热加工工艺课程设计.docx

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热加工工艺课程设计

课程设计说明书

齿轮锻造工艺设计

课程：

热加工工艺课程设计

题目：

齿轮锻造工艺设计

姓名：

庞刚

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

10机电3班

学号：

100105077

指导教师：

张保丰

课题完成时间：

2010/5/18至2010/5/31

黄河科技学院课计任务书

工学院机械系机械设计制造及其自动化专业2010级3班

学号100105077姓名庞刚指导教师张保丰

题目:

齿轮锻造工艺设计

课程:

热加工工艺课程设计

课程设计时间：

5月18日至5月31日共2周

课程设计工作内容与基本要求（已知技术参数、设计要求、设计任务、工作计划、所需相关资料）（纸张不够可加页）

1．已知技术参数：

齿轮轴零件图

2．设计任务与要求（完成后需提交的文件和图表等）：

1.设计任务

（1）绘制锻件图。

（2）确定锻造工序。

（3）计算坯料质量及尺寸（均选择锻造比为1.2、钢密度为7.8、烧损质量为锻件质量的2.0%，料头质量除料头尾外还包含冲切掉的金属质量）。

（4）选择锻造设备及吨位。

（5）确定锻造温度范围、加热冷却及热处理规范。

2.设计要求

（1）设计图样一律按工程制图要求，采用手绘或机绘完成，并用三号图纸出图。

（2）按所设计内容及相应顺序要求，认真编写说明书（不少于3000字）。

3．工作计划（进程安排）

熟悉设计题目，查阅资料，做准备工作1天

确定锻造工艺方案1天

工艺设计和工艺计算2天

绘制锻件锻造工艺图1天

确定锻件锻造工艺步骤2天

编写设计说明书3天

答辩1天

4．主要参考资料

《热加工工艺基础》、《工程材料及成形技术基础》、《机械设计手册》

系主任审批意见：

审批人签名：

齿轮锻造工艺设计

摘要

锻造生产的目的是坯料成型、及控制其内部组织性能达到所需的几何形状，尺寸以及品质的锻件，钢和大多数非铁金属及合金具有不同程度的塑性，均可在冷态或热态下进行塑性加工成型。

齿轮的锻造采用的是自由锻工艺。

本文主要介绍的是齿轮的自由锻工艺。

自由锻是利用压力或冲击力使金属在上下抵铁之间产生塑性变形，从而获得所需锻件形状及尺寸的方法。

确定自由锻的工艺成为了自由锻加工的关键。

本文着重介绍的就是齿轮的自由锻的工艺流程。

关键词:

自由锻、齿轮加工、塑性变形、工艺流程

目录

1绪论1

2锻件的结构和工艺2

2.1锻件的结构特点2

2.2锻件的工艺分析2

2.3自由锻工序特点2

3齿轮的结构与分析4

3.1齿轮分析4

3.2齿轮工艺分析4

4总体设计方案5

5具体设计方案步骤7

5.1绘制锻件图7

5.2制定变形工艺7

5.3计算坯料质量与尺寸8

5.4确定锻造设备9

5.5确定锻造温度及规范9

5.5.1确定温度范围9

5.5.2确定加热规范及火次10

5.5.3确定冷却方法及规范10

5.5.4确定热处理规范10

6工艺过程流程11

7总结13

8致谢14

参考文献15

1绪论

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的几何形状，尺寸以及品质的锻件。

锻造的基本工艺有自由锻、模锻、板料冲压等，其中自由锻和模锻是热塑性成型，而板料冲压是冷塑性成形，两者的基本原理相同。

锻造件占得比例说明了一个国家生产水平、生产率、材料利用率、生产成本及产品品质在国际竞争中的地位。

在新中国成立之前，锻造基本上是手工作坊式的延续，生产效率低，劳动强度大。

然而在改革开放之后我国的锻造工艺水平得到了迅猛的发展，从而带动了诸如汽车工业的跨越式发展。

但我们还应该清醒的看到我们的锻造工艺水平与欧美发达国家还有一定差距，这更加促使我们努力发展新技术，赶超国际先进水平。

齿轮是现代工业大量使用的零件，本文就是讨论齿轮的自由锻生产。

自由锻能进行的工序很多，可分为基本工序、辅助工序、及精整工序三大类。

它的基本工序是使金属产生一定程度的塑性变形以达到所需的形状和尺寸的工艺过程，如镦粗，拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转及错移等工序。

锻件的结构和工艺

2.1锻件的结构特点

锻造是机械制造中常用的成型方法，锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。

锻造与冲压同属塑性加工性质，统称锻压。

与其他加工方法相比，锻造生产率高，锻件的形状，尺寸稳定性较好，并有较佳的力学性能。

锻件的最佳优势是强韧性好，纤维组织合理，因此被广泛运用。

2.2锻件的工艺分析

锻件的优势是由于金属材料通过塑形变形后，消除了内部缺陷，如打碎碳化物，非金属夹杂物，并使之沿变形方向分布，改善或消除成分偏析等，得到了均匀、细小的低倍和高倍组织。

