汽车发动机曲轴终锻模的设计及仿真毕业设计论文.doc

西安广播电视大学毕业设计
西安广播电视大学

毕业设计论文

题目：汽车发动机曲轴终锻模的设计及仿真

专 业：11春机械制造及其自动化
时 间：2013年05月

摘要
在科技突飞猛进的21世纪，越来越多的先进制造方法应用于传统加工工艺中，为机械领域的发展提供了新的方向。本文主要阐述了锻造模具的数控加工及其发展趋势，并简单介绍了锻造的生产过程以及发展方向。本文重点介绍了汽车发动机曲轴终锻模具的设计制造方法，以及各种软件在曲轴终锻模具设计和加工中的应用。首先利用CATIA软件对曲轴零件、锻件、锻造模块等进行实体建模，然后利用UG软件对模具型腔进行数控加工仿真，最后在AUTOCAD软件中生成曲轴二维零件图，锻件图，模块图和装配图。而对曲轴模腔的实体建模过程以及模腔的数控加工仿真过程做出的重点叙述，说明了CAD/CAM在现代制造业中的应用。

关键词：发动机曲轴 终锻模 数控加工仿真

Abstract
In the 21st century of the technological advances, more and more advanced manufacturing methods used in traditional processing technology for the development of machinery provides a new direction. This article focuses on the forging die machining and trends, and briefly describes the forging of the production process and development. This article focuses on the automobile engine crankshaft forging die design and manufacture of the final approach, and a variety of software end of the crankshaft forging die design and processing of the application. Firstly, forging and CATIA software modeling module, and then the mold cavity using UG software for NC machining simulation, the last in the AUTOCAD software to generate two-dimensional parts and assembly drawings and so on. While the crankshaft bore cavity mold and mold the physical modeling simulation process chamber processing time and space to make the focus of narration, description of the CAD / CAM application in modern manufacturing.

Keywords: Engine Crankshaft; Finish forging die; NC machining simulation
朗读显示对应的拉丁字符的拼音字

35
目录
摘要 I
Abstract II
目录 I
第1章 绪论 1
1.1概述 1
1.2国内外曲轴加工技术的现状及发展 1
1.2.1国内外曲轴加工技术的现状 1
1.2.2 国内外曲轴加工技术展望 3
1.3 本课题研究的目的意义 4
第2章 曲轴设计 5
2.1曲轴的工作条件和材料的选择 5
2.1.1曲轴的工作条件和设计要求 5
2.1.2 曲轴的材料 6
2.1.3 曲轴强化的方法 6
2.2曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计 6
2.2.1主要尺寸的确定 7
1.2.2 曲轴两端设计 8
第3章 曲轴终锻模设计 10
3.1 制定锻件图 10
3.2 计算锻件的主要参数 11
3.2.1设备选定 11
3.2.2终锻模膛设计 12
3.3 曲轴的实体建模 13
3.3.1 曲轴的锻件实体建模 13
3.3.2 曲轴模块实体建模 15
3.4 模具装配所需的其它零件的结构设计和实体建模 15
3.4.1上模架 15
3.4.2下模架 17
3.4.3垫板 18
3.4.4前压板 19
3.4.5后挡板 20
3.4.6导向装置 20
3.4.7顶杆 23
3.5 实体建模装配 24
第4章 曲轴模膛数控加工仿真 25
4.1终锻模模膛数控加工 25
4.2生成G代码及刀具路径后处理 28
结论 32
参考文献 33
致谢 34

