齿轮锻造工艺设计.docx

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齿轮锻造工艺设计

课程设计说明书

齿轮锻造工艺设计

院系名称

工学院

专业名称

机械设计制造及其自动化

学生姓名

学生班级

学生学号

指导教师

刘

摘要：

本次课程设计说明了齿轮的锻造工艺，同时论述了齿轮零件的锻造工艺设计是一个涉及诸多综合性因素的问题，它与所选的制造机械零件材料的性能、制造的工艺过程、生产的现场条件、生产批量及经济性等因素有密不可分的关系。

只有了解了锻造的工艺要求和热处理的规范，以及选择合适的设备，才能完成齿轮的锻造。

一.绘制锻件图

绘制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。

1.确定锻件形状

为了简化锻件的外形或根据锻造工艺需要，零件上某些难以锻出的凹档、台阶、斜面、凸缘和内孔等部位添加余块，以使锻件形状简单而便于锻出，加上余块而不予锻出块要根据零件的形状、尺寸、锻造技术水平和经济效果来确定的。

由零件图可知，齿轮上的齿形、圆周小凹槽、凸肩以及轮辐上8×∮30mm通孔等部分，采用自由锻方法很难形成这些部位，因此考虑到技术上的可行性和经济性，决定不予锻出，并采用附加余块简化锻件外形，以利于锻造。

2.确定加工余量

为使零件具有一定的加工尺寸和表面粗糙度，在零件表面需要加工的部分，在锻件上留一层供作机械加工用的金属，称作机械加工余量。

其大小取决于零件的形状和尺寸、精度和粗糙度要求等。

查表知本零件的加工余量为10±4.。

3.确定锻造公差

锻造公差是指锻件实际尺寸和公称尺寸之间说允许的偏差，其大小根据锻件的形状、尺寸和具体生产条件来确定的。

查表知本零件的加工余量为a=10±4、.b=9±3、c=13±5。

4.绘制锻件图

当余块、余量和公差确定后，用双点画线画出零件轮廓形状，再用粗实线描绘出锻件轮廓，锻件的公称尺寸和公差标注在尺寸线上面，零件公称尺寸标注在尺寸线下面并加上括弧，如下图。

二.确定锻造工艺

1.锻件分类及工序

生产中常见锻件按其形状特点，可分为轴杆类、盘状类、空心类、曲轴类、弯曲类和复杂形类等。

各种类型及形状零件的锻造工序，应根据锻件形状、尺寸、技术要求和生产批量等进行选择，并且先确定锻件成形所必须的基本工序、辅助工序、修正工序、再选择所需的工具并确定工序顺序和工序尺寸等。

齿轮属于轮盘类，查表知锻造工序为：

镦粗或拔长及镦粗、冲孔或芯轴扩孔等。

2.制定变形工艺方案

凸肩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，且主要变形工艺为下料、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或镦挤成形。

（如下图）

目前这类锻件一般采用局部镦粗，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，因此确定采用冲头冲孔，但考虑到冲孔扩孔时金属将会沿着径向流动，并沿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。

3.确定合适的锻比

锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。

锻造比以金属变形前后的横断面积的比值来表示。

不同的锻造工序，锻造比的计算方法各不相同。

由于锻造比大小可反映锻造对锻件组织和力学性能的影响，因此在制订变形工艺时，选择适当的锻造比是十分重要的。

不同的材料要求选择不同的锻造比。

碳素结构钢锻件Y=2~3

不锈钢和耐热钢锻件Y=4~6

合金结构钢锻件Y=3~4

高合金工具钢锻件Y=5~9

本课程设计已给定锻造比为Y=1.2

三.确定毛坯的质量和尺寸

1.毛坯质量计算

根据锻件的形状和尺寸，可计算出锻件的质量，再考虑加热时的氧化损失、冲孔时冲掉的料芯以及切头损失等，则可计算出锻件所用坯料的质量，其计算公式如下：

m坯=m锻+m烧+m头+m芯

式中：

m坯——坯料质量

m锻——锻件质量

m烧——加热时坯件表面氧化而烧损的质量

m芯——冲孔时冲掉的金属质量

m头——锻造时从锻件端部切去的金属质量；采用钢锭作坯料时切掉的钢锭头部和尾部质量等。

本次课程设计给定的数据为（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）

m锻的计算可用形体分析法，即按毛坯形状和结构特点，划分成几个简单几何图形而分别计算体积，再按公式m锻=V总×ρ（ρ材料密度㎏/dm³、V总各部分体积总和dm³）计算出m锻，且V总一般等于锻件毛坯尺寸加上1/2偏差值。

