伞齿轮的模锻工艺及模具设计.docx
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伞齿轮的模锻工艺及模具设计
伞齿轮的模锻工艺及模具设计
任务书
1．课题意义及目标
（1）意义
通过毕业设计，锻炼学生综合运用所学的基础与专业知识分析、解决工作中实际问题的能力。
（2）目标
1）对伞齿轮的工艺性进行科学的分析；对相关参数进行准确的计算。
2）通过查阅相关的锻模手册，设计出合理的锻模型腔。
2．主要任务
1）模具装配图及零件图
2）编写设计说明书一本
3）电子资料一份
3．主要参考资料
[1]张晓光．锻造螺旋锥齿轮脱模过程的研究[D]．锦州：
辽宁工学院，2006．
[2]王银根，高泊依，郭志强．圆柱直齿齿轮精锻工艺和实践
[3]曾韬．螺旋锥齿轮设计与加工[M]．哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，1989．
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅文献，完成开题报告
2014.12.15~2014.12.30
2
完成工艺计算，确定模结构方案
2014.12.31~2015.03.10
3
中期检查
2015.03.11~2015.04.20
4
绘制模具图
2015.04.21~2015.05.15
5
完成毕业论文及答辩工作
2015.05.16~2015.06.15
审核人：
2014年12月15日
伞齿轮的模锻工艺及模具设计
摘要：
本设计是伞齿轮的模锻工艺及模具设计。
通过零件的材料的性能分析，选择模锻工艺以及模锻方法。
由确定的机械加工余量以及选择的锻件公差计算锻件质量确定锻锤吨位，设计飞边槽。
确定加热方法和锻造温度范围选择热处理方法。
设计终锻型槽、布排型槽，确定模块的尺寸。
设计墩粗台、锁扣、钳口、选择检验角，燕尾槽以及键槽的尺寸。
依次的部分设计得到一套伞齿轮的模锻工艺及模具设计，此次设计遵循固有的思路和方法，属于比较简单通用的设计方案，适合用来大批量生产。
锻造主要任务是解决锻件的成形及内部组织性能的控制，获得所需几何形状、尺寸和质量的锻件。
随着锻造方法和设备的不断完善，锻造生产的领域将更加广阔。
关键词：
模锻，锻造，形状
Bevelgearforgingprocessanddiedesign
Abstract：
Thisdesignisbevelgearforgingtechnologyanddiedesign.Throughthethematerialperformancetaskpartdrawing,selectionofdieforgingprocessandforgingmethod.Determiningthemachiningallowanceaswellastheforgingtolerancecalculationforgingsqualityselectionofforginghammertonnage,designofflashtrough.Determiningtheheatingheattreatmentmethodsandforgingtemperaturerange.Designfinishforging,clothrowtype,determinethesizeofthemodule.Designofpierplatform,lock,jaw,chooseinspectionAngle,dovetailgrooveandthesizeofthekeyway.Partofthedesigninordertogetasetofbevelgearforgingtechnologyanddiedesign,thedesignfollowtheideasandmethodsofinherentbelongtosimplegeneraldesignschemeofsuitableformassproduction.Forgingmaintaskistosolvetheforgingformingandtheinternalorganizationoftheperformanceofthecontrol,toobtaintherequiredgeometryshape,sizeandqualityofforgings.Withtheconstantimprovementofforgingmethodandequipment,forgingproductionareawillbemorebroad.