第1章 绪论
1.1概述
曲轴，引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。它是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈，（还有其它）。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的润滑主要是指与摇臂间轴瓦的润滑和两头固定点的润滑。曲轴的旋转是发动机的动力源，也是整个机械系统的源动力。
1.2国内外曲轴加工技术的现状及发展
摘要：曲轴是内燃机发动机中的关键零件之一，其是内燃机中最难加工的工件之一。介绍了国内外的曲轴在生产制造环节中的强化工艺和机械加工技术现状，先进的生产设备，并对未来制造技术的发展提出了展望。
关键词：曲轴、加工技术、强化工艺、机械加工。
引言：曲轴是内燃发动机中的关键零件之一，也是内燃机中最难加工的工件之一。曲轴在发动机中是将活塞连杆的往复运动变为旋转运动，其在工作过程中会不断承受很大的弯曲应力和扭转应力，且受力情况异常复杂。所以对曲轴的抗拉强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性以及冲击韧性等都提出了更高的要求。曲轴的主要失效形式是轴颈磨损和疲劳断裂，因此对曲轴在生产制造环节强化工艺技术和机械加工技术同样都有着更高的要求。
1.2.1国内外曲轴加工技术的现状
目前车用发动机曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁曲轴成本只有调质钢曲轴成本的1/3左右，且球墨铸铁的切削性能良好，可获得较理想的结构形状，并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计数据显示，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在美国为90%，英国为85%，日本为60%，此外，德国、比利时等国家也已经大批量采用。国内采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显，中小型功率柴油机曲轴85%以上采用球墨铸铁，而功率在160kW以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。
⑴ 曲轴的强化工艺技术
目前国内外曲轴常见的强化工艺大致有如下几种：
氮化处理。氮化能提高曲轴疲劳强度的20%～60%。
喷丸处理。曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度20%～40%。
圆角与轴颈同时感应淬火处理。该强化方式应用于球墨铸铁曲轴时，能提高疲劳强度20%，而应用于碳素结构钢曲轴时，则能提高l00%以上。
圆角滚压处理球。墨铸铁曲轴经圆角该压后寿命可提高120%～300%，碳素结构钢曲轴经圆角液压后寿命可提高70%～150%。曲轴圆角滚压强化工艺主要包括曲轴圆角滚压和曲轴滚压校正两部分。在滚压过程中，由伺服传动系统控制曲轴旋转的转速和旋转角度，同时由液压伺服控制系统控制液压过程的压力负载，使每个主轴颈和连杆颈依次完成整个滚压过程。对弯曲曲轴的校直处理首先要检测曲轴的弯曲变形数据即弯曲度的大小和相位方向，然后用摆差传感器检测各主轴颈处的摆差，继而由专家系统数据库对摆差数据进行分析处理并给出校直方案，即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施压方案，从而利用此施压方案重新按压产生新的变形来消除曲轴的弯曲。国外应用的圆角滚压技术已相当先进，可一次完成对所有圆角的滚压，且可做到主轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同，同一连杆轴颈圆角在不同方向上的压力也可不同。这样可经济地达到最佳的滚压效果，最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。经德国赫根塞特（HEGENSCHEID）公司定，球膜铸铁曲轴经滚压后寿命可增至100%～280%。
复合强化处理。它是指应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，球墨铸铁曲轴采用圆角该滚压工艺与离子氮化工艺结合使用，可使整个曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。
⑵ 曲轴的机械加工技术
曲轴主轴颈和连杆轴颈的粗加工、半精加工工艺和精加工工艺，大体分为以下几种：
传统的曲轴主轴颈及连杆轴颈的多刀车削工艺。生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。一般精加工采用曲轴磨床，通常靠手工操作，加工质量不稳定，尺寸的一致性差。老式生产线的主要特点是普通设备多，导致产品生产周期长、场地占用面积大，且完全是靠多台设备分解工序和余量来提高生产效率。
数控车削工艺。数控车削设备价格相对便宜，不需要复杂的刀具，但只适合小批量生产。
数控内铣铣削工艺。内铣设备价格较高，刀具费用也很高，但适合大批量生产。
数控车—拉、数控车—车拉工艺。其突出优点是可对宽轴径进行分层加工，切削效率高，加工质量好，但车拉刀具结构复杂，技术含量高，并且长期依靠进口，好处是可集车—车拉工艺加工连杆轴颈要两道工序于一起。
