锻造工艺规程 齿轮 资料文档格式.docx

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金属塑性变形的能力又称为金属的可锻性，它指金属材料在塑性成形加工时获得毛坯或零件的难易程度。

可锻性用金属的塑性指标（延伸系数δ和断面减缩率Ψ）和变形抗力来综合衡量。

影响金属塑性的因素：

（1）金属本身的性质——纯金属塑性优于合金；

铁、铝、铜、镍、金、银塑性好；

金属内部为单相组织塑性好；

晶粒均匀细小塑性好。

（2）变形的加工条件

1）变形温度↑，塑性↑；

2）变形速度的影响；

3）压状态为三向压应力时塑性最好。

图2.7低碳钢力学性能与温度变化

图2.8变形速度对塑性及变形抗力的影响

2、金属塑性变形的基本规律

（1）体积不变定理

金属固态成形加工中金属变形后的体积等于变形前的体积。

根据体积不变定律，在金属塑性变形的每一工序中，坯料一个方向尺寸减少，必然在其他方向尺寸有所增加，在确定各中间工序尺寸变化时非常方便。

（2）最小阻力定律

金属在塑性变形过程中，其质点都将沿着阻力最小的方向移动。

一般来说，金属内某一质点塑性变形时移动的最小阻力方向就是通过该质点向金属变形部分的周边所作的最短法线的方向。

应用最小阻力定律可以事先判定锻造时金属截面的变化。

2金属的锻造

锻造是塑性加工的重要分支。

它是利用材料的可塑性，借助外力的作用产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。

锻造属于二次塑性加工，变形方式为体积成形。

锻造的分类：

锻造分为自由锻造和模锻两大类。

锻造材料：

锻造用材料涉及面很宽，既有多种牌号的钢及高温合金，又有铝、镁、钛、铜等有色金属；

既有经过一次加工成不同尺寸的棒材和型材，又有多种规格的锭料。

锻造前的准备：

1．算料与下料

算料与下料是提高材料利用率，实现毛坯精化的重要环节之一。

过多材料不仅造成浪费，而且加剧模膛磨损和能量消耗。

下料若不稍留余量，将增加工艺调整的难度，增加废品率。

此外，下料端面质量对工艺和锻件质量也有影响。

2．金属加热

加热目的锻造和模锻前金属的加热目的是：

提高金属的塑性，降低变形抗力，以利于金属的变形和获得良好的锻后组织。

因此金属加热是热锻生产中不可缺少的重要工序之一。

金属锻造温度范围的确定锻造温度范围时至始锻温度和终缎温度间的一段温度间隔。

始锻温度主要受到过热和过烧的限制，它一般应低于熔点100～200℃。

对于碳钢，由状态图可看出，始锻温度应该随含碳量的增加而降低。

对于合金钢，通常始锻温度随含碳量的增加降低得更多。

钢锭由于液态凝固时得到的原始组织比较稳定，过热的倾向小，因此钢锭的始锻温度可比同种钢的钢坯和钢材高20～50℃。

终锻温度主要应保证在结束锻造之前金属还具有足够的塑性以及锻件在锻后获得再结晶组织。

但过高的锻造温度也会使锻件在冷却过程中晶粒继续长大，因而降低了力学性能，尤其是冲击韧度。

一、自由锻造

只用简单的通用工具，或在锻造设备的上、下铁砧间直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需几何形状及内部质量的锻件的加工方法，称为自由锻造。

（一）自由锻造的基本工序

1．镦粗使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序叫做镦粗，在坯料上某一部分进行的镦粗叫做局部镦粗。

