了计算、绘图、查阅设计资料和手册，即使熟悉模具零件标准和设计规范，所有的这些只不过是提高自身的设计能力一节片段，认识自我所学的知识在实际中的应用还是一段遥远的路途，不过对模具产品设计有了一定的了解，在大脑里形成了一种无形的概念，将会为以后的道路上铺垫一定的基石，也会为将来的打拼带来些许的便利。通过这次实践，培养了我们的理论应用能力，将我们所学的课程有机地结合起来，巩固所学的专业知识，从而真正掌握计算机辅助模具设计制造。突出了自己的长处，也发现自己的不足，使我在以后的学习和实践中扬长避短。总之，收益颇丰！

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致 谢

在每次收获的时候，享受着丰收的喜悦，必然忘不了一直以来指导我的由伟老师及帮助我的朋友，必然忘不了曾经遇到过许许多多的难题，是老师您为我一一解决，是我那身边的朋友为我翻书找资料。在此，本人诚挚地感谢。感谢由老师，感谢我的朋友。经过这次课设，我诚然知道我的知识水平多么地有限，实践经验多么地缺乏，书中难免有不足之处，希望老师对我进行指导，我也会在今后的学习中不断的完善和创新。

参考文献

[1]崔令江，韩飞主编.塑性加工工艺学. 北京：机械工业出版社，2007.09. [2] 吕炎，张志文.锻造工艺学. 北京：机械工业出版社，1995.

[3]王树勋，苏树珊主编.模具实用技术设计综合手册（第二版）.广州：华南理工大学出版社，2003.06.

[4]谢懿主编.实用锻压技术手册.北京：机械工业出版社，2003.05. [5]程巨强，刘志学.金属锻造加工基础.北京：化学工业出版社，2012.02. [6]马修金，肖伯涛，齐卫东.锻造工艺与模具设计.北京：北京理工大学出版社，2007.09.

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