CNC高速外铣工艺。数控高速外铣是20世纪90年代新兴起来的一种新型加工工艺， 其适用范围广，特别双刀盘数控高速外铣以其加工效率高、加工质量稳定、自动化水平高，已成为当前是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。就比较而言，CNC车—车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，CNC高速外铣只要一道工序就能完成，切削速度高（目前最高可达350m/min）、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。如德国BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性的高速随动数控外铣床VDF 315 OM-4型，该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。其采用一体化复合材料结构床身，工件两端电子同步旋转驱动，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点；使用SIEMENS 840D CNC控制系统，设备操作说明书在人机界面上， 通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序，可以加工长度450～700mm、回转直径在380mm以内的各种曲轴，连杆轴颈直径误差仅为±0.02mm。
数控曲轴磨削工艺。精加工使用数控磨床，采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠（砂轮头架）和线性光栅死循环控制等控制装置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保证，精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工，经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。如GF70M-T曲轴磨床是日本TOYADA工机开发生产的专用曲轴磨床，是为了满足多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲轴磨床。该磨床应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术，可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削，包括随动跟踪磨削连杆轴颈；采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠（砂轮头架）和线性光栅死循环控制，使用TOYADA 工机生产的GC50 CNC控制系统，磨削轴颈圆度精度可达到0.002mm；采用CBN砂轮，磨削线速度高达120m/s，配双砂轮头架，磨削效率极高。
1.2.2 国内外曲轴加工技术展望
美国、德国、日本等汽车工业发达国家都致力于开发绿色环保、高性能发动机，目前各个厂家采用发动机增压、扩缸及提高转速来提高功率的方法，使得曲轴各轴颈要在很高的比压下高速转动，发动机正向着增压、增压中冷、大功率、高可靠性、低排放方向发展。曲轴作为发动机的心脏，正面临着安全性和可靠性的严峻挑战，传统材料和制造工艺已无法满足其功能要求，市场对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果其中任何一个环节质量没有得到保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。随着WTO的加入，国内曲轴生产厂家已经意识到形势的紧迫性，引进了为数不少的先进设备和技术，以期提高产品的整体竞争力，使得曲轴的制造技术水准有了大幅提高，特别是近5年来发展更为迅猛。
目前国内轿车曲轴生产线多为高速柔性生产线FTL（Flexible Transfer Line），这种生产线的特点是不仅可以加工同系列曲轴，而且还可加工变型产品、换代产品和新产品，真正具备柔性意义。为进一步提高高速柔性生产线的生产效率，更快的适应市场，FTL未来发展是敏捷柔性生产线AFTL（Agile Flexible Transfer Line）。
其主要目的是：满足市场变化的需求。不但满足当前产品的要求，还应考虑未来市场需求。满足生产方式的需求。能满足现代发动机“多品种、大中批量、高效率、低成本”的生产需求。符合“精益生产”的原则。杜绝浪费，用最少投资、最大回报谋取利润。由于发动机曲轴自身结构的特殊性，曲轴AFTL应具备以下特点：由高速加工中心和高效专用机床（含少量组合机床）组成。按工艺流程排列机床并由自动输送装置连接，采用柔性夹具和高效专用刀具生产。为防止关键工序设备故障造成全线停产，可增设平行设备增补，亦能满足大批量生产的需要。
1.3 本课题研究的目的意义
发动机曲轴的加工质量对发动机的功效尤为重要，曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，是发动机的心脏，它需要承受活塞通过连杆传来的力，将活塞的往复运动变为旋转运动，并将这一旋转运动传递给其它部分，其工作是的受力情况非常复杂，在发动机各个部件中最难以保证加工质量。由于曲轴工作条件恶劣，因此对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果其中任何一个环节质量没有得到保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。
锻造作为金属加工的主要方法和手段之一。在国民经济中占有举足轻重的地位，是装备制造业，特别是机械、汽车行业，以及军工、航空航天工业中不可或缺的主要加工工艺。随着经济结构调整的不断深化，特别是作为支柱产业的汽车制造业的大发展，为我国的锻造业营造了非常好的机会，近几年在设备制造技术和加工技术上都有了很大的进展，行业的竞争力得到提升，某些方面的技术水准已进入世界先进行列。
锻造的目的是使坯料成形及控制其内部组织性能达到所需几何形状、尺寸以及质量的锻件。曲轴经过锻造，质量大大提高，使用寿命和整机的可靠性也大大提升。作为发动机的心脏—曲轴，可以使发动机的功效尽可能发挥到最好。

