齿轮零件锻模毕业设计[管理资料]

专业：材料成型及其控制工程学号：姓名： 课 程 设 计 说 明 书

目录

前言 ............................................................... 3 制件的工艺性分析 ................................................... 4 根据零件图制定锻件图： ............................................. 5

1. 确定分型面 ................................................. 5

2. 加工余量及公差 ............................................. 6 3 20CrMnTi钢的材质系数为M1。................................... 9 4 计算加工余量及公差。 ......................................... 9 5 技术条件 ...................................................... 9 6模锻斜度...................................................... 10 7圆角半径...................................................... 10 设计冲孔连皮 ...................................................... 10 校核 .............................................................. 12 设计终锻模膛 ...................................................... 13

1. 绘制齿轮热锻件图 .......................................... 14 2. 计算设计飞边槽的尺寸 ........................................ 15 3. 钳口的确定 ................................................ 16 确定终锻模设备吨位 ................................................ 18

1. 热模锻曲柄压力机的确定 .................................... 18 2. 公称吨位的确定 .............................................. 18 3. 压力吨位的计算 .............................................. 19 4. 锻锤吨位的确定 ............................................ 19 设计制坯模膛 ...................................................... 21 确定坯料长度 ...................................................... 22 锻模结构设计： .................................................... 24

1、模膛布置 .................................................... 24 2、错移力的平衡和锁扣的设计 .................................... 25 3、模块尺寸及要求 .............................................. 25 模锻工艺流程： .................................................... 27 修整工序 .......................................................... 27 锻模使用时必须注意的问题： ........................................ 28 小结： ............................................................ 29 参考文献： ........................................................ 30

前言

在现代机械制造业中，模具工业已成为国民经济中一个非常重要的行业。许多新产品开发和生产在很大程度上依赖于模具的设计与制造技术，。模具设计与制造能力的强弱与水平的高低，已成为衡量一个国家机械知道水平的重要标志之一，它关系着产品质量和经济效益的提高，直接影响了国民经济中许多行业的发展。

锻造工艺不仅能合理利用金属的塑性，省时节能地获得产品的形状，而且还能改变金属的内部组织，提高原始金属本身的承载能力，进而收到节材的效果。

模锻工艺是在自由锻工艺基础上发展起来的一种先进工艺。它是将金属加热，使其具有较高的塑性，然后置于锻模模膛中，有锻造设备施加压力，是金属发生塑性变形并充填模膛，得到所需形状并符合技术要求的模锻件。

在经济发达国家中，模锻件平均占锻件总质量的百分之七十以上，因此，模具在生产中所占比重，在某种意义上代表了这个国家经济发展水平，是工业发达程度的标志之一。

制件的工艺性分析

两端两端?168(分度圆直径）

（制件图）

由图可知，该零件为锤商模锻件，普通级精度，用室式油炉加热，该零件材料为20CrMnTi，齿轮零件的最大厚度为55mm，最小厚度为9mm。该齿轮零件属于圆盘零件，锤锻时打击力方向上坯料轴线方向一致，金属沿长宽高方向同时流动。对于体积小，形状简单的圆盘类零件，可由原始坯料直接终锻成形。

由图知，该齿轮零件中心有一个直径为50的通孔。而模锻不能锻出通孔，只能锻出不通孔。对于内孔大于等于25mm的锻件模锻时不能直接锻出通孔，在分模面上留有一层较薄的金属连皮，在随后的冲孔工序中再将其冲掉，若连皮太薄，锻中容易出现锻不足，和要求过大的打击力。从而导致模膛凸凹部分磨损加大。虽然有助于克服上述现象，但重除连皮困难致使锻件变形且浪费材料。 1. 制件的技术要求

（1） 未注外圆角半径r=3未注内圆角半径R=5 （2） 未注外模锻斜度α=5°未注内模锻斜度β=7° （3） （4）

根据零件图制定锻件图：

1. 确定分型面

锻模的分模面是指上下锻模的分接面。分模轮廓线是指种锻模膅分模

面与锻件轮廓交线。分模面的选择应按以下原则进行。 （1）要保证模锻件能从模膛中顺利取出，并使锻件形状尽可能与零件形状相同，一般分模面应选在模锻件最大水平投影尺寸的截面上，