锻造按在加工时的温度可分为冷锻和热锻。

冷锻一般是在室温下加工，热锻是在高于坯料金属再结晶温度上加工。

有时还处于加热状态，但温度不超过再结晶温度时进行的锻造称为温锻。

锻造成型方法可分为自由锻、模锻、冷镦、径向锻造、挤压、成型扎制、辊锻、辗扩等。

锻造在机械制造业中有着不可替代的作用，锻造出来的锻件是其他加工方法难以匹敌的。

其生产效率也是相当高的，一个国家的锻造水平，反映了这个国家的机械制造水平。

2.3自由锻工序特点

自由锻的工序可分为基本工序、辅助工序及精整工序三大类。

基本工序是使金属产生一定程度的变形，以达到所需形状和尺寸的工艺过程，包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转及错移等工序。

辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变性工序有压肩、压钳口、倒棱等。

精整工序是用以减少锻件表面缺陷而进行的工序校正、滚圆表面平整等。

自由锻件的主要原则是：

在满足使用性能要求的条件下，应使锻件形状简单，易于锻造，1）形状简单2）避免加凸台强肋，工字截面3）避免曲面交接4）避免截面尺寸的急剧变化。

本文主要是利用自由锻进行加工的。

所以主要介绍自由锻，自由锻是利用压力或冲击力是金属在上、下抵铁之间产生塑性变形，从而获得所需锻件形状尺寸的方法。

自由锻分为手工锻造和机械锻造两种。

手工锻造只能生产小型锻件，生产效率也低，而机械锻造是自由段的主要方法。

自由锻可锻造各种质量的简单形状锻件，并因锻造过程是局部变形，变形抗力小，特别适用单件小批量水轮主轴、多管曲轴、连杆等大型锻件生产。

齿轮的结构与分析

3.1齿轮分析

齿轮是工程中常用的一种零件，其工作环境也比较复杂，用于连续啮合传递运动和动力的机械元件，可以实现减速、增速、变向和换向，受力也较复杂。

这些因素使在做齿轮时必须有更高的强度和刚度。

而锻造件在锻造的时候可以使其产生纤维组织强化钢材，同时锻造也可以打碎铸态组织，获得较高综合力学性能。

对于要求更高的齿轮可以通过锻造再加上淬火、调质处理，使钢获得更好的力学性能。

同时用锻件做零件毛坯可以减少用材，节约资金比较经济实惠。

3.2齿轮工艺分析

根据齿轮的使用要求和条件进行分析、研究，总结出自己的设计方案。

由于齿轮的结构简单在综合考虑过其经济性、工艺性和使用性后，将其设计为六个步骤：

下料、镦粗、镦剂台阶、冲孔、滚圆、平整等。

由于锻件比较简单故不需要设置余块。

通过查表和计算确定其锻造公差、锻造比、和烧损率以及锻造设备选用0.5t自由锻锤。

总体设计方案

4.1绘制锻件图

根据零件图的基本图样，结合自由锻工艺特点考虑余块、锻件余量和锻造公差等因素绘制而成。

4.2计算坯料质量及尺寸

（1）坯料质量的计算

根据锻件的形状和尺寸，可先计算锻件的质量，再考虑加热时的氧化损失，冲孔时冲掉的芯料以及切头的损失，可先计算锻件所用的坯料的质量，其计算公式为

m坯=m锻+m烧+m头+m芯

（2）坯料尺寸确定

皮料尺寸与所用第一个基本工序有关，由于齿轮是饼块类或空心类锻件，用镦粗工序锻造时，为了避免镦弯，应使坯料高度h不超过直径D的2.5倍，即坯料高径比h/D不超过2.5。

为了在截料时便于操作，毛坯高度h不仅应小于2.5D，即高径比还应大于1.25即

圆料直径

。

3.选择锻造工序

齿轮的锻造，根据其横向尺寸大于或近于高度的特点一般以镦粗为主，当锻件有凸肩时，可按凸肩尺寸选垫环镦粗促或局部镦粗。

若锻件孔需冲出还需采取冲孔。

4.选定锻造设备

选定锻造设备的依据是锻件材料、尺寸和质量，同时还要适当考虑车间现有设备条件。

若设备吨位太小，锻件内部锻不透，生产率也低，反则造成设备和动力的浪费，且操作不便也不安全，通常按经验类比法或查表法等确定。

（1）经验类比法

锻锤吨位可按经验公式计算：

镦粗时锻锤的吨位G=（0.002-0.0003）KS（kg）

（2）查表选定法

对于低碳钢、中碳钢和普通低合金钢的自由锻可查表选定吨位。

5.确定锻造温度及规范

（1）确定锻造温度范围

各类合金钢的锻造温度范围可以从表中查出，基本的原则是确保钢在锻造温度范围内具有良好的塑性和较低的变形抗力，能够锻造出优质锻件，且较宽的锻造温度范围和较少的加热次数，以及较高的生产率。

