机械工程材料课程设计说明书.docx
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机械工程材料课程设计说明书
课程设计说明书
课程：
热加工工艺课程设计
题目：
齿轮锻造工艺设计
姓名：
张强
专业：
机械设计制作及其自动化
班级：
08机电一班
学号：
080105061
指导教师：
刘万福
课题工作时间：
2010/6/2至2010/6/15
黄河科技学院课程设计任务书
工学院机械系机械设计制造及其自动化专业2008级班
学号080105061姓名张强指导教师刘万福
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：
6月2日至6月15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1500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
确定铸造工艺方案1天
工艺设计和工艺计算2天
绘制铸件铸造工艺图1天
确定铸件铸造工艺步骤2天
编写设计说明书3天
答辩1天
摘要
本次课程设计经过两周的时间得以完成，主要包括目录、设计方案、齿轮的工艺计算等内容，主要通过上网搜集资料、查找统计文献、数据的整合计算、文字的筛选，在此基础上形成了该课程设计的基础框架，最后由本人加以总结整合，提出了相关设计方案，具体内容在课程设计各章节均有所体现。
本次课程设计让我取得了很多收获。
首先，通过课程设计资料的搜索以及对数据的计算中，让我对《机械工程材料》、《热加工工艺基础》、《金属成形工艺设计》有了更加清晰、更加深刻的认识，课程设计本身的完成过程，其实也是自己对机械工程材的理解，对内容的把握的过程，这样可以更加丰富的了解了我们这个课程的全貌，对自己的专业知识学习也更加深刻，不再流于表面。
其次，通过本次课程设计提高了我的逻辑思维能力以及对材料的整合和筛选能力，这对于我今后的研究和学习有很大的帮助，通过了整个课程设计方案的描述，让我更加全面的拓宽自己的思考能力。
再次，课程设计让我更加重视实践，重视对实际工作的关注，有利于提高我理论联系实际的能力。
通过这次学习，我知道了如何去自觉学习，如何去体验实践的成果，如何在实践中后享受胜利的喜悦。
最后，对于我来说，独自完成课程设计是相当困难的，它的完成与老师和同学的交流合作是密不可分的。
在共同的努力中我感受到了合作的力量，交流的同时也增进了我们的友谊，我想我们每个人都会为我们努力的汗水所骄傲和自豪。
但是，课程设计的完成并不代表我自身学习的终止，在完成过程中我发现自己有很多缺点不足。
如：
课程设计中的AutoCAD作用部分对自己来讲十分困难，另外，大量的内容也暴露出自己知识面窄，对实践活动的能力不强等诸多问题，我想困难和挑战才是激发自己前进的动力，自己也将会在今后的学习和生活中，劈荆斩浪，挑战自我。
热加工工艺课程设计的完成对我来说有深刻的意义，我衷心感谢刘万福老师的指导，以及与我交流合作共同学习的同学，是你们带给我收获，带给我快乐！
第一章选材
1.1材料的选择
大多数重要齿轮的受力特点是齿根承受较大的交变弯曲应力,齿轮表面承受较大的接触应力,两个啮合的轮齿之间相互滚动和滑动,受到强烈的摩擦,磨损或换挡，启动及啮合不良的冲击。
因此，要求齿轮须具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面有高的硬度和耐磨性，齿心部有足够的强度和韧性，齿根部有高的抗弯强度。
由于齿轮的工作条件不同，齿轮的尺寸和类型不同，所用的制造材料也不同，然而我设计齿轮的材料选用45钢，该碳钢是具有良好综合力学性能的中碳结构钢，其经过锻造和调质后硬度可高于40Cr钢，轻中载荷，转速较低齿轮常选用45钢。
第二章绘制锻件图
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，结合自由锻造工艺特点，考虑加工余量、锻造公差、工艺余块、检验试样及工艺卡等绘制而成。
2.1确定锻件的形状
为简化锻件外形或根据锻造工艺的需要，通常在零件上某些难以锻出的台阶，斜面和内孔等部分添加上一部分多余的金属，以使锻件形状简单而便于锻出，对于本设计的锻件形状为下图
2.2确定加工余量和锻造公差
2.2.1加工余量
一般锻件的尺寸精度和表面粗糙度达不到零件图的要求，锻件表面应留有供机械加工用的金属层，这层金属就是机械加工余量。
余量的大小确定与零件形状尺寸、加工精度、表面要求、锻造加热质量、设备工具精度和操作技术水平等有关。