图2-27 分模面选择比较 如图2-27所示。

（2）按选定的分模面制成锻模后，应使上下模沿分模面的模膛轮廓

一致，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象。如图2-27所示，若选ｃ-ｃ面为分模面，就不符合此原则。

（3）最好使分模面为一个平面，并使上下锻模的模膛深度基本一致，

差别不宜过大，以便于均匀充型。

（4）选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。如图2-27所示，若

将ｂ－ｂ面选作分模面，零件中间的孔不能锻出，其敷料最多，既浪费金属，降低了材料的利用率，又增加了切削加工工作量，所以该面不宜选作分模面。

（5）最好把分模面选取在能使模膛深度最浅处，这样可使金属很容

易充满模膛，便于取出锻件，如图2-27所示的ｂ－ｂ面就不适合做分模面。

按上述原则综合分析，选用如图2-27所示的ｄ－ｄ面为分模面最合

理。

2. 加工余量及公差

模锻件水平方向尺寸公差见表2-6。模锻件内、外表面的加工余量见

表2-7。

表2-6 锤上模锻水平方向尺寸公差（mm）

模锻件长（<50 宽）度 + 公 差 + + + + + 50~120 120~260 260~500 500~800 800~1200 表2-7 内、外表面的加工余量Z1（单面）（mm）

加工表面最大 宽度或直径 大于 至 加工余量Z1 — 25 40 63 25 40 63 100 ≤63 >63~160 >160~250 >250~400 >400~1000 >1000~2500 加工表面的最大长度或最大高度 1）估算锻件质量mf。，计算锻件体积。将锻件分解为简单的几何体

相加减，取锻模斜度中间值（预设内模锻斜度为α=5°，内模锻

斜度β=7°），圆角半径忽略不计。这样，将齿轮锻件分解为各个圆柱体相加减。

实心体：V1=π/4（1802×33+662×27） =104mm3

大孔：V2=π/4（452×60） =106313mm3

则 Vf= V1 -V2-V3

=697024mm3

锻件质量 mf=Vf×密度=697024××103×10-9kg =

2）计算形状复杂系数S。该齿轮外廓包容体为一圆柱，直径为180mm，

高为60mm。

外廓包容体体积为Vn=（π/4）×1802×60

=1701000mm3

按式S= Vf/VN= 该齿轮系数为S2级。

3 20CrMnTi钢的材质系数为M1。 4 计算加工余量及公差。

Φ175mm：（175+2×）=1801.70.8mm

Φ144mm：（144 -2×）=1391.51.0mm

9mm：（×2）= 查表5-2和表5-5 55mm：（55++）mm= 28mm：（28++）mm= 10mm：（10+×2）mm= 查表5-3和表5-4

Φ50mm：（50-2×）mm=45mm

Φ60为终锻件面。9为暴露尺寸切不考虑加工余量。。。5 技术条件

（1） 图上未注明模锻斜度5°； （2） 图上未注明圆角半径R3； （3） 查《锻件模具简明设计手册》≤； （4） 查《锻件模具简明设计手册》≤；

（5） 允许的表面缺陷深度≤；

（6） 锻件热处理：正火达到HRC32~36； （7） 锻件表面清理：抛丸。

6模锻斜度

为便于从模膛中取出锻，模锻件上平行于锤击方向的表面必须具有斜度，称为模锻斜度，一般为5°～15°之间。取外模锻斜度α=7°度，内模锻斜度为10°。

7圆角半径

查表5-7和5-8，考虑制件倒角值和加工余量，r=余量+零件的倒角值==3mm, r=余量+零件的倒角值=5mm内圆角半径R=5mm。

设计冲孔连皮

由于锤上模锻时不能靠上、下模的突起部分把金属完全排挤掉，因此不能锻出通孔，终锻后，孔内留有金属薄层，称为冲孔连皮（图2-24），锻后利用压力机上的切边模将其去除。常用的连皮