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

=2.26×7.8㎏=17.6㎏

冲孔芯料质量（取d=60mm，H=65mm）

冲孔芯料损耗m芯=K2d²H（d—冲孔直径/dm；H—坯料高度/dm）

实心冲头冲孔K2=1.18~1.57

m芯=（1.18~1.57）d²H=（1.18~1.57）60²×65㎏≈0.3㎏

坯料的烧损质量可有下表查得，煤气炉加热时的烧损率δ=1.5%~

2.5%（本次烧损率已给定为2%），考虑到该锻件需要经过2~3次扩孔，而至少加热2次，因此应取单火烧损率的上限值再加上适当烧损值，即为δ=0.035。

所以坯料的烧损质量为

m烧=δm锻=0.035×17.8=0.6㎏

根据公式算得皮料质量为

m坯=m锻+m烧+m芯=18.5㎏

钢料加热的烧损率

加热方式

烧损率δ/%

室式烧炉

2.5~4

油炉

2~3

煤气炉

1.5~2.5

电阻炉

1~1.5

接触感应电加热

<0.5

2.毛坯尺寸确定

毛坯尺寸确定与所选钢坯或钢锭有关，也与所用第一道基本工序有关。

如果选用的锻造原材料相同，而采用的第一道基本工序不同，则确定坯料尺寸的方法也不同。

凸肩齿轮为饼状类和空心类锻件，常选用钢坯并采用镦粗法锻造毛坯。

为避免镦粗时产生弯曲，坯料高度H不得超过其直径D（或方形边长A）的2.5倍，亦即坯料高径比H/D不得超过2.5即

1.25D（A）≤H≤2.5D（A）

对圆截面坯料D=（0.8~1.0）

（dm）

对方截面坯料A=（0.75~0.90）

（dm）

计算坯料直径时，由于采用镦粗成形，可按下式计算

D=0.9

=0.9

=0.9

dm=1.2002dm=120.02mm

查表标准热轧圆钢直径，确定选取坯料直径D=120mm。

坯料长度为

L==

=

mm=210mm

从而确定坯料尺寸为φ120×210mm。

四.选定锻造设备及吨位

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浪费，且操作不便也不安全，锻造设备的选定通常按查表法或经验类比法等确定。

1.查表选定法

凸肩齿轮按照圆环类锻件的尺寸D=299±4、H=61±3查下表知，应选用0.5t自由锻锤

杆件类型及规格

锻锤落下部分质量/t

0.25

0.5

0.75

1

2

3

5

圆饼

D/mm

H/mm

<200

<300

<250

<50

<300

<100

≤400

《150

≤500

<200

≤600

≤300

≤700

≤300

圆环

D/mm

H/mm

<150

≤60

<350

≤75

<400

<100

≤500

<150

<600

<200

≤1000

<250

≤1200

≤300

圆筒

D/mm

d/mm

L/mm

<150

≥100

≤165

<175

≥125

≤200

<250

>125

≤275

<275

>125

≤300

<300

>125

≤350

<350

>150

≤400

≤700

>500

≤550

圆轴

D/mm

G/㎏

<80

<100

<125

<200

<150

<300

≤175

<500

≤225

≤750

≤275

≤1000

≤350

≤1500

方块

H=B/mm

G/㎏

≤80

<25

≤150

<50

≤175

<70

≤200

≤100

≤250

≤350

≤300

≤800

≤450

≤1000

扁方

B/mm

H/mm

≤100

≥7

<160

≥15

<175

≥20

≤200

≥25

<400

≥40

≤600

≥50

≤700

≥70

钢锭直径/mm

125

200

250

300

400

450

600

钢坯边长/mm

100

175

225

275

350

400

550

五.确定锻造温度及规范

1.确定锻造温度范围

各类合金的锻造温度，可根据锻件材料性质从表中查取。

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。

并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。

根据本零件的力学分析知，材料为40Cr时比较合适。

查表知本零件的锻造温度范围是：

始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃。

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时，首先考虑钢材断面尺寸，其次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。

