齿轮锻造课程设计说明书.docx
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齿轮锻造课程设计说明书
编号
课程设计说明书
题目圆柱齿轮热模锻工艺及模具设计
二级学院
材料科学与工程学院
专
业
材料成形及控制工程
班
级
学生
学号
指导教师
职称
时
间
...
绪论
...................................................
错误!
未定义书签。
1
零件分析及工艺方案确定.................................................
1
1.1
零件分析.........................................................
1
1.2
工艺方案的确定...................................................
1
2
热模锻压力机模锻件设计.................................................
3
2.1
选择分模面.......................................................
6
2.2
确定模锻件加工余量及公差.........................................
7
2.3
确定锻件模锻斜度.................................................
9
2.4
确定锻件圆角半径.................................................
9
2.4
确定锻件连皮....................................................
10
2.5
确定模锻件的技术要求............................................
10
2.6
绘制锻件图及计算锻件基本数据....................................
11
3
热模锻压力机锻模设计..................................................
11
3.1
设备吨位的确定...................................................
12
3.2
选择飞边槽.......................................................
12
3.3
确定排气孔........................................................
13
3.4
终锻模膛设计......................................................
13
3.5
预锻模膛的确定....................................................
14
3.6
其他模膛设计......................................................
14
4
热模锻压力机模锻工艺设计..............................................
15
4.1
选择制坯工步....................................................
15
4.2
确定坯料尺寸....................................................
15
5
锻模结构设计..........................................................
16
6
锻前加热锻后冷却及热处理要求的确定....................................
19
6.1
确定加热方式，及锻造温度围......................................
19
6.2
确定加热时间....................................................
19
6.3
确定冷却方式及规................................................
19
6.4
确定锻后热处理方式及要求........................................
19
7
确定模具材料及热处理的要求...........................................
20
8
模锻工艺流程确定.....................................................
21
9
参考文献.............................................................
22
...
绪论
锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下加工机械零件或零件毛坯
的方法。
与其它加工方法相比，锻造加工生产率高；锻件的形状,尺寸稳定性好，并具有最佳的综合力学性能。
锻件的最大优势是韧性高，纤维组织合理，件与件之间性能变化小；锻件的部质量与加工历史有关，不会被任何一种金属加工工艺超过。
锻造生产根据使用工具和生产工艺的不同而分为自由锻、模锻和特种锻造。
自由锻造：
一般是指借助简单工具，如锤，砧，型砧，摔子，冲子，垫铁等对铸锭或棒材进行镦粗，拔长，弯曲，冲孔，扩孔等方式生产零件毛坯。
加工余
量大，生产效率低；锻件力学性能和表面质量受生产操作工人的影响大，不易保证。
这种锻造方法只适合单件及极小批量或大锻件的生产；不过，模锻的制坯工步有时也采用自由锻。
特种锻造：
有些零件采用专用设备可以大幅度提高生产率，锻件的各种要求也可以得到很好的保证，特种锻造有一定的局限性，特种锻造机械只能生产某一类型的产品，因此适合于生产批量大的零部件。
模锻：
模锻是指将坯料放入上下模块儿的模膛间，借助锻锤锤头，压力机滑块或液压机活动横梁向下的冲击或压力成形为锻件。
锻模的上下模块分别紧固在锤头和底座上。
模锻件余量小，只需少量的机械加工（有的甚至不加工）。
模锻生产效率高，部组织均匀，件与件之间的性能变化小，形状和尺寸主要靠模具保证，受操作人员的影响小。
锻造应用围广，几乎所有的运动的受力部件都由锻造成形，大到飞机轮船小到我们生活中的日常用品，锻造是现代工业的重要组成部分，同时也推动现代工业的不断向前发展。
在现代工业生产中，模具是生产各类产品的重要工艺装备，它以其特定的形状通过一定的方式使原材料成形。
采用模具生产零部件，具有生产效率高、质量好、成本低、节省能源和原材料等一系列优点，在锻造、冲压、塑料模制品等行
业中得到了广泛应用，成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。
模具工业
...
