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1、编号课程设计说明书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113090102学生姓名廖本洪指导教师夏 华时间19-20 周目录绪论.21零件分析及工艺方案确定.41.1零件分析.41.2工艺方案确实定.42锤上模锻件设计.52.1选择分模面.62.2确定模锻件加工余量及公差.72.3确定锻件模锻斜度.82.4确定锻件圆角半径.82.5确定锻件连皮.9 2.6 确定模锻件的技术要求.92.7 绘制锻件图及计算锻件根本数据.103锤用锻模设计.103.1 设备吨位确实定.103.2 选择飞边槽.103.3 终锻模膛设计.113.4 镦粗台设计
2、.123.5 锁扣设计.124锤上模锻工艺设计.124.1选择制坯工步.124.2确定坯料尺寸.125锻模结构设计.136切边冲孔复合模.167锻前加热锻后冷却及热处理要求确实定.177.1确定加热方式，及锻造温度范围.177.2确定加热时间.187.3确定冷却方式及标准.187.4确定锻后热处理方式及要求.188确定模具材料及热处理的要求.189模锻工艺流程确定.2110参考文献.21绪论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，并具有最正确的综合力学性能。锻件的最大优势是韧性高，纤维组织合理，
3、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；锻件力学性能和外表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
4、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局部，同时也推动现代工业的不断向前开展。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
5、产效率高、质量好、本钱低、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开展方向。模具工业对国民经济和社会的开展，起着越来越重要的作用。模具工业的快速开展，不断对模具制造提出更高的要求。世界上一些兴旺国家，模具制造技术开展非常迅速，模具制造的水平制约这模具设计的的开展，同时也制约这整个模具行业的开展。模具制造水平的上下，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，计算机水平的飞速开展，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，根本上使模具设计脱离了模具制造水平的制约，同时也模
6、具设计提供了一个广阔的平台。1 1 零件分析及工艺方案确定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，分析产品本钱，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，杆类特征局部和弯曲类特征局部成一定的角度，相对复杂的锻件外形就决定了比拟复杂的型腔，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
7、的高，属半精密级用于普通锻件和半精锻工艺锻压，但由于锻件的外外表大局部区域锻造成形不需要进一步加工，相对来说要求也比拟高。二、对锻件的经济性分析所谓经济性，就是以最小的消耗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、品种方案的前提下，产品的本钱越低，说明你设计的模具经济效果越大。降低制造本钱的措施：1、降低模具费用，是降低本钱的有效措施；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 工艺方案确实定常用的模
8、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；造价比拟昂贵，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
9、拟低，造价比拟高。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、锤上模锻是靠锤头屡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，机械加工后仍根本保持完整，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 2 热模锻压力机模锻件设计热模锻压力机模锻件设
10、计表 4-1锻件图设计的步骤和原那么序号1步骤确定分模位置和形状原那么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。良好的分模面应到达如下要求：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，那么易取折线分模，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。234确定锻件公差和机械加工余量确定模锻斜度确定锻件的圆角半径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
11、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。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。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。2.1确定分模位置确定分模面位置最根本的原那么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，因此锻件的侧外表不得有内凹的形状，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
12、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=0.2131,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，分模面如下列图。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：Vd2221602100223010060=50 20 7034 =1619962.2522222mm3计算锻件质量：Gd=pVd12716.7g=12.72kg。外轮廓包容体积：Vb（2302）70=2908329.399mm3。2外轮廓包容的质量：Gb 2