此次课程设计所用的材料为40Cr，所以对于导热性稍差、直径为200~350mm的中型碳素结构钢和合金钢坯，采用三段式加热规范（如上图），装料炉温稍低一些，约在1150~1200℃范围，装炉后保温时间约为整个加热时间的5%~10%。

然后以最大可能的加热速度加热至始锻温度，并再次保温均热，保温时间约为整个加热时间的5%~10%。

其总时间可参考下表中经验数据确定。

钢材种类

加热时间（h/100mm）

低碳钢、中碳钢、低合金钢

0.66~0.77

高碳钢、合金结构钢

0.95~1.05

碳素工具钢、合金工具钢、高合金工具钢、轴承钢

1.20~1.40

由上述加热规范可知，本次锻造应采用煤气炉三段式加热，设定装料炉温约1150℃，装炉后保温约为15min，再以最大加热速度加热至1200℃以后，再次保温均热约15min后开始锻造。

3.确定冷却方法

锻件在锻冷后冷却时，按冷却速度有空冷、坑冷和炉冷等方法。

空冷是将锻件单个或成堆放在车间地面上冷却，但不能放在潮湿地面、金属板上或通风处冷却，以免锻件冷却不均匀或局部急冷引起裂纹。

坑冷是将锻件放到埋入砂子、石灰或炉渣的地坑或铁箱中封闭冷却。

一般锻件入砂温度不低于500℃，且其周围积砂厚度不能少于80mm。

锻件在坑内的冷却速度，可通过不同绝热材料及不同厚度保温介质进行调节。

炉冷是将锻件直接装入炉中，通过控制炉温按一定冷却规范缓慢冷却，可适于高合金钢、特殊钢构件及各种大型锻件的锻后冷却。

锻件入炉时的温度一般不低于6000~650℃，且装料时的炉温应与入炉锻件温度相当。

4.确定冷却规范

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。

通常中小型碳钢和低合金钢锻后均采取冷却速度较快的空冷。

碳素工具钢、合金工具钢及轴承钢等，锻后先空冷、鼓风或喷雾等快速冷到700℃，然后再把锻件放入坑中或炉中缓冷。

由以上冷却方法和规范可知，齿轮在锻造后，应先空冷至700℃后再进行缓冷。

5.确定热处理规范

锻件常规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热处理。

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者正火热处理。

本次课程设计用的材料为40Cr，热处理工艺为淬火温度850℃±10℃，油冷；回火温度520℃±10℃，水、油空冷。

六.设计总结

通过本次课程设计，让我学到了很多东西。

在刚开始进行设计的时候，我不知道如何下手，拿着指导书对照着例子，我开始了齿轮的设计，设计的时候遇到的最大的问题是，总是有很多不确定的参数不知道如何选择，于是我上网搜索，和同学讨论，向老师询问，更多是模仿书本上的例子，慢慢我才步入正轨。

让我明白了具体参数的选择需要有一定的加工经验，需要从实践生产中积累起来的，相信以后的生产实践中我会多留心，多积累经验。

同时通过这次课程设计，也让我发现了我学习过程中有很多不足之处，动手能力还有欠缺。

今后我一定要多进行类似这样的实践，主动去学习专业相关知识，增加自己的能力和就业砝码。

致谢

本次课程设计以接近尾声，由于初次进行设计，经验匮乏，有许多考虑不周全的地方，如果没有刘老师的督促指导，以及同学们的相互讨论和帮助，完成设计将会更加困难。

首先在这里要感谢刘老师首先我要感谢刘万福老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因。

刘老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。

再多华丽的言语也显苍白。

在此，谨向刘老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次还要感谢在设计中相互讨论和帮助我的同学，是他们使我顺利的完成了本次课程设计。

最后再一次真诚的感谢刘老师和同学们！

参考文献

[1]王爱珍.机械工程材料[M].北京：

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：

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：

北京航空航天大学出版社，2009

工艺卡

锻件名称

齿轮

锻件图

坯料质量

18.53㎏

坯料尺寸

φ120mm×210mm

材料

45Cr

火次

锻造温度

工序

工序简图

2-3

1200800℃

坯料

镦粗

局部镦粗

冲孔

扩孔

修整