对国民经济和社会的发展，起着越来越重要的作用。
模具工业的快速发展，不断对模具制造提出更高的要求。
世界上一些发达国家，模具制造技术发展非常迅速，模具制造的水平制约这模具设计的的发展，同时也制约这整个模具行业的发展。
模具制造水平的高低，已经成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。
时至现在，计算机水平的飞速发展，CAD、CAE已广泛应用在设计制造中，这就使线切割，电火花等现代加工手段成为现实，基本上使模具设计脱离了模具
制造水平的制约，同时也模具设计提供了一个广阔的平台。
...
1零件分析及工艺方案确定
1.1零件分析
锻件工艺分析包括技术和经济两个方面的容。
在技术方面，根据锻件图纸，主要分析该模锻件的形状特点、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合锻造工艺的要求；在经济方面根据锻件的生产批量，分析产品成本，做到在不影响零件使用的前提下，用最简单最经济的方法生产出来。
一、对锻件的形状精度分析
本次设计工件是圆柱齿轮。
外形复杂度一般，是由杆类件和弯曲件特征组成，杆类特征部分和弯曲类特征部分成一定的角度，相对复杂的锻件外形就决定了比较复杂的型腔，这对模具制造和模具寿命还是造成了一定的不利影响。
本锻件精度等级不是特别的高，属半精密级（用于普通锻件和半精锻工艺锻压），但由于锻件的外表面大部分区域锻造成形不需要进一步加工，相对来说要求也比较高。
二、对锻件的经济性分析
所谓经济性，就是以最小的耗费取得最大的经济效果。
在锻造生产中，保证产品质量，完成产品数量、品种计划的前提下，产品的成本越低，说明你设计的模具经济效果越大。
降低制造成本的措施：
1、降低模具费用，是降低成本的有效措施；
2、工艺合理化可以降低模具费、节约加工工时、降低材料费用；
3、多个工件同时加工成形，可使模具费、材料费和加工费降低；
4、锻造过程的自动化及高速化，可以降低加工费用和提高材料利用率；
5、提高材料利用率，降低材料费。
1.2工艺方案的确定
常用的模锻方式有：
曲柄压力机上模锻、螺旋压力机上模锻、锤上模锻。
故
在此有三中方案供选择：
一、曲柄压力机上模锻
曲柄压力机行程和压力不可以随意调节，不易进行拔长、滚挤等制坯操作；
对于一些主要靠压入方式成形的锻件不得不采用多模膛模锻，增加了模具和工
序；造价比较昂贵，一次性投资大。
优点如下：
1、锻件精度较锤上模锻精度高；
...
2、曲柄压力机上模锻件部变形深透而均匀，流线分布也均匀合理，保证了力学
性能均匀一致；
3、曲柄压力机上模锻容易产生大毛边，金属充填上下模差异不大；
4、曲柄压力机模锻具有静压力的特性，金属在模膛流动较缓慢；
二、螺旋压力机上模锻
螺旋压力机上模锻不能进行多型腔锻造，需要时，需要进行单独制坯。
效率
比较低，造价比较高。
三、锤上模锻
1、工艺灵活，适应行好，可以生产各类形状复杂的锻件，如盘形件、轴类件等；
可单模膛模锻，也可以多模膛模锻；可单件模锻，还可以多件模锻或一料多件连
续模锻。
2、锤头的行程，打击速度或打击能量均可调节，能实现轻重缓急不同的打击，因而可以实现镦粗，拔长，滚挤，弯曲，卡压，成形，预锻和终锻等各类工步。
3、锤上模锻是靠锤头多次冲击坯料使之成形，因锤头运动速度快，金属流动有
惯性，所以充填模膛能力强。
4、模锻件的纤维组织是按锻件轮廓分布的，机械加工后仍基本保持完整，从而
提高锻制零件的使用寿命。
根据题目要求此圆柱齿轮采用第一种方案模锻即热模锻压机模锻。
圆柱齿轮零件图
...