13、2830.39g 22.83kg。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S Gd/GbS=12.72/22.83=0.557。根据计算的复杂系数 S 查下表，为级复杂系数S2,零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S1S2S3S4形状复杂系数值0.6310.320.630.160.320.16形状复杂程度简单一般较复杂复杂该零件的外表粗糙度为 Ra=3.2m,即加工精度为F1级。根据材质系数M1，形状复杂系数 S，由?锻造模具简明设计手册?表 5.18 表 5.19查得公差。.7.7查的锤上模锻锻件长度公差为
14、4.0-12.3mm，宽度公差为4.0-12.3mm，高度公差为.74.0-12.3mm,错差公差为 1.4，残留飞边公差为 1.4，厚度公差为 3.2，孔壁厚度公差为 2.8。长度公差.74.0-12.3宽度公差.74.0-12.3高度公差.74.0-12.3错差公差为1.4残留飞边公差为1.42.3模锻斜度零件图上的技术条件已注明外模斜度=5，内模斜度=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
15、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。由条件给出 R=22.5 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内保存一层连皮，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：s 0.45 d 0.25h5 0.6 h(mm)式中 d锻件内孔直径mm h锻件内孔深度mms 0.45 60 0.2570 5 0.670 6.611mm故取连皮 s=7mm因模锻成形过程中金属流动剧烈，连皮上的圆角半径R1应比内圆角半径 R大，可按照下式确定：R1 R 0.1h 2所以R1 2 0
16、.170 2 11.mm连皮厚度 s(mm)连皮上圆角半径R1mm2.6技术条件1图上未标注的模锻斜度7；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允许的外表缺陷深度0.5mm；6锻件热处理:调质 HB230260；7锻件外表清理:为便于检查淬火裂纹,采用酸洗。711根据余量和公差,绘制冷锻件图。冷锻件图2.7计算锻件的主要参数求出锻件的根本数据如下：22(1)锻件在平面上的投影面积为（230/2）41547.56mm;(2)锻件周边长度为230 722.57mm;(3)锻件体积为 1836260.395 mm3;(4)锻件质量为 12.72kg。
17、3 3 锤用锻模设计锤用锻模设计3.1 设备公称压力确实定2根据确定锻锤吨位的经练公式G=1-0.005 D1.1D20.750.005 D2D，查表极限强度为 60Mp，有锻件图得 D=23cm。得出 G=2200.709Kg=2.2T应选用 3 吨模锻锤。3.23.2 选择飞边槽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
18、=41547.56 mm3。h=0.005A=3.075mm，Af=233 mm3查上表 7-10，确定飞边槽尺寸：hh 1bb 1351232故画出飞边槽结构图如下：r3齿轮锁扣 B453.3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 1.5%，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列图。热模锻件图3.43.4镦粗台设计镦粗模膛有镦粗台和成形镦粗两种，
19、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，还可以防止或减少终锻时残剩的折叠等缺陷。3.53.5锁扣设计选用圆形锁扣，由锻锤吨位为 t=3，查表 7.29 得h=35 b=45=0.2-0.4=1-2=3R1=3 R2=54 4 热模锻压力机模锻工艺设计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，目的是防止终锻时产生折叠，兼有除去氧化皮的作用。镦粗直径确实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 D2D镦D2，即D2230160mm 195mmD镦160mm，取D镦=180mm。模锻
20、工艺方案为：坯料镦2粗终锻。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锻+V飞；V坯=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=0.120.25，取 2.5%;V锻-模锻件本体体积；V坯=1+0.151836260.395+94431.405=1978959.095mm32）坯料直径：d坯=1.133V坯/m；m-毛坯高度与直径的比值，取 2；d坯=1.133V坯/m=112.6mm实际取d坯=115mm3）坯料高度H坯=H坯=4V坯；2d坯41978959.095=190.525mm2
21、115考虑到下料误差取H坯=190mm。坯料尺寸为115190mm，试锻后再根据实际生产情况适当调整。墩粗后高度 H1=419735509.235=77.55mm21805 5 锻模结构设计锻模结构设计墩粗后坯料到各边的距离取 C=15mm C1=10mm C2=20mm 边缘圆角 R=8mm。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。承击面：根据锻锤吨位查表得，3 吨锤的最小承击面为 700cm,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/Aq;q 是单位面积承受压力(MPa)；F