形式是平底连皮，如图2-30所示，连皮的厚度t通常在4～8mm范围内，可按下式计算： S=d0.25h5+h =×5+× =+ = ≈7mm

式中 d——锻件内孔直径，单位为mm；

h——锻件内孔深度，单位为mm； 连皮上的圆角半径R1，可按下式确定： 按式（5-5） R=R++2 =5+×60+2 =13mm

孔径d＜25mm或冲孔深度大于冲头直径的3倍时，只在冲孔处压出凹穴。上述各参数确定后，便可绘制锻件图。分模面选在

锻件高度方向的中部。由于零件轮辐部分不加工，故无加工余量。图中内孔中部的两条直线为冲孔连皮切掉后的痕迹。连皮圆角半径应大于内圆角半径，所以取R=14mm

校核

实心体：V1=π/4（1802×+662×27） 1024286mm3 大孔：V2=π/4（452×60） =106313mm3

小孔：V3=π/4（1392-662）×9×2 =251307mm3 则V锻=V1-V2-V3=666666mm3 m锻=666666××103×10-9kg =

S=666666/1701000=

两端两端?168(分度圆直径）

该齿轮形状一般，系数均为S2级则锻件图留取的机械加工余量是合理的

设计终锻模膛

终锻型槽是各种型槽中最重要的型槽，用来完成锻件最终成形，终锻件型槽按热锻件图制造和检验。所以终锻模膛设计的主要内容是绘制热锻件图，供制造模膛用，热锻件图以冷锻件图为依据，热锻件图的尺寸标注，高度方向尺寸以分模面为基准，以便于锻模机械加工和准备检验样板。其次考虑到金属冷缩现象，热锻件图上所有的尺寸应计入收缩率，即： L=l（1+δ） L→热锻件尺寸 l→冷锻件尺寸

δ→终锻温度下金属的收缩率

%—%，%。

则可计算出热锻件图各尺寸，模锻斜度和内外圆角的尺寸与冷锻件图相同，于是可绘出热锻件图，如图3所示

由于此锻件形状并不复杂，所以并不需要设置预锻模膛。

1. 绘制齿轮热锻件图

注：终端温度与锻件的收缩率20CrMnTi属于渗碳钢均属于钢即以α为（~） 180×（1+）mm= 139×（1+）mm= 39×（）mm= 33×（1+）mm= 9×（1+）mm= 66×（1+）mm= 168×（1+）mm= 33/2×（1+）mm= (60-33/2) ×（1+）mm= 绘制热锻件图：

2. 计算设计飞边槽的尺寸

飞边槽的作用：

① 增加金属流出模膛的阻力，迫使金属充满模膛； ② 容纳多余金属；

③锻造时飞边起缓冲作用，减弱上下模的打击，防止模具的压塌与开裂。

（1） 按照锻件在水平面上的投影面积。 （2） 也可按锻锤吨位确定毛边槽尺寸

A=π/4D2=π/4×180×180mm2

h飞=A=

查5-9取6号第二组h飞= h1=5mm；r=；b1=32mm；A飞=233

3. 钳口的确定

（1）钳口设计

钳口终锻和预锻模膛前方，由夹钳口与钳口颈部两部分组成，夹钳口尺寸主要依据夹钳尺寸和料头直径而定，应保证夹料钳子能自由操作。

通常在模膛前端设计有钳口，钳口与模膛相通的沟槽称为浇口，钳口主要用来容纳夹持坯料的夹钳和便于锻件从模膛中取出，经研究故选用钳口。

其优点是制造方便，钳口尺寸根据钳夹进行选用。见表5-11.