第2章 曲轴设计
曲轴是发动机中最重要的机件之一。它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件越来越恶劣了。因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重了。在设计曲轴时，必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得经济最合理的效果。
2.1曲轴的工作条件和材料的选择
2.1.1曲轴的工作条件和设计要求
曲轴是在不断周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩共同作用下工作的，从而使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态；对内不平衡的发动机曲轴还承受内弯矩和剪力；未采取扭转振动减振措施使曲轴还可能作用着幅值较大的扭转振动弹性力矩。这些载荷都是交变性的，可能引起曲轴疲劳失效。实践表明，弯曲载荷具有决定性作用，弯曲疲劳失效是主要破坏形式。因此曲轴结构强度的研究重点是弯曲疲劳强度，曲轴设计上要致力于提高曲轴的疲劳强度。
图2-1 曲轴的疲劳破坏
a）弯曲疲劳破坏 b）扭转疲劳破坏
曲轴形状复杂，应力集中现象相当严重，特别在连杆轴颈与曲柄臂的过渡圆角处和润滑油孔出口附近的应力集中尤为突出。通常的曲轴断裂、疲劳裂纹都始于过渡圆角和油孔处。图1-1表明了曲轴弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏的情况。弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成450折断曲柄；扭转疲劳破坏通常是从机械加工不良的油孔边缘开始，约成450剪断曲柄销。所以，在设计曲轴时，要特别注意设法缓和应力集中现象，强化应力集中部位。
曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证为液体摩擦，尤其当润滑油不洁净时，轴颈表面遭到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。所以，设计时，要使其各摩擦表面耐磨，并匹配好适当材料的轴瓦。
曲轴是曲柄连杆机构中的中心环节，其刚度亦很重要。如果曲轴弯曲刚度不足，则可能发生较剧烈的弯曲振动，使活塞连杆和轴承的工作条件大为恶化，影响这些零件的工作可靠性和耐久性，甚至使曲轴箱局部应力过大而开裂。曲轴的扭转刚度差，则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振动。轻则引起噪音，加速曲柄上齿轮等传动件的磨损；重则使曲轴断裂。所以，设计时，应保证它有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度。
由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计时，至今还没有一个能反映客观实际的理论公式可供通用。因此，目前曲轴的设计主要是依靠经验来设计。
2.1.2 曲轴的材料
在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命。因此，必须根据发动机的用途及强化强度，正确的选用曲轴材料，在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要求有高度的耐磨性，耐疲劳性和冲击韧性。同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉。
本设计选用的材料：45钢 ；
材料密度：7850Kg/m；
弹性模量：1.6e11N/m ；
强度应力极限：=600Mpa；
屈服应力极限：=355Mpa；
疲劳应力强度：=355Mpa；
强化处理：热处理、渗碳处理。
2.1.3 曲轴强化的方法
提高曲轴的疲劳强度是设计人员必须努力解决的问题。为了提高曲轴的疲劳强度，可以采用一系列结构设计和工艺设计措施。
在结构设计方面，可以采用以下措施：
1）提高曲柄销和曲轴主轴颈的重迭度。
2）采用较大的圆角半径可以使圆角弯曲形状系数下降，从而提高弯曲强度。
3）轴颈上设计卸载槽使应力分布更加均匀，而且沿轴颈和曲柄臂宽度的最大应力较小，还可能使轴颈到曲柄臂过渡圆角的半径增大。
4）曲柄销的内卸载孔相对其几何轴线远离曲柄半径中心呈偏心布置使圆角处的弯曲应力降低，提高疲劳强度。
5）增大曲柄臂的厚度和宽度。
除了设计措施外，工艺方面利用特殊的机械加工方法、热处理或化学处理方法强化表面，以提高曲轴的疲劳强度。常用的表面强化工艺有以下几种：
1）圆角高频感应淬火；
2）圆角滚压；
3）氮化。
2.2曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计
2.2.1主要尺寸的确定
主轴颈的直径D1=60mm，宽度L1=26mm；主轴颈轴端的直径D3=72mm，宽度L3=6mm；曲柄销的直径D2=45mm，宽度L2=26mm；曲柄销轴端的直径D4=57mm，宽度L4=6mm；形状如图2-2单节曲轴尺寸所示。