（2）确定加热及冷却范围

对于导热性好，直径小于150~200mm的碳素结构钢小件，采用一段加热规范，一般高温装炉，炉温控制在1300℃~1350℃。

当坯料加热至始锻温度后，立即出炉锻造。

（3）确定冷却方法及规范

根据要求选择空冷、坑冷或炉冷。

中小型碳钢和低合金钢锻后均采取冷却速度较快的空冷方法。

碳素工具钢、合金工具钢及轴承钢，锻后先空冷鼓风或喷雾等快速冷到200℃，然后把锻件放入坑中或炉中缓冷。

具体设计方案步骤

5.1绘制锻件图

锻件图是拟定锻造工艺规程、选择工具、指导生产和验收锻件的主要依据。

它是以机械零件图为基础，结合自由锻工艺特点，考虑到机械加工余量、锻造公差、工艺余块、检验试样及工艺卡头等绘制而成。

该零件材料为45号钢，生产批量小，采取自由锻锻造齿轮坯。

齿轮上的齿形，圆周小凹槽，凸肩以及8×φ30mm通孔等部分，采用自由锻方法很难成形这些部位，因此考虑到技术上的可行性和经济性，决定不与锻出，并采用附加余块简化锻件外形，以利于锻造。

锻造出齿轮坯后可以进一步进行切削加工，最后成形。

根据零件图的尺寸规格，对照表所列中零件的高度和直径范围，可以查出齿轮锻件加工余量和公差。

D=289，h=52，查得的加工余量及公差为锻件水平方向a=10±4，锻件高度方向b=9±3，内孔的双边c=13±5，然后按查得的公差数值，便可绘出凸肩齿轮的锻件图。

锻件图另行给出。

5.2制定变形工艺

凸肩形齿轮锻件属于空心零件，根据锻件形状尺寸，确定在锻锤上进行锻造，且主要变形工艺为镦粗、冲孔、冲头扩孔等工序，同时根据锻件上的凸肩形状确定采用垫环辅助局部镦粗成型。

目前这类短剑一般采用局部镦粗，而镦挤成形则适于直径和高度均较小的凸肩锻件。

由于齿轮内径较大，因此确定采用冲头扩孔，但考虑到冲孔扩孔时金属将会沿着径向流动，并沿着凸肩高度方向产生拉缩现象，因此垫环镦粗后的外径尺寸应比锻件外径小些，且凸肩高度应比锻件凸肩大些。

（1）镦粗

由于锻件带有单面凸肩，需采用垫环镦粗，这里要确定垫环尺寸。

垫环孔腔体积V垫应比锻件凸肩体积V肩大10%—15%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取12%，经计算V肩=753253mm3。

则

V垫=（1+12%）V肩=1.12×753253=843643mm3

考虑到冲孔是会产生拉缩，垫环高度H垫应比凸肩增大15%—30%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取20%。

H垫=1.2H肩=1.2×34=40.8（mm）取40mm。

垫环内径d垫可根据体积不便求得，即

垫环内壁应有斜度7度，上端孔径定为163mm，下端孔径定为154mm。

为了除去氧化皮在垫环镦粗之前应进行平砧镦粗，工艺过程如图。

平砧镦粗后坯料的直径应略小于垫环内径，经垫环镦粗后上端法兰部分直径应小于锻件最大直径。

（2）冲孔

冲孔应使冲孔芯料损失小，同时扩孔次数不能太多，冲孔直径d冲应小于或等于D/3即d冲≤D/3=213/3=71mm,实际选用d=60mm。

（3）扩孔

总扩孔量为锻件孔径减去冲孔直径，即（131-60）=71mm,一般每次扩孔量为25~30mm，分配各次扩孔量为21mm、25mm、25mm。

（4）修整锻件

按锻件图进行修整。

5.3计算坯料的质量与尺寸

坯料质量等于锻件质量加上芯料质量和烧损质量，锻件质量按公式计算为

m锻=V锻ρ=π/4（32×0.27+2.112×0.34+1.322×0.61）×7.8=17.8kg

冲孔芯料的质量（取d=60mm，H=65mm）为

m芯=（1.18~1.57）d2×H=0.3kg

坯料的煤气炉加热的烧损率δ=2%，考虑到该锻件需要经过2~3次扩孔，而至少需要加热2次，因此应取单火烧损率的上限再加上适当的烧损值，即为δ=0.035，所以坯料的烧损质量为