镦粗用于由横断面积较小的毛坯得到横断面积较大而高度较小的锻件。

例如：

冲孔前增大毛坯横断面积和平整毛坯端面；

提高下一步拔长时的锻造比；

提高锻件的力学性能和减少力学性能的异向性等。

反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布。

镦粗时的注意事项：

1）为防止镦粗时产生纵向弯曲，圆柱体毛坯高度与直径之比不应超过2.5～3，在2～2.2的范围内更好。

对于平行六面体毛坯，其高度与较小的基边之比应小于3.5～4。

镦粗前毛坯端面应平整，并与轴心线垂直。

镦粗前毛坯加热温度应均匀，镦粗时要把毛坯围绕着它的轴心线不停的转动，毛坯发生弯曲时必须立即校正。

2）镦粗较高的毛坯（H/D≈3）时，常常先要产生双鼓形（图2.9），上部和下不变形大，中部变形小。

毛坯更高（H/D＞3）时，镦粗时容易失稳而弯曲，尤其当毛坯端面与轴线不垂直，或毛坯有初弯曲，或毛坯各处温度和性能不均，或砧面不平时更易产生弯曲。

弯曲了的毛坯如不及时校正而继续镦粗则要产生折迭。

图2.9高毛坯镦粗时形成双鼓形

2．拔长使毛坯横断面积减小而长度增加的工序叫拔长。

有矩形断面毛坯的拔长和圆断面毛坯的拔长。

拔长的主要问题是生产率和质量，主要的工艺参数时送进量（l）和压下量（Δh），如图所示。

图2.10拔长

1）矩形断面毛坯的拔长

矩形断面毛坯拔长时，送进量和压下量对质量的影响是很大的。

送进量（l/h）过大时易产生外部横向裂纹、交裂和对角线裂纹。

但当送进量过小，如l/h=0.25时，上部和下部变形大，中部变形小，变形主要集中在上、下部分，中间部分锻不透，而且轴心部分沿轴向受附加拉应力，在拔长锭料和大截面的低塑性坯料时，易产生内部横向裂纹。

