1、 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 113090102 学生姓名 廖本洪 指导教师 夏 华 时 间 19-20 周 第 1 页 共 21 页目录绪论 .21 零件分析及工艺方案确定 .41.1 零件分析 41.2 工艺方案的确定 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 92.6 确定模锻件的技术要求 92.7 绘制锻件图及计算锻件基本数据 103 锤用锻模设计 .103.1 设备吨位的确定
2、 103.2 选择飞边槽 103.3 终锻模膛设计 113.4 镦粗台设计 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的确定 .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 确定冷却方式及规范 .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第 2 页 共 21 页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
3、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：
4、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
5、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、塑料模制第 3 页 共 21 页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
6、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。第 4 页 共 21 页1 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
7、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
8、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，增加了模具和工第 5 页 共 21 页序；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
9、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
10、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 原则第 6 页 共 21 页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
11、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。2.1 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
12、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=0.213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；第 14 页 共 21 页模块最大质量 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
13、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 dS(mmmm)300 65.5 75 30604）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。第 15 页 共 21 页表 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 25
14、0000 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） 、mm220 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/mm450 700 800 1000 1200 2000模座前后方向长度/mm700 900 1000 1200 14000 2110打击频率（次/min）80 70 - 60 50 40绝对压力/Pa (68)x1
15、05(68)x105(79)x105(79)x105(79)x105(79)x105蒸汽允许温度/ - 200 200 200 200 200砧座质量/kg 20250 40000 51400 112547 235533 325852总质量（不计砧座）/kg11600 17000 26340 43793 75737 96235外形尺寸（前后左右 地面高度）/(mm mm mm)2380x1380x50512960x1670 x54183260x1800x60352090x3700x65604400x2700x74604500x2500x78946、冲孔切边模的设计第 16 页 共 21 页61
16、 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 8090mm,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
17、 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 30mm第 17 页 共 21 页8、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
18、+50+1.5-0-10=191.5mmH 顶=191.5-（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
19、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，终锻温度为第 18 页 共 21 页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 0.13（h/cm）则 t=1.323=3min7.3 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
20、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 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：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
21、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，故第 19 页 共 21 页选用的主要材料为 5CrNiMo,代用材料为 5W2CrSiV，锻模硬度要求为型槽表面HRC 值 3539；燕尾部分的 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 热加工温度/ 退火 正火Ac1 Ar1 Ms 始锻牌号Ac3 Ar3 Mf加热 终锻温度/冷却方式硬度HBS温度/冷却方式硬度HBS7
22、43 782 355 1100120020Cr693 730 -12201240 800825845空冷 207850870空冷 2102509 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.化学工业出版社第 20 页 共 21 页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