d<18mm；B=50mm；n=20mm；R0=10mm； 浇口尺寸根据锻件重量G选定。 见表5-12 G=

得：b=8mm；a=

（2）锁扣设计

锁扣有平衡错移力的作用，起导向作用，便于上下模块的调整，提高生成效率

锻件为圆饼形，所以采用圆形锁扣，以便控制错移力

锁扣中间为凸出部分设计在上模，容易起模，能避免热胀冷缩的影响 锁扣高度 h=20 mm 锁扣壁厚 b=35mm

锁扣凸凹部分之间的间隙S=

确定终锻模设备吨位

1. 热模锻曲柄压力机的确定

所需段压力Fo=k1k2δsA

式中k1—应变速度系数。见表4-6；

k2—变形方式和摩擦条件影响系数见表4-7

δs—终端温度下坯料真实屈服强度（MPa）,锻造用钢查表4-8， 锻造用有色金属查表4-9。

A —锻件在与段压力方向垂直的平面上的投影面积对带飞边的锻件，要求包括飞边桥部。 Fo—所需段压力（N） 2. 公称吨位的确定 F=（~）Fo

为了安全选用的热模锻曲柄压力机，液压机，螺旋压力机公称吨位F比所需的段压力Fo大。

3. 压力吨位的计算 查表4-8 δs=46MPa 查表4-6 F1 = 查表4-7 F2 =3

终锻模温度为800℃。代入式（4-1）中最大的段压力 Fo=（×3×86×234）N =335KN

压力机公称吨位F= Fo=42522KN

查表4-5 选用40000KN热模锻曲柄压力机。

4. 锻锤吨位的确定

确定设备吨位可按经验公式G=（）（+2/Dd）2*（+）Dd*σ也可按以下计算

锻锤一次打击的能量为W/2gV2;一次打击下坯料变形功为F0△：

w2

V2gF0△H=n

整理得：w=FO△h2g/nv2

式中 W—锻锤落下部分的重力（N） F0—段压力（N）,可用式（4-1）计算

△H—锻锤压下量（m），在终锻时为（~）×10-3 m n—锻锤打击效率，， g—重力加速度，

v—打击速度，锻锤一般为6m/s 查表4-8 δs=86MPa； 查表4-6 F1=； 查表4-7 k2=3. 代入式（4-1）中

Fo=k1k2δsA=（×3×86×234）KN =180423KN 代入式（4-3）中 w=F0△h2g/nv2

=（180423××10-3×2×）/×62N

=

按表（4-4）选用20KN锤即一顿模锻锤。

设计制坯模膛

对于形状复杂的模锻件，为了使坯料基本接近模锻件的形状，以便模

锻时金属能合理分布，并很好地充满模膛，必须预先在制坯模膛内制坯。制坯模膛有以下几种：

1．拔长模膛 减小坯料某部分的横截面积，以增加其长度。 2．滚挤模膛 减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截

面积。主要是使金属坯料能够按模锻件的形状来分布。滚挤模膛也分为开式和闭式两种。

3．弯曲模膛 使坯料弯曲。4．切断模膛 在上模与下模的角部组成

一对刃口，用来切断金属，可用于从坯料上切下锻件或从锻件上切钳口，也可用于多件锻造后分离成单个锻件。此外，还有成形模膛、镦粗台及击扁面等制坯模膛。 4制坯工步的确定

齿轮锻件常采用镦粗和终锻两个工步 在镦粗时坯料圆柱面的氧化皮可以去掉

将镦粗后的圆饼立起来轻压一下可去掉坯料端面的氧化皮

确定坯料长度

锻件体积Vd=666666mm3；飞边体积按飞边槽容积的50%计算，圆饼类锻件一般用镦粗制坯，所以毛坯尺寸应以镦粗变形为依据进行计算。

毛坯体积为：V坯=（1+k）Vd 则毛坯直径为d坯=(1+k)Vd/m

其中 k—宽裕系数，考虑到锻件复杂程度影响毛边体积，并计及火耗率，对圆形锻件k=~

m—毛坯高度与直径之比值，一般取m=~ 该齿轮锻件采用墩粗到坯后终锻碾平。

为使终锻时定位容易，成形良好墩粗后尺寸控制在端面直径为66mm，

中间直径80mm，厚度为60mm。

选用圆钢作为原材料，锻件体积为：V锻=666666mm2 计算飞边体积：飞边槽尺寸为b=12mm b1=32mm，A飞=233mm3

3

由于锻件采用圆锁扣，b1要根据总体结构加大，考虑到齿轮锻件终锻时定位对中不易准确，.