综上所述，可以看出送进量过大和过小都是不好的，因此，正确的选择送进量极为重要。

根据试验和生产实践，一般认为l/h=0.5～0.8虽然较为合适，但由于工具摩擦和两端不变形部分的影响，一次压缩后沿轴向的变形分布仍然是不均匀的。

为了获得较为均匀的变形，使锻件和锻后的组织和性能均匀，在拔长操作使，应使前后各遍压缩时的进料位置相互错开。

2）圆断面毛坯的拔长

用平砧拔长圆断面毛坯时，若压下量较小，则接触面积较窄较长，金属多作横向流动，不仅生产效率低，而且常易在锻件内部产生纵向裂纹，如图所示。

图2.11平砧、小压下量拔长圆形断面毛坯

图2.12平砧、小压下量拔长圆形断面毛坯时产生的纵裂

拔长圆断面毛坯通常采用下述两种方法：

（1）在平砧上拔长时先将圆断面毛坯压成矩形断面，再将矩形断面毛坯拔长到一定尺寸，然后再压成八角形，最后锻成圆形，其主要变形阶段是矩形断面毛坯在平砧上拔长

（2）在型砧（或摔子）内进行拔长，利用工具的侧面压力限制金属的横向流动，迫使金属沿轴向伸长。

与平砧比可提高拔长生产效率20%～40%。

在型砧内（或摔子内）拔长似的应力状态，也能防止内部纵向裂纹产生。

拔长用型砧有圆型砧和V形砧两类，如图所示。

图2.13型砧拔长圆断面毛坯

3．芯轴拔长

芯轴拔长是一种减小空心毛坯外径（壁厚）而增加其长度的锻造工序，用于锻制长筒类锻件，如图所示。

图2.14用芯轴拔长

4．冲孔在坯料中冲出透孔或不透孔的锻造工序叫做冲孔。

（二）自由锻造工艺过程的制定

制定自由锻工艺过程的主要内容是：

1）根据零件图作出锻件图；

2）确定毛坯的重量和尺寸；

3）决定变形工艺和工具；

4）选择设备；

5）确定火次、锻造温度范围、加热和冷却规范；

6）确定热处理规范；

7）对锻件提出技术要求和检验要求；

8）编制工时定额。

1．锻件图的绘制

锻件图是根据零件图绘制的，在零件图的基础上考虑余块、机械加工余量和锻造公差三个因素而形成的。

锻件图上的锻件形状用粗实线描绘。

为了便于了解零件的形状和检查锻造后的实际余量，在锻件图上用假象线（一线两点的点画线）或细实线画出零件的简单形状。

锻件的公称尺寸和公差注在尺寸线上面，而机械加工后的零件工称尺寸注在尺寸线下面的括号内，加放余块的部分在尺寸线之间的括号内注上零件尺寸。

在锻件图上还应注明锻件的总长和各部分的长度。

2确定毛坯的重量和尺寸

1）毛坯重量的计算

锻制锻件所需毛坯重量为锻件重量与锻造时金属损耗的重量之和，计算重量的公式如下：

G毛坯=G锻件+G切头+G烧损

式中G毛坯——所需原毛坯重量；

G锻件——锻件的重量；

G切头——锻造过程中切掉的料头等的重量；

G烧损——烧损的重量。

当用钢锭作原毛坯时，上式中还应加上冒口重量G冒口和底部重量G底部。

锻件重量G锻件根据锻件图决定。

对于复杂形状的锻件，一般先将锻件分成形状简单的几个单元体，然后按公称尺寸计算每个单元体的体积，G锻件可按下式求得：

G锻件=γ（V1+V2+…+Vn）

式中γ——金属的密度；

V1、V2、…Vn——各单元体体积。

2）毛坯尺寸的确定

毛坯尺寸的确定与所采用的第一个基本工序（镦粗或拔长）有关，所采用的工序不同，确定的方法也不一样。

（1）采用镦粗法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定

对于钢坯，为避免镦粗时产生弯曲，应使毛坯高度H不超过其直径D（或方形边长A）的2.5倍，但为了在截料时便于操作，毛坯高度H不应小于1.25D（或A），即

1.25D（A）≤H≤2.5D（A）

对圆毛坯：

D=（0.8～1）

对方毛坯：

A=（0.75～0.9）

初步确定了D（或A）之后，应根据国家标准选用直径或边长。

最后根据毛坯体积V坯和毛坯的截面积F坯，即可求得毛坯的高度（或长度）。

H=V坯/F坯

（2）采用拔长法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定

对于钢坯，拔长时所用截面F坯的大小应保证能够得到所要求的锻造比，即

F坯≥YF锻

式中Y——锻造比；

F锻——锻件的最大横截面积。

按上式求出的钢坯的最小横截面积，并可进一步求出钢坯的直径（或边长）。

最后，根据毛坯体积和确定的毛坯截面积求出钢坯的长度L坯

L坯=V坯/F坯

制定自由锻加工工艺规程举例

例1齿轮零件自由锻造工艺

如图所示，该零件选择材料为45号钢，生产件数为30件，由于生产批量小，采用自由锻加工工艺锻制齿轮坯，其锻造工艺规程介绍如下。

图2.15齿轮

①绘制锻件图要求锻出齿轮零件图上的齿形和圆周上的狭窄凹槽，在技术上是不可能的，应加上余块，简化锻件外形。

根据《圆环类自由锻件机械加工余量和公差（JB4249.6—86）》查得：

锻件水平方向的双边余量和公差为a=（12±

5）mm，锻件高度方向的双边余量和公差为b=（10±

4）mm，内孔的双边余量和公差为b=（14±

6）mm，由此绘出齿轮锻件图，如图所示。

图2.16齿轮锻件图

②确定齿轮变形工序及中间坯料尺寸根据齿轮锻件图求出D=301mm，凸肩部分D肩=301mm，d=131mm，H=62mm，凸肩部分高度H凸=34mm，于是得到D肩/d=2.29（1.63），H/d=0.47，齿轮的变形工序可选为镦粗——拔长——扩孔。

A、镦粗由于齿轮锻件带有单面凸肩，须采用垫环镦粗，由此确定垫环尺寸，齿轮的锻造工艺过程如图所示。

图2.17锻造工艺过程

垫环空腔体积V垫应比锻件体积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，于是V垫=1.12V肩=1.12×

753253=843643mm3。

考虑到冲孔时会产生拉缩，垫环高度H垫应比锻件凸肩高H肩增加15%～35%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取20%。