22、 是压力机吨位N；A 是模块实际承压面积mm2；q是许用压力，取 300MPa。q=30000/12830燕尾宽度 B；由教材表 4-34 查得 3t 锻锤的最小闭合高度 Hmin=400 mm，最大闭合高度Hmax=650mm；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；模壁厚度 s=(1-2)h40mm 取 s=45mm；模块高度根据实际情况取终锻下模块 h=240mm,上模块 h=240mm。终锻模块直径模块高度233mm240mm模锻图检验角 b=5mm h=2-5mm综上所述选择的模具尺寸长宽高为 4104654803燕尾槽、键槽和起重
23、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/mmh/mmb1/mmd S(mmmm)3004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局部质量/kg最大打击能量/J锤头最大行程/mm最小闭合高度10002500001200220200050000120026030007500012503505000125000130040010000250000140045016000400000150050065.5753060不计燕尾、mm导轨间距离/mm锤头高度/mm50045060070070070080080075010
24、001000100012001200120020002000锤头前前方向长度450/mm模座前前方向长度700/mm打击频率次/min 80蒸 绝对压力/Pa汽允许温度/砧座质量/kg(68)x105-202509001000120014000211070(68)x1052004000017000-(79)x105200514002634060(79)x1052001125474379350(79)x1052002355337573740(79)x10520032585296235总质量不计砧座 11600/kg外形尺寸前后左2380 x13右地 面 高 度 80/(mmmmmm)x50512
25、960 x1670 x54183260 x1800 x60352090 x3700 x65604400 x2700 x74604500 x2500 x78946 6、冲孔切边模的设计、冲孔切边模的设计61 工艺参数确实定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 0.81、5 之间选取。取切边间隙1=1.5mm，冲孔间隙2=1mm，冲头与顶件器间间隙3=3mm，连皮与冲头之间的间隙取 512mm。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/DS 顶+10mm2、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 809
26、0mm,取 320mm3、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 510 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 50mm6、拉杆自由长度 L1，L1=S 滑-S 顶=315-25=290mm7、拉杆总长度 L，L=H 模-H2-2040=440-30-40=370，H2 取
27、30mm8、顶出器高度 H 顶，H 顶=H1 顶-H 模+H4，H 模=30mmH1 顶=H3+H 凹+h 飞/2-S 冲+S3=150+50+1.5-0-10=191.5mmH 顶=191.5-30+50=111.5mm冲孔切边复合模具图7 7 锻前加热锻后冷却及热处理要求确实定锻前加热锻后冷却及热处理要求确实定7.1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
28、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。确定锻造温度的原那么是，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。7.2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：D；式中 D坯料直径或厚度cm；钢化学成分影响系数，取 0.13h/cm那么 t=1.323=3min7.3确定冷却方式及标准按照冷却速度的不同，锻件的冷却方法有 3 种：在
29、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。7.4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 8 确定模具材料及热处理的要求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
30、料要满足以下要求：在工作环境下具有良好的综合力学性能；在工作温度下具有良好的组织稳定性；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 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。设备的规格为 3t 锤，应选用的主要材料为 5CrNiMo,代用材料为 5W2CrSiV，锻模硬度要求为型槽外表 HRC值 3539；燕尾局部的 HRC 值为 3035。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 1.1。表 1.1 20Cr 的临界温度、热加工及热处理工艺参数临界温度Ac1Ar1
31、Ms加Ac3Ar3Mf热终锻热加工温度/始锻温/度冷却方式退火硬度HBS温度冷却/方式正火硬度HBS牌号74320Cr69378273035512201-24011001200800825845空冷850820770空冷2102509 9 模锻工艺流程确定模锻工艺流程确定（1）下料：5 000kN 剪切机冷切；（2）加热：半连续式炉，1 2201 240；（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 HB210250；（7）酸洗：酸洗槽；（8）检验10 参考文献1 胡亚民主编.?锻造工艺过程及模具设计?.北京大学出版社2 郝海滨编著.?锻造模具简明设计手册?.化学工业出版社3 李书常.?新编模锻手册?.机械工业出版社4中国机械工程学会锻压学会编著.?锻压手册?第 2 版.机械工业出版社5 程里编著.?锻造实用技术?.机械工业出版社6 周志明、直姸、罗静主编.?材料成型设备?.化学工业出版社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?