2热模锻压力机模锻件设计
表4-1锻件图设计的步骤和原则
序号
步骤
原则
确定分模位置
锻件的分模线形状分为：
平直分模线、对称弯曲分模线、
和形状
不对称弯曲分模线。
良好的分模面应达到如下要求：
1.保证锻
件容易脱模，一般应以最大投影面作为分模面。
2.分模面应易
1
于检验上下模膛的相对位移。
3.分模线应尽可能选用直线，使
锻模加工简单。
但对头部尺寸较大且上下不对称的锻件，则易
取折线分模，以保证成形充满。
4.圆饼类锻件的高度小于直径
时，应取径向分模。
5.应保证锻件有合理的金属流线分布。
确定锻件公差
各生产厂应根据所用锻造和加热设备的精度，模锻件的形
2
和机械加工余
状和材料，零件设计对锻件尺寸的要求和锻件订货、验收所涉
量
及的问题等，确定锻件的公差和加工余量。
确定
模壁斜度大模锻后锻件易于从模膛中取出，但模壁斜度越
3
模锻斜度
大，所需的充模压力也越大。
确定锻件的圆
锻件外形和腔轮廓拐角处的圆角半径对金属流动有很大的
角半径
影响，过小的圆角半径，使金属流动受到很大的阻力而不易充
4
满模膛，消耗较多的能量并造成模具相应部位严重磨埙，因此
在允许的情况下应将此类圆角半径加大。
2.1确定分模位置
确定分模面位置最基本的原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同。
使锻件容易从锻模模膛中取出，因此锻件的侧表面不得有凹的形状，并且使模膛的宽度大而深度小。
锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上。
应使飞边能切除干净，不至产生飞刺。
对金属流线有要求的锻件，应保证锻件有最好的纤维分布。
圆柱齿轮为饼类件锻件，其高径比H/D=50/235=0.213<1,因此取径向分模。
根据零件形状，分模面取为最大直径处的1/2高度位置，分模面如下图。
...
根据圆柱齿轮零件图的形状，采用从轮缘中部直线分模面
2.2确定公差和加工余量
1、估算锻件质量。
由表查出碳钢类密度为7.85g/cm3。
计算锻件体积：
2
2
2
2
15π85
2
Vd=π235
40π85
10π58
502π176
15=1099.41cm3
2
2
2
2
2
。
计算锻件质量：
Gd
8.63kg。
外轮廓包容体积：
Vb
（
235
2
=2167.58
3
。
）50
cm
2
外轮廓包容的质量：
Gb
17.01kg。
由于零件材料为20Cr，即材质系数为M1。
2、锻件复杂系数
形状复杂系数SGd/Gb
...
S=8.63/17.01=0.5071。
根据计算的复杂系数S查下表，为Ⅱ级复杂系数S2。
表4-4
锻件形状复杂程度等级
级别
代号
形状复杂系数值
形状复杂程度
Ⅰ
S1
0.63～1
简单
Ⅱ
S2
0.32
～0.63
一般
Ⅲ
S3
0.16
～0.32
较复杂
Ⅳ
S4
≤0.16
复杂
该零件的表面粗糙度为Ra=3.2m,即加工精度为F1级。
由于热模锻压力机导向精度高，因此锻件的余量和公差值可以比锤上模锻相应减小30%~50%。
根据材质系数M1，形状复杂系数S，由《锻造实用速查手册》
表2-20查得公差与余量。
查的锤上模锻锻件长度公差为3.6-12..24mm，宽度公差为3.6-12..24mm，高度公差为2.5-01..87mm，单边加工余量厚度方向与水平方向加工余量都为2.0~2.5mm。
因为锻件的余量和公差值可以比锤上模锻相应减小30%~50%,所以热锻模压
力机模锻件取长度公差1.8-01..62，宽度公差为1.8-01..62mm，高度公差为1.6-01..51mm，单边
加工余量厚度方向与水平方向加工余量取为1.5mm。
锻件孔直径的单面机械加工
余量1.0mm。
长度公差
宽度公差
高度公差
厚度方向与水平方向单边加工
孔直单边径加工余
余量
量
1.8-01..62
1.8-01.6.2
1.6-01..51
1.5
1.0
...