Keywords:
Dieforging，Forging，Theshapeof
1.设计任务零件图的材料性能分析...........................................................................1
2.模锻工艺及模锻方法的选择...................................................................................2
3.锻件图的设计...........................................................................................................3
3.1确定分模面位置.................................................................................................3
3.2机械加工余量的确定以及锻件公差选择.........................................................3
3.3模锻斜度.............................................................................................................5
3.4圆角半径.............................................................................................................6
3.5冲孔连皮.............................................................................................................6
3.6锻件技术要求.....................................................................................................7
4.计算锻件主要参数...................................................................................................8
5.锤上模锻工艺...........................................................................................................9
5.1锻锤吨位的确定....................................................................................................9
5.2确定飞边槽的形状和尺寸....................................................................................9
6.确定坯料尺寸...........................................................................................................12
7.确定加热方法和锻造温度.......................................................................................13
7.1确定加热方式........................................................................................................13
7.2确定锻造温度范围...............................................................................................13
8.确定热处理方法和要求...........................................................................................14
9.锤用模锻结构设计...................................................................................................15
10.结论.........................................................................................................................26
11.参考文献.................................................................................................................27
12.致谢.........................................................................................................................28
1.计任务零件图的材料性能分析
40Cr成分：
碳0.37～0.45％，硅0.17～0.37％，锰0.5～0.8，铬0.8～1.1％退火硬度：
小于207HBS正火硬度：
小于250HBS调质处理：
试样直径：
25mm，850度淬火加热油淬，520度回火后：
抗拉强度1000兆帕，屈服强度800兆帕，延伸率9％，断面收缩率45％，冲击韧性588千焦/平方米。
图1.1零件图
齿轮参数：
模数M=4,齿数Z=25
2.模锻工艺以及模锻方法的选择
同一锻件可以在不一样的设备采用不同工艺制造，当生产批量较大时，可采取模锻锤或热模锻压力机；若批量不大时，可使用螺旋压力机或自由锻锤上胎模锻及固定摸模锻。
此锻件的要求是大批量生产，使用锤上模锻的方法。
因为本次设计零件为圆饼类零件，应下料后的毛坯进行墩粗，墩粗成形后终锻成形，采取变形工步为：
墩粗——终锻。
3锻件图设计
3.1确定分模面位置
选择分模面遵循的最基本原则：
（1）为了使锻模构造简单，防止上、下模错移，分模位置采用直线式
（2）头部尺寸较大的长轴类锻件，不适合直线式分模，为使锻件较深尖角处充满，采取折线式分模，使上下模的模膛深度大致相等。
（3）为了便于模锻，切边模加工制造和减少金属消耗，当圆饼类锻件的H≤D时，应采用径向分模，不选轴向分模。
（4）根据以上原则，本图分模面选在截面积最大的水平位置。
3.2机械加工余量的确定以及锻件公差的选择
机械加工余量也往往不是越小越好，为了将锻件的脱碳层以及表面细小裂纹去掉，留有一定的加工余量也是有必要的。
图3.1模锻件内外表面加工余量
3.2.1锻件复杂系数
V1=1/3×πr^2×53=155824mm3,V2=πr^2×10=33166mm3,V3=1/3×πr^2×32.5=35930mm3,V4=πr^2×35=35607mm3,
即S=Gd/Gb=Vd/Vb=（V1+V2-V3-V4）/343990=117453mm3/343990mm3=0.34
S在0.32~0.63范围内，因此形状复杂系数为S2级。
图3.2钢种系数
3.2.2计算锻件质量
锻件质量m=pVd，其中p——材料密取7.85g/cm3，V——锻件体积。
取117.453mm3,经计算m=pVd=7.85g/cm3×117.453mm3=1.02kg，估算锻件质量1.02kg
3.2.3锻件材质系数
材质质数是根据材料可锻性难易程度划分等级的。
由于材质系数不同，公差不同，钢锻件分为M1和M2两级
M1：
含碳量小于0.65％的碳钢或者合金元素总含量小于3.0％的合金刚
M2:
含碳量不小于0.65％的碳钢或合金元素总含量不小于3.0％的合金刚
此锻件为40Cr含碳量0.37~0.45<0.65％，材质系数为M1
3.2.4锻件精度等级
锻件的精度等级通常分两级，普通级和精度机公差，锻件大批量生产，因此采用普通级公差。
3.2.5锻件公差和余量
图3.3锻件公差和余量
根据模锻手册查得，查的长宽高加工余量均为2mm
锻件长度尺寸为105.7mm公差1.8（-0.6~+1.2）
锻件长度尺寸为65mm公差1.6（-0.5~+1.1）
锻件长度尺寸为36mm公差1.6（-0.5~+1.1）
锻件厚度尺寸为39mm公差1.6（-0.5~+1.1）
内孔直径36mm公差1.6（-0.5~+1.1）
错差值0.6mm，残留飞边值0.7mm
3.3确定模锻斜度
终锻模膛/°
3°
5°
7°
10°
12°
预锻模膛/
5°
7°
10°
12°
15°
根据模锻手册得，内限度采用为7°、10°、12°等，常取内斜度10°；外斜度一般采用为5°、7°、10°等，常外斜度取7°。
本次设计内斜度取10°，外斜度取7°。
3.4圆角半径
锻件上的圆角可以让金属轻易充满模膛，起模很方便和延长模具使用寿命。
圆角半径太小会则会使锻模在热处理或使用中发生裂纹压塌变形，在锻件表面上也容易产生折纹。
外圆角半径用r代表，内圆角半径用R代表
外圆角半径r=单面余量+零件圆角半径或倒角。
内圆角半径R=（2~3）r
圆角半径优选1，1.5，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，15，20，25，30mm等数值。
根据锻造说册，查得外圆半径为r=2mm，内圆半径为R=5mm
终锻模膛圆角半径采用按下式计算：
R1=R+C
式中R----是终锻模膛的相应部位上的圆角半径
C----系数，按表选取
圆角半径与模膛深度
模膛深度
<10
10~25
25~50
>50
C
2
3
4
5
3.5冲孔连皮
平连皮的S和R
锻锤吨位（t）
1~2
3~5
10
S（mm）
4~6
5~8
10~12
R（mm）
5~8
6~10
8~20
连皮厚度s=2.5mm+（5~7.5）d/100，其中系数（5~7.5）按h/d确定d代表孔直径，h代表。
h/d=0.5时取5，h/d接近1时取7.5，此锻件取5，所以s=4.3mm取s=5mm
3.6锻件技术要求
锻件技术要求图上未标注的模锻斜度为7°
（1）图上未标注的圆角半径为R=2mm
（2）允许的错移量0.6mm
（3）残留的毛边量0.7
（4）允许缺陷深度1.5mm
（5）锻件热处理：
调质
（6）锻件表面的清理：
喷沙清理。
4计算锻件主要参数
（1）锻件在平面上的投影面积8820mm2
（2）锻件周边长度332.84mm
（3）锻件体积135031.85mm3,
（4）锻件质量1.02kg
锻件图如下
图4.1
5锤上模锻工艺
5.1锻锤吨位的确定
模锻过程是一个短暂的动态转变过程，受到诸多因素的制约，要得到准确的理论解是很难的。
因此在生产中，用经验公式或近似解的理论公式确定设备吨位。
选择双作用模锤锻，根据布留哈若夫和列别尔斯基公式：
G0=（1-0.005D）（1.1+2/D）2（0.75+0.001D2）Da