对于非加工面，则无需加放余量。
零件公称尺寸加上余量，即为锻件公称尺寸。
2.2.2锻件公差
锻造生产中由于各种因素的影响，，如终锻温度的差异，锻压设备、工具精度和工人操作技术水平的差异，锻件实际尺寸不可能达到公称尺寸，允许有一定的偏差，这种偏差被称为是上偏差（正偏差），小于其公称尺寸的部分称为下偏差（负偏差）。
锻件上各部位不论是否机械加工，都应该注明锻造公差。
通常锻造公差约为余量的1/4～1/3。
2.2.3确定加工余量和锻造公差
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,锻件高度方向双边余量和公差为b=（10±4）mm,内孔双边余量和公差为c=（14±6）mm。
2.3绘制锻件图
第三章确定变形工艺和锻造比
3.1锻件工序
制定变形工艺过程的内容的有：
锻件成形必须采用的基本工序，辅助工序和修整工序，以及各变形工步的顺序和中间坯料尺寸。
各类锻件变形公步的选择，应该根据锻件的形状，尺寸和技术要求，结合各锻造工序的变形特点参考有关典型工艺具体确定。
由锻件图可知D=301mm,凸肩部分
=213mm,d=131mm,H=62mm,凸肩部分高度
=34mm,得到
/d=1.63，H/d=0.47。
确定变形工序为：
镦粗—冲孔—冲子扩孔。
3.1.1镦粗
由于锻件带有单面凸肩，需要采用垫环镦粗，这是时确定垫环尺寸。
垫环孔腔
应比锻件凸肩体积
大10％～15％（厚壁取小值，薄壁取大值），该设计取12％。
经过计算
=753253mm³于是
=（1+12％）
=1.12×753253=843643mm³
考虑到冲孔时会产生拉缩，垫环的高度
应比锻件凸肩的高度
增大15％～36％（厚壁取小值，薄壁取大值），该设计是去20％。
=1.2
=1.2×34=40.8mm,取40mm
垫环内径根据体积不变条件求得，即
=1.13（
/
）1/2≈164mm
垫环内壁有斜度，上端孔径定为∅163mm,下端孔径为∅154mm。
为去除氧化皮，压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于垫环内径。
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。
齿轮锻造工艺过程
1-下料2-镦粗3-垫环局部镦粗4-冲孔5-冲子扩孔（三次）6-修整
3.1.2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
应小于D/3，即
≦D/3=213/3=71mm，实际选用
=60mm。
3.1.3扩孔
总扩孔量为锻件孔径减去冲孔直径，即131－6=71mm。
根据资料查得，每次扩孔量为25～30mm，分配各次的扩孔量为21mm，25mm，25mm。
3.1.4修整锻件
按锻件图进行最后的修整。
3.2锻造比
锻造比是表示锻件变形程度的一种方法，也是保证锻件质量的一个重要指标，其大小能反应锻造对锻件组织和力学性能的影响。
根据设计任务，确定锻造比为1:
2。
第四章确定毛坯质量和尺寸
4.1毛坯质量的计算
根据锻件的形状和尺寸，可计算锻件质量，再考虑加热时的氧化损失，冲孔时掉的料芯，以及切头损失，则可以计算锻件所用的坯料的质量，公式如下:
=
+
+
+
根据设计要求:
钢密度为7.8，烧损质量为锻件质量的20％，料头的质量除料头尾外还包含冲切掉金属质量。
=
×ρ=18.5㎏
=
×
=0.4㎏（
取2.5％）
=（0.15～0.2）d²
ρ
=0.2×60²×217×7.8
=1.2㎏
为零
所以可得
=20.1㎏
4.2毛坯尺寸的计算
原坯料体积
包括锻件体积
和冲孔芯料体积
，并计算烧损体积，即
=（
+
）×（1+δ）
锻件体积按锻件图公称尺寸计算
=2368283mm³
冲孔芯料体积:
冲孔芯料厚度与毛坯高度有关。
因为冲孔毛坯高度
=1.05
=1.05×62=65mm，
=（0.15～0.2）
，系数取0.2，则
=0.2×65=13mm。
于是
=π/4
²
=π/4×60²×13=36757mm³
烧损率δ取20％代入得
=2453140.8mm³
由于第一道工序是镦粗，坯料直径按下公式计算
=（0.8～1.0）（
）1/3=108～134.5mm
取
=120mm
=4
/π
=217mm
第五章选定锻造设备
自由锻常用的设备为锻锤和水压机。
自由锻造所需要设备吨位，主要与变形面积，锻件材质，变形温度等因素有关。
自由锻造时，变形面积有锻件大小和变形工序性质而定。