2.3模锻斜度
由于锻压机具有顶料，因此其锻件的斜度可比锤上模锻件斜度小一级。
由《锻造实用速查手册》表2-35，查的外模斜度ɑ=5°，模斜度β=7°。
为了使锻模制造时避免复杂化，斜度应力求统一，按较大斜度取得一致。
所以斜度模锻斜度值为7°。
2.4圆角半径
锻件上的圆角可使金属容易充满模膛，起模方便和延长模具使用寿命。
圆角半径太小会使锻模在热处理或使用中产生裂纹或压塌变形，在锻件上也容易产生折纹。
同时为了加工方便同一锻件圆角的选取要与铣刀相配。
为了使金属易于流动和充满模膛，提高锻件质量并延长锻模寿命，模锻件上的所有转接处都用圆弧连接。
由零件图计算H/B都为≤2
所以r=0.05h+0.5
R=2.5r+0.5
因此轮缘处r=1.25mmR=3.625mm
轮毂处r=1.75mmR=4.875mm
为使锻件圆角半径规格尽量一致取r=2mmR=5mm
按r=余量+ɑ校核（ɑ为零件相应处的圆角半径或倒角值）
...
零件孔有倒角2mm×45°,故此处外圆角半径r=余量+ɑ=1.5+2=3.5mm，圆整
后r=3mm。
又锻件轮辐上的圆角不需要再进行机械加工，所以外圆角半径按照零件图上
的圆角半径不变。
故最终：
孔有倒角处外圆角半径r其余外圆角半径r圆角半径R
3mm2mm2mm
2.5锻件连皮
模锻不能直接锻出透孔，因此，在设计热锻件图时必须在孔保留一层连皮，
然后在切边压力机上冲除掉。
一般情况下，当锻件孔直径大于30mm时要考虑冲
孔连皮。
在这里采用平底连皮形式，其厚度s按下式确定：
s0.45d0.25h50.6h（mm）
式中d—锻件孔直径（mm）
h—锻件孔深度（mm）
s0.45500.254550.6456.64mm故取连皮s=7mm
因模锻成形过程中金属流动激烈，连皮上的圆角半径R1应比圆角半径R大，
可按照下式确定：
R
1
R
0.1h
2
所以R
1
5
0.1
45211.5mm
R1=12mm
连皮厚度s（mm）
7
连皮上圆角半径R1（mm）
12
2.6技术条件
（1）图上未标注的模锻斜度7o；
（2）图上未标注的圆角半径R2；
（3）允许的错移量1.2mm；
（4）允许的残留毛边量1.2mm；
...
（5）允许的表面缺陷深度0.5mm；
（6）锻件热处理:
调质HB230—260；
（7）锻件表面清理:
为便于检查淬火裂纹,采用酸洗。
根据余量和公差,绘制冷锻件图。
2.7计算锻件的主要参数
求出锻件的基本数据如下：
（1）锻件在平面上的投影面积为
2
44486
2
（238/2）
;
mm
（2）锻件周边长度为238748mm;
（3）锻件体积为1099.41mm3;
（4）锻件质量为8.63kg。
3热模锻压力机锻模设计
因为热模锻压力机有上、下顶出装置，所以大多短轴类和长轴类锻件可在
热模锻压力机上生产，不少顶镦类锻件也可在热模锻压力机上生产，热模锻压力
机上常用的变形工步有终锻，预锻，镦粗，成型镦粗，压挤，弯曲等。
热模锻压
力机工艺过程的万能性差，不便于拔长和滚挤等制坯工步。
热模锻压力机常常用
到预锻工步且热模锻压力机模具可采用镶块式组合结构。
...
