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齿轮锻造工艺说明书
编号
课程设计说明书
题目齿轮零件锻造工艺及模具设计
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
学生姓名廖本洪
指导教师夏华
时间19-20周
绪论2
4
4
4
5
8
8
9
9
0
0
设备吨位的确定0
选择飞边槽0
1
2
2
2
2
2
3
616
7
7
8
8
8
8确定模具材料及热处理的要求18
1
101
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；锻件的内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，内部组织均匀，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。
锻造应用范围广，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
零件分析
锻件工艺分析包括技术和经济两个方面的内容。
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。
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、曲柄上模锻件内部变形深透而均匀，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，金属在模膛内流动较缓慢；
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。
此齿轮零件采用第三种方案模锻即锤上模锻。
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
1
确定分模位置和形状
锻件的分模线形状分为：
平直分模线、对称弯曲分模线、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。
2
确定锻件公差和机械加工余量
各生产厂应根据所用锻造和加热设备的精度，模锻件的形状和材料，零件设计对锻件尺寸的要求和锻件订货、验收所涉及的问题等，确定锻件的公差和加工余量。
3
确定
模锻斜度
模壁斜度大模锻后锻件易于从模膛中取出，但模壁斜度越大，所需的充模压力也越大。
4
确定锻件的圆角半径
锻件外形和内腔轮廓拐角处的圆角半径对金属流动有很大的影响，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。
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内凹的形状，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=<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
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
。
计算锻件体积：
=
=
计算锻件质量：
=pVd
12716.7g=12.72kg。
外轮廓包容体积：
=
。
外轮廓包容的质量：
。
由于零件材料为20Cr，即材质系数为
。
2、锻件复杂系数
形状复杂系数
S==。
根据计算的复杂系数S查下表，为Ⅱ级复杂系数
零件加工精度为一般加工精度，锻件在煤气加热炉中加热。
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
～1
简单
Ⅱ
S2
～
一般
Ⅲ
S3
～
较复杂
Ⅳ
S4
≤
复杂
该零件的表面粗糙度为Ra=
即加工精度为
级。
根据材质系数
，形状复杂系数S，由《锻造模具简明设计手册》表表查得公差。
查的锤上模锻锻件长度公差为
mm，宽度公差为
mm，高度公差为
mm,错差公差为，残留飞边公差为，厚度公差为，孔壁厚度公差为。
长度公差
宽度公差
高度公差
错差公差为
残留飞边公差为
模锻斜度
零件图上的技术条件已注明外模斜度ɑ=5°，内模斜度β=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。
由已知条件给出R=2
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内保留一层连皮，然后在切边压力机上冲除掉。
一般情况下，当锻件内孔直径大于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：
式中d—锻件内孔直径（mm）
h—锻件内孔深度（mm）
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
应比内圆角半径R大，可按照下式确定：
所以
连皮厚度s（mm）
7
连皮上圆角半径
（mm）
11
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1.4mm；
（4）允许的残留毛边量1.4mm；
（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。
冷锻件图
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
mm2;
（2）锻件周边长度为
722.57mm;
（3）锻件体积为1836260.395mm3;
（4）锻件质量为12.72kg。
3锤用锻模设计
设备公称压力的确定
根据确定锻锤吨位的经练公式G=
，查表极限强度为60Mp，有锻件图得D=23cm。
得出G=2200.709Kg=