图2-2 单节曲轴尺寸
曲柄臂的宽度L=15mm，其形状如图2-3单节曲轴曲柄臂截面尺寸所示。曲柄臂的起模斜度为外模α=5°，内模β=7°；各处的倒角均为R2。

图2-3 单节曲轴曲柄臂截面尺寸
1.2.2 曲轴两端设计
曲轴上带动辅助系统的驱动链轮（正时链轮）一般装在曲轴的前端，对多缸发动机而言往往把传动齿轮装在曲轴后端。消除扭转振动的减振器无疑应装在曲轴前端，因为这里的振幅最大。驱动齿轮装在前端采用键连接。曲轴后端设有法兰和加粗的轴颈，飞轮与后端用螺栓和定位销连接。且定位销的布置是不对称的或只有一个。具体尺寸和形状如图1-4曲轴前端、1-5曲轴后端所示（未画出定位销），未标注的圆角均为R2。

图2-4 曲轴前端

图2-5 曲轴后端
最终得到的曲轴总长为l=532mm，如图2-6曲轴零件实体图所示。具体的标注见曲轴零件图。

图2-6 曲轴零件实体图

第3章 曲轴终锻模设计
热模锻压力机是自动化高效率生产模锻件的模锻设备，也是被广泛应用的模锻设备。热模锻压机是靠静压力使金属变形，因此，热模锻压机上的锻模成型规律是：金属沿水平方向流动剧烈，向高度方向流动缓慢。预锻模膛设计的主要内容是绘制热锻件图和确定飞边槽尺寸，以下是整个设计过程。
3.1 制定锻件图
1. 分模位置 根据曲轴形状，很易确定上下对称的直线分模。
2. 公差和加工余量 曲轴材料为球墨铸铁，即材质系数为M2。形状复杂系数3级复杂系数S3。
由锻造模具简明设计手册表5.5查得：
锻件形状复杂系数,
其中：M为锻件品质：15.7kg；
M1为锻件外廓包容体质量；
V为锻件体积；
V1为锻件外廓包容体体积。
由于0.16，故形状复杂程度为S3。
由锻造模具简明设计手册表5.18查得：长度极限偏差值为5.0mm，宽度极限偏差值为3.6mm，高度极限偏差值为3.2mm。
由锻造模具简明设计手册表5.27，曲轴零件的表面粗糙度Ra<1.6um,查得模锻件内外表面加工余量为：厚度方向为2.5～3.2mm，取3mm；
水平方向为2.7～3.5mm，取3mm。
3. 模锻斜度 零件图上的技术条件中已给出拔模斜度：外模斜度为5°，内模斜度为7°。
4. 圆角半径 锻件各部分的圆角半径取为R2mm。
5. 技术条件
(1) 图上未标注的拔模斜度为外模斜度为5°，内模斜度为7°；
(2) 图上未标注的圆角半径2mm；
(3) 由锻造模具简明设计手册表5.18查得允许的错差公差为1.4mm；
(4) 由锻造模具简明设计手册表5.18查得允许的残留飞边公差为1.4mm；
(5) 允许的表面缺陷深度0.5mm；
(6) 锻件热处理：调质；
(7) 锻件表面清理：为了便于检查淬火裂纹，系用酸洗。
6. 具体尺寸如图3-1单节曲轴锻件尺寸图所示

图3-1 单节曲轴锻件尺寸图
最终的锻件图如图3-2曲轴锻件实体图所示：

图3-2 曲轴锻件实体图
3.2 计算锻件的主要参数
3.2.1设备选定
⑴ 工艺力计算
P=KF(kN)
式中 K—锻件单位面积变形力（或称金属变形抗力系数）, kN/cm
F—锻件投影面积，cm
曲轴锻件的投影面积F=136.4 cm，K= 120kN/cm
所以，P=120×136.4 kN=16368 kN
⑵选择模锻设备
根据计算结果，取热模锻压力机的规格为20000 kN，即20MN。
3.2.2终锻模膛设计
⑴ 热锻件图设计
按照锻件尺寸增加1.5%的收缩率绘制热锻件图，如图3-3曲轴热锻件图所示：