H垫=1.2H肩=1.2×

34=40.8mm，取40mm。

垫环内径d径根据体积不变条件求得，即

d径=1.13

=1.13

=164mm

垫环内比应有斜度（7º

），上端孔径定为φ163mm，下端孔径为φ154mm。

为了去除氧化皮，在垫环上镦粗之前应进行自由镦粗，自由镦粗后坯料的直径应略小与垫环内径，而经垫环镦粗后上端法兰部分直径应比锻件最大直径小些。

B、冲孔冲孔应该考虑两个问题，即冲孔芯料损失要小，同时又要照顾到扩孔次数不能太多，冲孔直径d冲应小于D/3，即≤

=

=71mm，实际选用d冲=60mm。

C、扩孔总扩孔量为锻件孔径减去冲孔直径，即131－60=71mm。

71mm分三次扩孔，各次扩张量为21mm，25mm，25mm。

D、修正锻件按齿轮锻件图进行最后修整。

③计算原坯料尺寸原坯料体积V0包括锻件体积V锻和冲孔料芯体积V芯和烧损体积，即

V0=（V锻+V芯）×

（1+δ）

锻件体积按齿轮锻件图公称尺寸计算，V锻=2368283mm3

冲孔芯料体积应考虑冲孔芯料厚度与毛坯高度有关。

因为冲孔毛坯高度H孔坯=1.05H锻=1.05×

62=65mm，H芯=（0.2～0.3）H孔坯，取0.2，则H芯=0.2×

65=13mm。

因此，V芯=π/4d2冲H芯=π/4×

602×

13=36757mm3.

烧损率δ取3.5%，则V0=2489216mm3.

因为齿轮第一道工序是镦粗，所以坯料直径按以下公式计算：

D0=（0.8～1.0）

=108～135.8

=120mm

取D0=120mm，H0=

=220mm

④选择设备吨位根据锻件形状尺寸，查有关资料，可选用0.5t自由锻锤。

⑤确定锻造温度范围45钢的始锻温度为1200℃，终端温度为800℃。

⑥制定锻造工艺卡片（略）

例2轴类零件自由锻造工艺

轴类零件自由锻加工工艺的基本工序是拔长，辅助工序是压肩。

零件图如图所示。

图2.18轴

轴自由锻造工艺：

压肩→拔长一端并切去料头→调头压肩→拔长、倒棱、滚圆→端部拔长并切去料头→全部滚圆并校直。

其过程如图所示。

图2.19锻造工艺过程

二、模型锻造成形工艺

模型锻造是用模具使坯料产生变形而获得锻件的锻造成形方法。

在模型锻造时，金属时在锻模的模膛内成形。

利用模型锻造成形能减少金属的消耗和机加工量，缩短零件的制造周期。

因此，人们利用模型锻造成形工艺可以获得尺寸和形状非常接近于完成零件的技术要求。

模型锻造工艺效率高、其生产率是自由锻加工工艺的10倍左右。

模型锻造的主要缺点是模具制造费用高。

模型锻造成形种类很多，根据使用的设备分为：

锤上模锻，机械锻压机上模锻，平锻机上模锻等。

图2.20锤上模锻

模型锻造工艺规程

模型锻造工艺规程内容包括：

锻件图的制定、坯料的计算、工序的确定、和模锻模膛的设计、设备吨位选择、坯料的加热规范、热处理等。

1．模锻件图的制定锻件图是根据产品零件图，结合技术条件和实际工艺而制订，它是用作设计及制造锻模、计算坯料及作为验收合格锻件的依据，是指导生产的重要技术文件。

在制定模锻件的锻件图时，需要正确的选择分模面，选定机械加工余量及公差，确定模锻斜度与圆角半径、冲孔连皮，并在技术条件内说明在锻件图上不能标明的技术要求与允许偏差。