故选用3吨模锻锤。
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，飞边槽的尺寸按照锻件在水平面上的投影面积A=41547.56mm3。
h=
=3.075mm，Af=233mm3
查上表7-10，确定飞边槽尺寸：
h
h1
b
b1
r
齿轮锁扣B
3
5
12
32
3
45
故画出飞边槽结构图如下：
终锻模膛设计
终锻模膛设计的主要内容是绘制热锻件图，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%，模锻斜度和内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
镦粗台设计
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。
墩粗有利于金属充满模膛提高锻件使用寿命，还可以避免或减少终锻时残剩的折叠等缺陷。
锁扣设计
选用圆形锁扣，由锻锤吨位为t=3，查表得
h=35b=45δ=△=1-2α=3°R1=3R2=5
4热模锻压力机模锻工艺设计
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
，即
，取
=180mm。
模锻工艺方案为：
坯料→镦粗→终锻。
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：
=（1+k）（
+
）；
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=
，取%;
---模锻件本体体积；
=（1+）×（+）=
2）坯料直径：
=
；
m---毛坯高度与直径的比值，取2；
=
=112.6mm
实际取
=115mm
3）坯料高度
=
；
=
=190.525mm
考虑到下料误差取
=190mm。
坯料尺寸为
，试锻后再根据实际生产情况适当调整。
墩粗后高度H1=
=77.55mm
墩粗后坯料到各边的距离取C=15mmC1=10mmC2=20mm边缘圆角R=8mm。
5锻模结构设计
1）模膛布排
左前方为墩粗台，终锻模膛在模锻中中心位置。
2）模块尺寸
对于此圆柱齿轮锻件采用圆饼状模块。
1承击面：
根据锻锤吨位查表得，3吨锤的最小承击面为700cm2,承击面积为模块在分模平面上的面积减去各型槽，毛边槽，锁扣和钳口所占面积
抗压强度校核，一般要求q=F/A<
;
q是单位面积承受压力（MPa）；
F是压力机吨位（N）；
A是模块实际承压面积（
）；
是许用压力，取300MPa。
q=30000/12830<300Mpa符合要求；
②模块宽度B>燕尾宽度B；
③由教材表4-34查得3t锻锤的最小闭合高度Hmin=400mm，最大闭合高度Hmax=650mm；
④模块最大质量Gmax上模块最大质量Gmax不得超过锻锤吨位35%，下模块质量不限；
⑤模壁厚度s=（1-2）h>40mm取s=45mm；
⑥模块高度
根据实际情况取终锻下模块h=240mm,上模块h=240mm。
终锻模块直径
233mm
模块高度
240mm
模锻图
⑦检验角b=5mmh=2-5mm
综上所述选择的模具尺寸长宽高为410×465×480
3）燕尾槽、键槽和起重孔等尺寸按标准选取，具体数据见表5-2。
表5-2锤锻模燕尾
b/mm
h/mm
b1/mm
d×S（mm×mm）
300
75
30×60
4）导向装置
锤上锻模不用用导柱，导套进行导向，一般采用锁扣。
表13-5蒸汽-空气模锻锤的技术规格
落下部分质量/kg
1000
2000
3000
5000
10000
16000
最大打击能量/J
250000
50000
75000
125000
250000
400000
锤头最大行程/mm
1200
1200
1250
1300
1400
1500
最小闭合高度
（不计燕尾）、mm
220
260
350
400
450
500
导轨间距离/mm
500
600
700
750
1000
1200
锤头高度/mm
450
700
800
1000
1200
2000
锤头前后方向长度/mm
450
700
800
1000
1200
2000
模座前后方向长度/mm
700
900
1000
1200
14000
2110
打击频率（次/min）
80
70
----
60
50
40
蒸汽
绝对压力/Pa
（6~8）x105
（6~8）x105
（7~9）x105
（7~9）x105
（7~9）x105
（7~9）x105
允许温度/℃
-----
200
200
200
200
200
砧座质量/kg
20250
40000
51400
112547
235533
325852
总质量（不计砧座）/kg
11600
17000
26340
43793
75737
96235
外形尺寸（前后
左右
地面高度）/（mm
mm
mm）
2380x1380
x5051
2960x1670x5418
3260x1800
x6035
2090x3700
x6560
4400x2700
x7460
4500x2500
x7894
6、冲孔切边模的设计
6．1工艺参数的确定
1、间隙
设计复合模间隙时考虑的因素和简单切边、冲孔模相同，期间细致在~1、5之间选取。
取切边间隙δ1=1.5mm，冲孔间隙δ2=1mm，冲头与顶件器间间隙δ3=3mm，连皮与冲头之间的间隙取5~12mm。
2、冲头相对行程S冲
为保证冲孔质量，冲头相对行程S冲必须足够，对H/D<1的锻件，影视冲孔结束时冲头上平面齐平或高出3~5mm。
3、顶出器行程S顶
顶出器行程S顶的大小应保证锻件的自由取出，可根据下式确定
S顶=S冲+S3+（10~20）=25mm,S2=10mm
S3为冲孔后顶出器与锻件之间的间隙，一般取为S3=10mm.