V飞=nLA飞=×233×π【180+2×（12+32）】 =98037mm3

连皮体积计算：V连=π/4d2s=π/4×（45）2×7mm3 =12403mm3

按照室式燃油炉加热条件查表5-15取耗率为3%。 则（5-14）计算V坯

V坯=（V锻+V飞+V连）（1+δ）=800419mm3 按（5-15）计算D0

D0=(~)3V坯= 取D0=（5-6）计算t0

t0=V坯/A坯=4×800819/π×=45mm 该齿轮的下料尺寸为：×45mm

锻模结构设计：

锻模的结构设计对锻件品质，生产率，劳动强度，锻模和锻锤的使用寿命等有很大的影响，锻模的结构设计应着重考虑模膛的布排，错移力的平衡以及锻模的强度、模块尺寸、导向等等。

锤锻模结构设计任务:(1)型槽在模块上的合理布排，（2）型槽之间和型槽至模块边缘的壁厚，（3）模块尺寸、质量、纤维方向要求，（4）平衡错移力的锁扣形式。

1、模膛布置

对于此锻件，镦粗台布置在锻模的左前角，高度是固定的,坯料镦粗后距各边缘的距离不小于10mm由于是轴对称锻件，故终锻模模块压力中心就是锻件几何中心，应与锻模中心重合，以保证锻件质量，减少错差量。 2、镦粗台的设计

根据锻件的形状，尺寸和原毛坯尺寸确定镦粗后的毛坯直径D，再根据D确定镦粗台尺寸

D>=(d1+d2)/2 由上计算知D=100mm (1) 镦粗台高度h h=4V坯/π×D×D 故h=35mm

(2)C、C1与C2尺寸

边缘距离C:C=10-15 取C=10mm 至锁扣距离C1:C1=5-10 取C1=5mm 右侧与右边距离C2:C2=15-20 取C2=20mm

(3)边缘圆角R：R=8-10 R=8mm

2、错移力的平衡和锁扣的设计

此锻件分模面为水平分模，在锻模模块上设置锁扣，使上下块在锤击过程中互相锁住，从而克服或消除锻件错移。

短轴类锻件多采用圆形锁扣，以便控制锻件错移力。查《锻压模具简明设计手册》=25mm，最小宽度35mm，，锁扣其余尺寸见图4。 Δ=1～2，α=5°，R1=3mm，R2=5mm 3、模块尺寸及要求

模块尺寸除了与型槽数、型槽尺寸、排列方式和各型槽间的最小壁厚有关外，还需考虑设备的技术规格。

①、承击面，承击面积为模块在分模平面上的面积减去备型槽、毛边槽、锁扣和钳口所占面积。承击面积一般按经验公式S=（30-40）G，计算式中S单位为cm2，G为锻锤吨位，单位为KN。 可查锻压课本P1表4-29得最小承击面积为300cm2

②、模壁厚度，由模膛到模块边缘，以及模膛之间的壁厚都称为模壁厚度，模壁厚度在保证足够强度的情况下应尽可能减小。 根据锻压课本P152图4-113可初步确定模壁厚度为50mm

③、模块宽度，为保证模锻不与锤的导轨相碰，模块最大宽度Bmax应保证模块边缘与导轨间留有单边距离大于20mm，模块最小宽度也要求至少超出燕尾每边10mm，燕尾中心线到锻模边缘的最小尺寸为B

B1≥ +10（mm）

2

④、模块高度，锻模高度根据型槽最大深度和锻模最小闭合高度确定。模块最小闭合高度Hmin应根据型槽最大深度h确定，上下模的最小闭合高度加上过度垫模的高度应不小于锻锤要求的最小装模高度，通常H模=（～）Hmin。