m烧=17.8×0.035kg=0.6kg

所以坯料的质量为

m坯=m锻+m烧+m头+m芯=18.7kg

计算坯料的直径时，由于采用镦粗成形，可按下式计算：

查表可知标准热轧圆钢直径，确定选取坯料直径D=120mm。

坯料长度为

从而确定坯料尺寸为φ120×210mm。

5.4确定锻造设备

该锻件类型属于圆环，D=289，H=52，查表可知应选用5kN的自由锻锤。

45号钢属于优质碳素结构钢，查表可知始锻温度为1200℃~1250℃，终锻温度为800℃。

因为该锻件是直径为200~350mm的碳素结构钢中型件，采用煤气炉三段式加热规范，装料炉温为1150℃~1200℃，保温时间约为总加热时间（1h~100min）的5%~10%，这里保温为15min，再以最大加热速度加热至1200℃以后，再次保温均热约为15min后开始锻造。

5.5确定锻造温度及规范

5.5.1确定温度范围

锻造温度范围是指锻件有始锻温度到终端温度的间隔。

确定锻造温度的基本原则，是保证金属材料在锻造温度范围内具有良好的塑形和较低的变形抗力，能锻出优质的锻件。

由于此齿轮用的是45号钢，根据工程材料知识可知45号钢在不同的温度下有不通同的相，而它在1000多度时呈现奥氏体相，奥氏体相具有较好的塑形和韧性易于在高温下变形。

再由表3-16中查得始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃。

5.5.2确定加热规范及火次

因为该锻件是直径为200~350mm的碳素结构钢中型件，所以采用煤气炉三段式加热规范

5.5.3确定冷却方法及规范

锻件在锻后冷却时，按冷却速度分为空冷、坑冷和炉冷。

由于此锻件属于中小型低合金结构钢锻件，所以采用堆放空冷的方式即可。

5.5.4确定热处理规范

锻件常规热处理是将锻件冷却到室温。

再将锻件加热进行热处理。

另外是将锻造与热处理联在一块进行，即锻造过后直接进行淬火或正火热处理。

这样可以起到变形强化和热处理双重作用，使锻件既获得高强度和高塑性综合力学性能。

根据工程材料所学知识，该坯料锻造成型后，在粗加工前必须先经去应力退火处理，并再加工后再进行调质处理。

若质量要求不高，可用正火代替调质，以降低成本。

若表面要求较高，则还需在精加工前进行淬火和回火处理。

工艺过程流程

锻件名称

齿轮

（锻件图另行给出）

锻件材料

45号钢

坯料质量

18.7kg

坯料尺寸

φ120×210mm

锻造设备

0.5t自由锻锤

火次

操作工序

工序简图

备注

1

下料

坯料质量与尺寸可由锻件图算出，为φ120×210mm

镦粗

垫换局部镦粗

H垫=40mm，

d垫=164mm

2

冲孔

d冲=60mm

冲头扩孔

分三次扩孔，每次扩孔量为21mm、25mm、25mm

修整

按锻件图进行修整

总结

通过这次课程设计，我了解了锻压的基本分类，主要分为锻造和冲压等，其中锻造分为自由锻和模锻等。

本次课程设计中主要运用了自由锻，从而使我对自由锻过程有了了解，并对锻造工艺设计有了进一步的认识，锻造工艺基本过程分为绘制锻件图、制定变形工艺、计算皮料质量和尺寸、确定锻造设备、确定锻造温度及规范和填写锻造工艺卡。

这次课程设计使我不仅再次复习了热处理的基本内容，也使我掌握了刚学的热加工工艺基础知识，也对以后的课程设计有了基础，对论文的格式有了基本认识，使我在以后的论文写作中可以运用自如。

同时也使我自己认识到自己还有很多东西都不知道。

需要进一步努力。

致谢

经过两周的努力，我终于完成了这次课程设计，在此要特别感谢刘老师和张老师，感谢刘老师在这一年两个学期中的辛勤教导,刘老师不仅教会了我们知识,更重要的是教会了我们如何做人.在这次课程设计中也得到了张老师的细心指导和帮助,同时在这个过程中和同学们一起进行过讨论和分享,也得到了同学们的帮助,感到非常幸运！

最后我向所有帮助过我的人表示忠心的感谢，以后我会更加努力的学习专业知识，在学习中进步，在学习中与大家一块分享快乐！

争取越来越好！

参考文献

【1】王爱珍：

机械工程材料[M].北京.航空航天大学出版社，2009

【2】王爱珍：

热加工工艺基础[M].北京.航空航天大学出版社，2009

【3】王爱珍：

金属成型工艺设计[M].北京.航空航天大学出版社，2009