锻件图中锻件轮廓线用粗实线绘制；

锻件分模线用点画线绘制；

锻件尺寸数字标注在尺寸线的中上方，零件相应部分尺寸数字标注在该尺寸线的中下方括号内。

1）分模面的选择

所谓分模面是指上、下（或左、右）锻模在锻件上的分界面。

它的位置直接影响到模锻工艺过程，锻模结构及锻件质量等。

因此，分模面的选择是锻件图设计中的一项重要工作，需要从技术和经济指标上综合分析确定。

选择分模面时首先必须保证模锻后锻件能完整地从模膛中方便地取出。

还应考虑以下几点要求：

A、最佳的金属充满模膛条件；

B、简化模具制造，尽量选择平面；

C、容易检查上下模膛的相对错移；

D、有利于干净地切除飞边。

图2.21合理选择分型面

2）机械加工余量和锻件公差

模锻件的加工余量和公差都较小。

加工余量一般为1～4mm，锻造公差一般取0.3～3mm。

具体数值可查阅JB/Z75-60（锤上模锻件机械加工余量和公差）。

现举例说明模锻件确定加工余量和公差的方法。

例：

零件名称：

齿轮轴；

图2.22齿轮轴

材料：

45CrNi；

生产条件：

成批生产，在5t模锻锤上锻造。

已知：

零件最大高度H=80mm；

最大长度L=350mm；

最大宽度B=80mm；

L/B=350/80=4.4；

查资料得单边加工余量为3mm，高度方向允许偏差为

；

水平方向允许尺寸偏差为356

及80

。

3）确定模锻斜度

模锻件上与分模面相垂直的表面附加的斜度称为模锻斜度。

模锻斜度的作用是使锻件很容易从模膛中取出，同时使金属更好的充满模膛。

模锻斜度分外斜度和内斜度。

锤上模锻的锻件外斜度值根据锻件各部分的高度与宽度之比值H/B，及长度与宽度之比值L/B查表（表8-2）确定。

内斜度按外斜度增大2º

或3º

图2.23模锻斜度

4）圆角半径的确定

模锻件上凡是面与面相交的地方都不允许有尖角，必须以适当的圆弧光滑的连接起来，这个半径称之为圆角半径。

锻件上的凸角圆角半径为外圆角半径r，凹角圆角半径为内圆角半径R。

外圆角的作用是便于金属充满模膛，并避免锻模的相应部分在热处理和模锻时因产生应力集中造成开裂；

内圆角的作用是使金属易于流动充满模膛，避免产生折叠，防止模膛压塌变形，如图所示。

圆角半径（R,r）的数值根据锻件各部分的高度与宽度比值H/B查表确定。

图2.24圆角半径

图2.25圆角被压塌

5）冲孔连皮的选择

模型锻造时，不能直接锻出透孔，仅能冲出一个初孔形，而孔内还留有一层具有一定厚度的金属称为冲孔连皮。

冲孔连皮可以在切边压力机上冲掉或在机械加工时切除。

模锻冲出初形孔，为的是使锻件更接近零件形状，减少金属的浪费，缩短机械加工时间，同时可以使孔壁的金属组织更致密。

冲孔连皮可以减轻锻模的刚性接触，起到缓冲作用，以免损坏锻模。

冲孔连皮有四种型式，如图所示。

冲孔连皮应有适当的厚度。

在生产中是按锻件的外形轮廓、尺寸大小来选择连皮的型式及其厚度。

图2.26冲孔连皮形式

2．坯料的质量和尺寸计算

模锻件坯料的计算涉及的因素较多，只能做粗略的估算。

模锻件坯料质量=模锻件质量+飞边质量+氧化烧损

根据模锻件的基本尺寸来计算质量，当有冲孔连皮时，应包括连皮量。

飞边质量的多少与锻件的形状和大小有关，差别较大，一般可按锻件质量的20%～25%计算。

氧化烧损按锻件质量和飞边质量总和的3%～4%计算。

模锻件坯料的尺寸与锻件的形状和所选的模锻种类有关。

1）盘形锻件这类锻件的变形主要属于镦粗过程，因此坯料尺寸可按下式计算，防止镦弯。

1.25＜

＜2.5

2）长轴类锻件锻件沿轴线各处截面积相差不多，则坯料的尺寸可按下式计算：