图3-3 曲轴热锻件图
⑵ 飞边槽设计
对形状比较复杂的锻件，为了较好地充满模膛而必须增大金属外流的阻力时，桥口的宽度b应比该表中的数据适当增大。飞边槽具体尺寸按锻造模具简明设计手册表8.6设备200000kN级选用，即：h=3mm b=10mm B=10mm L=40mm r1=1.5mm r2=2mm。
⑶模块结构
曲轴模膛深度较深，最深处为52.5mm。而曲轴模膛尺寸精度要求高，磨损到一定程度就必须更换，最后采用梯形模块。
① 长度和宽度的确定
模块长度和宽度尺寸主要根据下列因素确定：锻件的最大长度、宽度、模壁厚度、锁扣尺寸、模块的承压面积，以及模膛四周的壁厚等。
模壁厚度S可按下列确定
S=（1～1.5）h≥40mm
式中 h为模膛最深处的深度。
② 高度尺寸的确定
模块高度尺寸主要根据模块底厚（T）、模膛深度以及模架闭合高度（H）等。
S、T、H应满足如下条件：T≥(0.6～0.65)S 2S≤(0.35～0.4)H 。
最终取模块长度为800mm，宽度500mm，高度200mm。
模块所承受的压应力应满足：P=F/A＜300MPa
式中:F为设备的名义压力（kN）；A为模块底面的有效承压面积（mm）
曲轴模块底面的有效承压面积A=800×500 mm=400000 mm，F=20000 kN，所以，模块所承受的压力为F=20000 kN /400000 mm=50MPa<300MPa,满足条件。
⑷ 顶杆
① 顶杆位置 顶杆设在飞边槽上。
② 顶杆结构 顶杆工作是必须有导向，主要由顶杆和顶杆孔的公差配合来解决。
③ 顶料装置 采用直接顶料装置。
3.3 曲轴的实体建模
3.3.1 曲轴的锻件实体建模
⑴ 草图的绘制
① 从“开始”菜单进入零件设计环境。
② 选择绘图平面进行草图绘制。
③ 对图形进行尺寸约束，如图3-4(a)、3-4(b)、3-4(c)：

图3-4(a) 曲轴主轴颈尺寸

图3-4(b) 曲轴曲柄臂尺寸

图3-4(c) 曲轴连杆轴颈尺寸
⑵ 建成立体模型
① 从草图设计环境返回零件设计环境。
② 点击“拉伸”按钮进行拉伸。
③ 生成立体图，如图3-6单节曲轴锻件实体图：

图3-5 单节曲轴锻件实体图
经过镜像，阵列，圆角等方法得到曲轴的锻件图，如图3-2所示。
3.3.2 曲轴模块实体建模
⑴ 进行草图绘制，利用拉伸命令建立模块外形，如图3-6(a)所示。

图3-6(a)未加工模腔的模块实体图
⑵ 进行布尔运算，得到模块的立体图，如3-6(b)所示。

图3-6(b) 模块实体图
3.4 模具装配所需的其它零件的结构设计和实体建模
3.4.1上模架
⑴模架的作用与特点
模架用于固定模块，承受并传递锻造过程中的全部负荷，传递热模锻压力机的顶料运动，是热模锻压力机锻模的最主要的部件。
热模锻压力机锻模的模架质量大（一般整副模架重达1～12t，120000kN热模锻压力机重达50多吨），制造困难，因此必须重视模架的设计、制造和使用。
⑵对模架设计的基本要求：
① 模架的结构形式力求具有较大的通用性、万能性，适用多品种生产。
② 模架应具有足够的强度、刚度，使设备在锻造过程中所引起的弹性变形，不致影响锻件高度的尺寸，为此，模架内各种承受锻造负荷的部件，包括上下模板在内，均应采用合金钢制造并进行适当的热处理。
③ 模架上所有的零件形状应尽可能地简单，以便于加工制造。
④ 模架内设置的顶料装置应可靠、耐用，以便于修理和更换。
⑤ 模架的结构应保证在安装、调整和更换模具时，不需要把模架从热模锻压力机上卸下来，以节省时间，减少工作量。
⑥ 模架上所有的紧固件位置，都要布排得当，使紧固时操作方便。
⑦ 模架上应设有起重孔或起重棒，使吊装时安全可靠。
⑶模架的结构形式
模架的结构按照它和模块紧固的方式划分，一般有两种形式：窝座式和十字键式。本设计选用窝座式模架。
窝座式模架的特点：
① 优点：
ⅰ）定位准确，紧固牢靠，是热模锻压力机模架使用最广泛的典型结构。
ⅱ）模具的翻新次数较多。
ⅲ）适用于锻件产量大，要求精度高，品种不太多的生产场合。
② 缺点：
ⅰ）要有较强的模具制造能力和较高的制造精度。
ⅱ）通用性、万能性较小。不适用于生产多品种、小批量以及需要经常进行迂回生产的场合。
ⅲ）模具的安装和调整比较困难，锻件的精度很大程度上取决于模具的制造精度。
经过草图设计，拉伸，钻孔（通孔、螺纹孔等），得到上模架，如图3-7(a)、3-7(b)所示。