3.1设备公称压力的确定
锻压机公称压力的选择一般根据锻造力P确定的，锻造力P（KN）一般根据经
验公式或图标确定。
估算锻件投影面积f（包括飞边桥部）=467cm2，由吕炎《锻
模设计手册》图7-4，且在使用时使用吨位最是设备吨位的80%，所以查下表选择设备吨位为31500kN。
3.2选择飞边槽
为防止压力机“闷车”，在热模锻压力机上模锻时，上下锻模不能直接接触，没有承击面，预锻模槽和终锻模槽的上下间隙即飞边桥部的厚度。
飞边槽增加金属流出模膛的阻力，迫使金属充满模膛，飞边还可容纳多余金属。
锻造时飞边起缓冲的作用，减弱上模对下模的打击，是模具不易压塌和开裂，飞边槽的尺寸可按设备公称压力确定。
...
形式Ⅱ为标准形，一般采用此种形式。
设备吨位31500kN，查上表7-4，有：
h
b
B
L
r1
r2
5
15
10
50
2
3
故画出飞边槽结构图如下：
3.3
确定排气孔
排气孔直径不大于
2mm,深度为5mm到15mm,其下端则扩大为
4到5mm,以
简化制造工艺。
3.4
终锻模膛设计
终锻模膛设计的主要容是绘制热锻件图，还有飞边槽类型及尺寸，终锻模膛
是各种模膛中最重要的模膛，用来完成锻件最终成型，终锻件图按热锻件图加工
和检验，所以设计终端形槽须先设计热锻件图。
热锻简图是按照冷锻简图加收缩
率绘制。
材料为20Cr,圆柱齿轮考虑收缩率为1.5%，模锻斜度和外圆角的尺寸按
冷锻件图不变。
绘制的热锻件图见下图。
热模锻件图
...
3.5预锻模膛设计
为使预锻件轻易放进终锻模膛，预锻件的侧尺寸应比终锻件大0.5mm左右，
外侧尺寸比终锻件小0.5~1mm，轮辐厚度预锻和终锻工步相等或略小，高度方
向预锻工步尺寸应比终端尺寸大1~3mm，轮毂部分预锻的体积比终锻的体积大
1%~3%。
预锻件圆角半径及模锻斜度设计原则与锻上模锻相同，预锻时冲孔尺
寸厚度单边≤5mm,有下图示。
由终锻件图画出预锻件图
3.6镦粗模膛设计
镦粗模膛有镦粗台和成形镦粗两种，镦粗圆形件采用镦粗台。
镦粗后毛坯高
度h,可按其外径比预锻模膛在分模面上的直径小1~3mm,一般能放进预锻模膛即可。
...
4热模锻压力机模锻工艺设计
4.1确定制坯工步
圆饼类模锻件的坯料坯料采用镦粗制坯，目的是避免终锻时产生折叠，兼有除去氧化皮的作用。
镦粗直径的确定需考虑锻件的形状，防止轮毂与轮缘间产生
折叠，对常齿啮合轮锻件时应满足
D1
D镦D2
，即
D2
238175mm206.5mmD镦176mm，取D镦=200mm。
模锻工艺方案为：
镦粗→
2
预锻→终锻。
4.2确定坯料尺寸
圆柱齿轮锻件为圆饼类锻件，计算毛坯尺寸时，以镦粗变形为依据。
1）坯料体积为：
V坯=（1+k）V锻；
式中k---为富裕系数，它综合了模锻件复杂系数，飞边体积和火耗量的影响。
对圆形模锻件，k=0.12~0.25;
V锻---模锻件本体体积；
V坯=（1+0.18）×1099.41=1297303mm3
2）坯料直径：
d坯=1.133V坯/m；
m---毛
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