坯料截面积=（1.05～1.3）

3）复杂锻件形状复杂而各处截面积相差较大的锻件，金属的变形过程主要有拔长、滚压过程，使金属有积聚变形。

坯料尺寸可按下式粗略计算：

坯料面积=（0.7～0.85）锻件最大部分的截面积（包含飞边）

3．模锻模膛设计

锤上模锻用的锻模是由带燕尾的上模和下模两部分组成，上、下模分别用楔铁固定在锤头和模座上，上、下模闭合所形成的空腔即为模膛。

模膛是进行模锻生产的工作部分，按其作用来分，模膛可分为模锻模膛和制坯模膛。

模锻模膛模锻模膛包括终锻模膛和预锻模膛，所有的都要用终锻模膛锻件，而预锻模膛不一定都需要。

终端模膛：

终端模膛是根据模锻锻件图设计并制造，它由模膛本体和飞边槽、钳口等组成。

模膛形状及尺寸与锻件形状及尺寸基本相同，但因锻件的冷却收缩，模膛尺寸应比锻件大一个金属收缩量，钢件收缩量可取1.5%。

沿模膛四周设有飞边槽，如图所示。

飞边槽的作用是：

容纳多余的金属；

飞边槽桥部的高度小，对流向仓部的金属形成很大的阻力，可迫使金属充满模膛；

飞边槽中形成的飞边能缓和上、下模间的冲击，延长模具的使用寿命。

图2.27飞边槽结构

预锻模膛：

预锻模膛是用来改善金属在终锻模膛中的流动条件，使其易于充满终端模膛，并提高模具使用寿命。

因此对于形状较为复杂的锻件，常采用预锻模膛。

下列的几种锻件在模具设计时，一般都采用预锻模膛。

1）带有工字形截面的锻件；

2）需要劈开的叉形锻件；

3）具有枝芽的锻件；

4）具有高筋的锻件；

5）具有深孔的锻件；

6）形状复杂难充满的锻件；

7）冷切边的锻件；

8）为了提高模具使用寿命。

图2.28需用预锻模膛的锻件

根据锻件复杂程度不同，锻模可分为单模膛锻模和多模膛锻模两种。

单模膛锻模是在一副锻模上只有终端模膛，多模膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。

制坯模膛：

对于形状复杂的锻件，为了使坯料形状、尺寸尽量接近锻件，使金属能合理分布及便于充满模锻模膛，就必须让坯料预先在制坯模膛内锻压制坯。

制坯模膛主要有：

1）拔长模膛用来减小坯料某部分的横截面积增加该部分长度；

图2.29拔长模膛

2）滚压模膛用来减小坯料某部分的横截面增大另一部分的横截面积；

图2.30滚压模膛

3）弯曲模膛用于轴线弯曲的感形锻件的弯曲制坯；

此外还有切断模膛、镦粗台和击扁模膛等类型的制坯模膛。

图2.31弯曲和切断模膛

模锻件分类

模锻件的分类是根据锻件的分模线的形状、主轴线的形状及模锻件形状等进行分类。

（1）长轴类锻件常见的长轴类锻件有各种轴，如主轴、传动轴、和机车轴等。

他们的分模线和主轴线都是直线。

图2.32长轴类锻件

（2）短轴类锻件（方圆类锻件）常见的短轴类锻件有齿轮、法兰盘、十字轴和万向节叉等。

这类锻件在平面图上两个相互垂直方向的尺寸大约相等。

图2.33短轴类锻件

（3）弯曲类锻件这类锻件的主轴线是弯曲线，而分模线是直线；

或分模线是弯曲的，主轴线是直线；

或者主轴线和分模线都是弯曲的。

（4）叉类零件这类锻件主轴线仅通过锻件主体的一部分，而且在一定的地方主轴线通过锻件两个部分之间。

（5）枝芽类零件这类锻件的主轴线是直线或曲线，而且在局部有圆滑的弯曲或急弯凸起部分，凸起的部分称为枝芽。

三、胎模锻

胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法。

所用的模具称为胎膜，胎膜不用固定在锤头和砧座上，用时才放上去。

一般选用自由锻方法制坯，在胎模中最后成形。

胎模锻是介于自由段和模锻之间的一种工艺