图3-7 上模架正面

图3-7(b) 上模架反面
3.4.2下模架
经过草图设计，拉伸，钻孔（通孔、螺纹孔等），得到上模架实体图，如图3-8(a)、3-8(b)所示。

图3-8(a) 下模架正面

图3-8(b) 下模架反面
3.4.3垫板
经过草图设计，拉伸，钻孔（包括螺纹孔），得到垫板实体图，如图3-9(a)、3-9(b)所示。具体尺寸：800×500×80mm。

图3-9(a) 垫板正面

图3-9(b) 垫板反面

3.4.4前压板
经过草图设计，钻螺纹孔，倒圆角得到前压板的三维实体图，如图3-10所示。长度L=600mm。作用：装配时定位模块。

图3-10 前压板
3.4.5后挡板
经过草图设计，钻螺纹孔，倒圆角得到后挡板的三维立体图，如图3-11所示。长度L=400mm。作用：装配时定位模块。

图3-11 后挡板
3.4.6导向装置
作用：热模锻压力机模锻采用导向装置主要是为了较少模具错移，提高锻件精度，便于模具调整。导柱要有足够的强度和刚度以承受模锻过程中产生的错移力，导柱和导套之间应留有必要的间隙以补偿制造中的偏差、设备滑块和工作台面的不平行度、锻造过程中的自身受热膨胀等因素的影响。
结构设计：导向装置包括导柱、导套、盖板等零件。
导柱和导套分别和上、下模座用过硬配合紧固。导柱和导套之间留有0.25～0.5mm的间隙。确定导柱和导套长度尺寸的原则是：当热模锻压力机的滑块在上止点时导柱扔在导套内的长度不小于导柱直径的1～1.5倍。
材料：导柱应该有较好的韧性和耐磨性，采用碳合金钢渗碳淬火，20Cr。导套、油封等和导柱做相对滑动，为使运动性能好，不容易被咬合，导套采用20钢，其它的材料见装配图。
⑴导柱
具体尺寸：直径D=140mm，长度L=720mm。经过草图设计，拉伸，倒角得到导柱立体图，如图3-12所示。

图3-12 导柱实体图
⑵导套
具体尺寸：外径D1=160mm，内径D2=140.3mm，长度L=230mm。经过草图设计，拉伸，倒角得到导套立体图，如图3-13所示。

图3-13 导套实体图
⑶盖板
具体尺寸：直径D=163mm 宽度L=4mm。由草图设计，拉伸得到盖板的立体图，如3-14图所示。

图3-14 盖板实体图
⑷油封
具体尺寸：外径D1=155mm，内径D2=140mm。由草图设计，拉伸得到油封的立体图，如图3-15所示。

图3-15 油封
⑸油封端盖
具体尺寸：D=140mm，D1=170mm，D2=200mm，D3=130mm，高度H=28mm，h=14mm，有草图设计，拉伸，倒角，钻螺纹孔，得到油封端盖的三维实体图，如图3-16所示。

图3-16 油封端盖
3.4.7顶杆
本设计的顶杆位置在飞边上。
设计这类顶杆应注意以下的问题：
① 锻件外侧的顶杆应布置在模锻时形成较大飞边的部位。如果飞边过小，顶杆将失去作用。
② 锻件外侧的顶杆首先考虑定出的平稳。
③ 锻件外侧的顶杆必须能及时回到原始位置，不允许顶杆在模锻成形过程中露出飞边桥部。成形开始时如果顶杆不退回，金属迅速外流，将沿横向冲击顶杆使其弯曲变形，并使顶杆和顶杆孔的间隙偏向一侧，金属流入该间隙中，卡住顶杆使其失效。为此，顶出装置，特别是上模中的顶出装置中应设有复位弹簧，使顶杆顶件后退回原位。
④ 设置在孔内连皮上的顶杆模锻时受力较大，很容易产生弯曲变形而失效。因此，使用中应经常注意修复和更换。
经过草图设计，拉伸，倒角得到顶杆的三维实体图，如下图所示。