G0=（1-0.005*10.7）（1.1+2/10.7）2（0.75+0.001*10.72）*10.7*60
G0=870.0025kg
其中D表示锻件直径（cm）
a——锻件在终锻温度变形抗力，查表a取60MP，选用1吨锻锤
5.2确定飞边槽的形状和尺寸
5.21飞边槽的作用：
（1）增添金属流出模膛的阻力，迫使金属充溢模膛
（2）容纳多余金属。
（3）铸造时飞边起缓冲作用，减弱上下模的直接冲击，防备模具的压塌与开裂。
图5.1飞边槽尺寸
5.2.2飞边槽尺寸的确定
桥部高度h/mm1.0~1.6，取1
桥部宽度b/mm8
仓部宽度b1/mm22~25，取23仓部高度h1/mm取4
模膛边缘圆角r/mm1.5
飞边槽形状如图
图5.2
6确定坯料尺寸
模锻的原材料的体积包含锻件本体、毛边、连皮、夹钳料头和加热引起的氧化皮之总和。
由于该锻件为圆饼类锻件采用先墩粗制坯，所以毛坯尺寸以墩粗变形为依据来进行计算
V坯=（V飞+V件）（1+&）
式中V件——锻件体积：
V飞——飞边槽体积
&——烧损率，由于采用电阻炉加热，故&取1.5%
不同加热方法钢的烧损率
加热方法
烧损率（&%）
加热方法
烧损率（&%）
室式煤炉或油炉
2.5~4
半连续煤气炉
2.0~2.5
室式煤气炉
2.5~3
电阻炉
1~1.5
半连续煤炉或油炉
2.5~3
接触加热和感应加热
0.5~1
V坯=（V飞+V件）（1+&）
V飞=L周F飞=0.5L周F飞槽
式中L周——锻件周长；
F飞槽——飞边槽截面积，取F飞槽为96mm2
V飞=0.5*332.84*96=15976.32mm3
V坯=（15976.32+135031.85）（1+1.5%）=153273.23mm3
依据计算出的坯料体积V坯确定坯料直径D坯或方坯料的边长A坯。
由于考虑到坯料在墩粗时不致发生弯曲，使坯料长度与直径D坯比值处于L坯/D坯=1.5~2.2。
D坯=（0.95~0.83）
=44.42~50.84mm
取毛坯直径为50mm
L坯=1.27*V坯/D坯2=77.86，取L坯80mm
L坯/D坯=1.56，在1.5~2.2之间。
以上结果符合要求。
因此下料毛坯尺寸，坯料直径50mm，坯料长度80mm
7确定加热方法和锻造温度
7.1确定加热方式
确定加热过程不一样的时期的加热炉温、升温速率和加热时间时，首先应考虑钢材断面的尺寸，其次要考虑钢的成分及有关性能，如塑性、强度、导热及膨胀系数、组织特征以及加热变化，和坯料原始状态。
因为锻件材料为40cr，电加热具有速度快、炉温控制精确、工件氧化少、加热质量好、工作条件好、易于实现自动化操纵等优点，因而采用电加热。
7.2确定锻造温度范围
各种合金的锻造温度，可拥有良好的塑性以及较低的变形抗力，能锻出优良锻件。
而且确定的锻造温度范围较广，使坯料加热次数减少，来获得较高的锻造生产率。
图7.1
8确定热处理方法和要求
齿轮锻造后，应考虑先在空冷700℃后再进行缓冷。
当锻件冷却到室温以后，再按工艺规程将锻件由室温重新加热然后进行热处理。
而锻件余热热处理则是在锻后采用锻件自身热量直接进行淬火处理或者正火热处理。
40cr热处理工艺为淬火温度850℃，偏差10℃，油冷，回火温度520℃，偏差10℃，水、油空冷。
9锤用锻模设计
9.1终锻型槽设计
终锻型槽通常是各种型槽中最重要的型槽，一般用来完成锻件最终成形。
终锻型槽是依照热锻件图加工和检验的。
锻件材质为40cr，收缩率为1.5%。
理论上加上收缩率后尺寸L按根据下列公式计算：
L=l（1+&）
式中，L代表热锻件尺寸，l代表锻件尺寸，&则表示终锻温度下的金属收缩率。
首先计算出热锻件图相应尺寸，然后绘制热锻件图，如图：
根据制造经验总结，考虑到锻模使用后承击面会下陷，型槽深度会减小。
因此，辐板处增厚0.5mm
图9.1
9.2型槽的布排
锤锻模结构设计的好坏对锻件质量、制造效率、劳动强度、锻模和锻锤的使用寿命和锻模加工制造都会有直接影响。
本次设计的终锻型槽中心向远离墩粗台方向左右偏移量15mm上下偏移量15mm
依据型槽中心安排：
根据设备吨位应为1吨的分布。
图9.2
9.3模块尺寸的确定
模块尺寸除了与型槽尺寸、排列方式、型槽数和歌型槽件的最小壁厚有关，仍还需要考虑的问题.
依据吨位设备为1t，可得最小承击面积为
Amin=300cm2
图9.3
综合考虑到模膛布排，、锁扣、飞边槽及墩粗台设计要求等方面的要求，可取模块标准中的相近的较大值。
根据《模锻实用技术》查得，，最大高度500mm，模块最小高度320mm
设备吨位（t）
1
1.5
2
3
5
10
H最小（mm）
320
400
410
465
565
600
H最大（mm）
500
550
600
650
750
850
上模块高度H1=400mm
下模块高度H2=350mm
9.4墩粗台的设计
墩粗后毛坯直径d依据公式D2≤d≤（D1+D2）/2可得
式中D1取107mmD2取50mmd取70mm
墩粗台尺寸：
墩粗台高度h=V坯/A=39.85mm
H取40mm
依据《锻造工艺及模具设计》查得C，C，和C”尺寸：
边缘距离C：
C=10~15mm
所以至锁扣距离C，：
C，=5~10mm
因此右侧与右边距离C”：
C”=15~20mm
图9.4
9.5锁扣的设计以及钳口设计
9.51根据锻件圆饼形状特点，故采用圆形锁扣，查表得
圆形锁扣及纵向锁扣设计尺寸
锻锤吨位（t）
锁扣尺寸
n
b
&
#
a
R1
R2
1
25
35
0.2~0.4
1~2
5°
3
5
2
30
40
0.2~0.4
1~2
5°
3
5
3
35
45
0.2~0.4
1~2
3°
3
5
5
40
50
0.2~0.4
1~2
3°
5
8
10
50
60
0.2~0.4
1~2
3°
5
8
16
60
75
0.2~0.4
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