镦粗时锻件与工具的接触面积相对于其他变形工序要大的多。
根据选择和工艺过程选用锻锤设备，根据锻件尺寸查表选定法选定锻造吨位为50㎏。
第六章确定锻造温度及规范
6.1确定锻造温度范围
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性和较低的变形抗力，能锻出优质锻件，而且确定的锻造温度范围较宽，使坯料
加热次数少，以获得较高的锻造生产率。
根据《金属成形工艺设计》中各类合金的锻造温度范围表选择锻造温度，始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃。
6.2确定加热规范及火次
确定加热过程不同时期的加热炉温，升温速度和加热时间，首要考虑钢材断面尺寸；再者考虑钢的成分及有关性能，如塑性，强度，导热及膨胀系数，组织特点和加热变化，以及坯料原始状态。
对于导热性稍差，直径为200～350mm的碳素结构钢，采用三段式加热规范。
装料炉火温度约为1150～1200℃，保温时间约为总加热时间的5％～10％。
而加热时间约为0.66～0.77h/100mm.且以最大加热速度至始锻温度，再次保温均热，保温时间同上。
6.3确定冷却方法及规范
锻件冷却规范的关键是冷却速度，应根据钢料的化学成分，组织特点，原料状态和锻件断面尺寸等因素确定。
锻件在锻后冷却时，按冷却速度有空冷，坑冷和炉冷等方法。
对于中小型碳钢和低合金钢锻后均采用冷却速度较快的空冷。
6.4确定热处理规范
锻件常规的热处理大多是当锻件冷却到室温后，再按工艺规程将锻件由室温重新加热进行处理。
而锻件余热热处理则是在锻后利用锻件自身热量直接进行淬火或正火处理。
通常将锻件和热处理紧密结合在一起，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，又经济实用并减轻劳动强度，是单一锻压加工和热处理所达不到的新工艺方法。
6.4.1调质处理工艺
通常选用中碳钢和合金结构钢制作的齿轮，均需要采用调质处理，以提高其承载强度、硬度和抗疲劳强度。
45钢的低载荷齿轮经840～860℃正火后，其硬度为156～217HBS，再经过820～840℃水冷和500～550℃回火的调质处理工艺，其硬度可提高为200～250HBS。
6.4.2表面淬火工艺选择
选用的中碳钢制作的齿轮，有时可采用表面淬火或局部表面淬火，以提高其表面硬度和耐磨性。
锻件工艺卡
锻件名称
齿轮坯
锻件质量
45钢
坯料质量
20.1㎏
锻件质量
18.5㎏
坯料尺寸
Φ120×217
每坯锻件数
1
火次
温度/℃
操作说明
变形过程简图
设备
工具
下料加热
放射炉
1
11200800
镦粗
500㎏
自由锻造
普通漏盘
2
1200800
局部镦粗
3
1200800
冲孔
500㎏
自由锻造
冲头
4
1200800
扩孔
5
1200800
修整
500㎏
自由锻造
总结
经过一周多的时间，终于把课程设计完成了，对于这次课程设计的制作过程中，我感受颇多，获益匪浅。
通过课程设计，提高了我的逻辑思维能力以及对材料的整合和筛选能力，这对于我今后的研究和学习有很大的帮助，通过了整个课程设计方案的描述，让我更加全面的拓宽自己的思考能力。
课程设计让我更加重视实践，重视对实际工作的关注，有利于提高我理论联系实际的能力。
通过这次学习，我知道了如何去自觉学习，如何去体验实践的成果，如何在实践中后享受胜利的喜悦。
但是，课程设计的完成并不代表我自身学习的终止，在完成过程中我发现自己有很多缺点不足。
大量的内容也暴露出自己知识面窄，对实践活动的能力不强等诸多问题，我想困难和挑战才是激发自己前进的动力，自己也将会在今后的学习和生活中，劈荆斩浪，挑战自我。
感谢
热加工工艺课程设计的完成对我来说有深刻的意义，我衷心感谢刘万福老师给了我们这次机会，让我们把实践和课本紧密的结合起来，更好的理解我们所学的知识，运用所学知识解决困难，以及老师耐心的指导，还有与我交流合作共同学习的同学，是你们带给我收获，我衷心的感谢你们！
参考文献
（1）王爱珍.工程材料及成形技术.北京：
机械工业出版社，2003
（2）张万昌.热加工工艺基础.北京：
高等教育出版社，1992
（3）王爱珍.金属成形工艺设计.北京：
航空航天大学出版社，2009
（4）王爱珍.机械工程材料.北京：
航空航天大学出版社，2009
（5）姚泽坤.锻造工艺学与模具设计.西安：
西北工业大学出版社，1998
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