图3-17 顶杆
3.5 实体建模装配
⑴ 点击“开始”菜单中的机械设计，然后选择装配件设计。
⑵点击（即现有组件）将所生成的各个零件导入装配图中，通过点击（即相合约束）和（即接触约束）还有（即偏移约束）来固定个零件间的相互位置。最终生成装配图如图3-18所示以及爆炸图如图3-19所示。

图3-18 曲轴终锻模设计装配图

图3-19 爆炸图
第4章 曲轴模膛数控加工仿真
利用UG进行辅助编程是一个综合的过程。它涉及刀具运动轨迹、加工刀具类型、切削用量选择、加工参数选择和下刀方式等的选择，所有这些内容都反映在由加工刀具路径转化而成的数控加工代码中。曲面加工刀具路径生成过程分为刀具参数设置、加工方式选用、粗精加工参数设置和后处理等步骤，这些参数设置的正确与否是保证零件尺寸精度、提高工效和降低成本的关键所在。
4.1终锻模模膛数控加工
UG中有粗加工和精加工两种方式，要根据具体情况和实际加工经验，合理选用加工方式，然后确定刀具形式、直径和加工材料等。
粗加工刀路设计根据锻模的特点，经反复比较，选用型腔粗加工。此加工方法能快速除去大量的毛坯材料。选择刀具为立铣刀，加工方式为等距环切，为精加工预留0.25mm的加工余量。用立铣刀及等距环切方式加工，都是为了能在粗加工中，更多去除材料，提高加工效率。
（1）模块飞边槽粗加工的刀具路径如图4-1、4-2所示：

图4-1飞边槽粗加工的路劲

图4-2飞边槽数控加工的效果图
（2）模块模膛的粗加工刀具路径如图4-3、4-4所示：

图4-3模膛的粗加工路径

图4-4模膛数控加工的效果图
(3)飞边槽桥部精加工刀具路径如图4-5、4-6所示：

图4-5 飞边槽桥部精加工路径

图4-6 飞边槽桥部精加工的效果图
(4)模膛精加工刀具路径如图4-7、4-8所示：

图4-7模膛精加工刀具路径
图4-8模膛精加工效果图
4.2生成G代码及刀具路径后处理
对于刀具路径，机床是不能直接识别的。所以，加工方式选择好后，必须要进行后处理，也就是将刀具路径“翻译”成机床能够识别的数控代码。不同的机床能识别的数控代码不尽相同，所以不同的机床必须采用不同的后处理方式。将自动生成的数控代码，进行必要的校核处理后，就能输送给数控机床进行加工了，部分轨迹G代码如下。
图4-1 飞边槽平面区域粗加工数控代码
%
N0010 G40 G17 G90 G70
N0020 G91 G28 Z0.0
N0030 T00 M06
N0040 G0 G90 X-8.2742 Y0.0 S0 M03
N0050 G43 Z.7874 H00
N0060 Z.4724
N0070 G1 Z.3543 F9.8 M08
N0080 X-7.8805
N0090 Y15.6034
N0100 G2 Y15.6036 I.0059 J0.0
……
……
N8120 Y-10.4313
N8130 X-3.4449
N8140 G2 X-3.01 Y-10.8661 I0.0 J-.4348
N8150 G1 Y-12.2423
N8160 X3.01
N8170 Y-11.6579
N8180 X2.6163
N8190 Z.0984
N8200 G0 Z.7874
N8210 M02
%
图4-3 模块模膛粗加工数控代码
%
N0010 G40 G17 G90 G70
N0020 G91 G28 Z0.0
N0030 T00 M06
N0040 G0 G90 X-.4353 Y9.8096 S0 M03
N0050 G43 Z.7874 H00
N0060 Z.4728
N0070 G1 Z.3547 F9.8 M08
N0080 X-.2385
N0090 X.23