复合模高度计算要点及主要零件高度计算
模具各部分尺寸具体确定如下：
1、滑块在最低位置时凹模座至模板的距离H1>S顶+10mm
2、凹模根据锻件设计，一般H凹的高度取50mm，外径较切边轮廓大80~90mm,取320mm
3、凹模座根据凹模及下模座设计和选取
4、重头的高度H冲的大小应使冲头上平面较凹模上平面低一段距离S4保证切边时锻件考凹模定位，S4可按下公式选取S4=S2+S/2-h飞/2
公式中S2——在5~10中选取
h飞——飞边桥部高度
5、凸模高度H凸，H凸=（H模+S冲）-（H3+H凹+H上）
=440+0-150-50-50=190mm
公式中H模——复合模封闭高度
H3——下模座及凹模座高度
H上——上模座高度，取50mm
6、拉杆自由长度L1，L1=S滑-S顶=315-25=290mm
7、拉杆总长度L，L=H模-H2-（20~40）=440-30-40=370，H2取30mm
8、顶出器高度H顶，H顶=H1顶-（H模+H4），H模=30mm
H1顶=（H3+H凹+h飞/2）-（S冲+S3）=150+50+=191.5mm
H顶=（30+50）=111.5mm
冲孔切边复合模具图
7锻前加热锻后冷却及热处理要求的确定
确定加热方式，及锻造温度范围
在锻造生产中，金属坯料锻前加热的目的：
提高金属塑性，降低变形抗力，即增加金属的可塑性，从而使金属易于流动成型，并使锻件获得良好的组织和力学性能。
金属坯料的加热方法，按所采用的加热源不同，可分为燃料加热和电加热两大类。
根据锻件的形状，材质和体积，采用半连续炉加热。
金属的锻造温度范围是指开始锻造温度（始锻温度）和金属锻造温度（终锻温度）之间的一段温度区间。
确定锻造温度的原则是，应能保证金属在锻造温度范围内具有较高的塑性和较小的变形抗力。
并能使制出的锻件获得所希望的组织和性能。
查有关资料确定锻件的始段锻温度为1200℃，终锻温度为800℃。
确定加热时间
加热时间是坯料装炉后从开始加热到出炉所需的时间，包括加热个阶段的升温时间和保温时间。
在半连续炉中加热，加热时间可按下式计算：
；
式中D—坯料直径或厚度（cm）；
—钢化学成分影响系数，取（h/cm）
则t=×23=3min
确定冷却方式及规范
按照冷却速度的不同，锻件的冷却方法有3种：
在空气中冷却，冷却速度快；在灰沙中冷却，冷却速度较慢；在炉内冷却，冷却速度最慢。
根据本锻件的形状体积大小及锻造温度的影响，选择在空气中冷却。
确定锻后热处理方式及要求
锻件在机加工前后均进行热处理，其目的是调整锻件的硬度，以利锻件进行切削加工，消除锻件内应力，细化晶粒等。
根据锻件的含碳量及锻件的形状大小，采用在连续热处理炉中，调质处理。
可使锻件获得良好的综合力性能。
8确定模具材料及热处理的要求
锻模是生产模锻件的必要工具，它的工作材料恶劣，不仅承受很大的冲击载荷，而且在高温下受到流动金属的摩擦，同时还受到反复激冷激热的交变作用。
锤锻模主要承受冲击载荷，选择锻模用材料要满足以下要求：
①在工作环境下具有良好的综合力学性能；
②在工作温度下具有良好的组织稳定性；
③要有良好的抗冷、热疲劳性能，以减缓因冷热交替变化而引起的疲劳破
④应具有良好的冶金质量。
目前常用的锤锻模材料有高韧性半耐热模具钢，中等韧性耐热模具钢，耐高温抗磨损模具钢等。
已知设备的规格为3t锤，故选用的主要材料为5CrNiMo,代用材料为5W2CrSiV，锻模硬度要求为型槽表面HRC值35～39；燕尾部分的HRC值为30～35。
零件的材料为40Cr，材料性能稳定。
该材料的临界温度、热加工及热处理工艺参数可见下表。
表20Cr的临界温度、热加工及热处理工艺参数
牌号
临界温度
热加工温度/℃
退火
正火
Ac1
Ar1
Ms
加热
始锻
温度/℃
冷却方式
硬
度
HBS
温度/℃
冷却方式
硬
度
HBS
Ac3
Ar3
Mf
终锻
20Cr
743
782
355
1220~1240
1100~1200
825~845
空冷
≤207
850~870
空冷
210~250
693
730
--
＞800
9模锻工艺流程确定
（1）下料：
5000kN剪切机冷切；
（2）加热：
半连续式炉，1220～1240℃；
（3）模锻：
3t模锻锤，墩粗，终锻；
（4）冷切边：
1600kN切边压力机；
（5）打磨毛刺、锐边倒钝：
砂轮机；
（6）热处理：
连续热处理炉，调质，硬度为HB210～250；
（7）酸洗：
酸洗槽；
（8）检验
10参考文献
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[7]李明望主编.《冲压工作实用手册》.化学工业出版社
[8]叶宏主编.《金属材料与热处理》.化学工业出版社
[9]吕炎主编.《模锻设计手册》
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