查查《锻件模具简明设计手册》=320mm。

⑤、模块长度，根据模膛长度和模壁厚度确定。

⑥、模块质量，为保证锤头运动性能，上模块最大质量不得超过锻锤吨位的35%。

⑦、锻模检验角，是锻模上两个加工侧面所构成的90°角，这两个侧面带一般刨进深度5mm，高度50—100mm。

由以上要求及已知条件，模块尺寸确定的原则是根据锻模中模膛的数量和尺寸进行布排，得出做必需的模块最小轮廓尺寸，然后选取标准中相近的较大值

锻模中心与模块中心的偏移量s<

锻模允许的最小承击面为分模面减去模膛和飞边槽的面积

承击面F约410cm^2大与1t锤允许的最小承击面300 cm2确定模块宽度250mm 高度300mm 长度325mm 5、模块材料

上模 5CrNiMo 下模 5CrNiMo 6、燕尾槽尺寸

宽度b=250mm 高度h=

模锻工艺流程：

1、下料：3200KN型剪机热剪切下料； 2、加热：连续式煤炉1250—1300℃； 3、模锻：1t模锻锤，镦粗→模锻→切断；

4、热切边：P=MG=(800—1000KN/t)G=1000KN切边压力机； 5、磨毛刺：砂轮机；

6、热处理：正火达HRC32-36； 7、酸洗：酸洗槽，去除氧化皮。 8、冷精压：10000KN精压机； 9、表面清理：抛丸； 10、锻件品质检验。

修整工序

坯料在锻模内制成模锻件后，还须经过一系列修整工序，以保证和提高锻件质量。修整工序包括以下内容。

（1）切边与冲孔 模锻件一般都带有飞边及连皮，须在压力机上进行切除。

切边模如，由活动凸模和固定凹模组成。凹模的通孔形状与锻件

在分模面上的轮廓一致，凸模工作面的形状与锻件上部外形相符。

冲孔模，凹模作为锻件的支座，冲孔连皮从凹模孔中落下。 （2）校正 在切边及其它工序中都可能引起锻件的变形，许多锻件，特别是形状复杂的锻件在切边冲孔后还应该进行校正。校正可在终锻模膛或专门的校正模内进行。

（3）热处理 目的是消除模锻件的过热组织或加工硬化组织，以达到所需的力学性能。常用的热处理方式为正火或退火。

（4）清理 为了提高模锻件的表面质量，改善模锻件的切削加工性能，模锻件需要进行表面清理，去除在生产中产生的氧化皮、所沾油污及其它表面缺陷等。

（5）精压 对于要求尺寸精度高和表面粗糙度小的模锻件，还应在压力机上进行精压。精压分为平面精压和体积精压两种。

平面精压，用来获得模锻件某些平行平面间的精确尺寸。体积精压，主要用来提高锻件所有尺寸的精度、减小模锻件的质量差别。精压模锻件的尺寸精度偏差可达±(～)mm，～ 。

锻模使用时必须注意的问题：

1、使用中技术检查，模具在使用前需检查其制造质量； 2、模具的安装，必须装正装紧，并注意符合其他所有要求；

3、模具的预热，为保证模具的正常使用，延长模具寿命，锻打前模具必须预热，模具预热有助于坯料保温；

4、终锻温度，坯料的终锻温度不得低于锻造工艺的要求； 5、模具的冷却，在锻打过程中，模具温度很快升高，为防止模具过热产生退火，模具温度不允许超过400℃，为此，在锻打过程中必须进行冷却，冷却方法可采用外冷法和内冷法。

6、润滑，及时的润滑锻模以减少摩擦力，有些润滑剂也兼起冷却锻模的作用。

7、清除氧化皮，氧化皮对锻件质量和模具寿命影响很大，要及时清除氧化皮。

小结：

通过此次课程设计我有加深了对锻造和锻造工艺的理解。锻造

工艺不仅能合理利用金属的塑性，省时节能地获得产品的形状，而且还能改变金属的内部组织，提高原始金属本身的承载能力，进而收到节材的效果。

模锻工艺是在自由锻工艺基础上发展起来的一种先进工艺。它是将金属加热，使其具有较高的塑性，然后置于锻模模膛中，有锻造设备施加压力，是金属发生塑性变形并充填模膛，得到所需形状并符合技术要求的模锻件。

通过此次课程设计，我又系统的复习了锻压的工艺及模具设计的知识，同时，进一步了解了锻压方面其他的很多知识。为我在以后的工作中打下了较坚实的基础，对于一般的锻压模具，自己基本可以完成整个设计任务！每次完成任务后都会有一点相同的感受，就是在学习和工作中，一定要勤奋努力，一丝不苟，用科学严谨的态度对待所以的一切任务！

参考文献：

[1].范建蓓编著的《压铸模与锻模》,机械工业出版社.

[2].郝滨海编著《锻造模具简明设计手册》，化学工业出版社；

[3].《锻造工艺与模具设计》课本；

[4].胡亚明，华林主编《锻造工艺过程及模具设计》，北京大学出版社；

[5].王德拥主编《简明锻工手册》第2版，机械工业出版社。 [6]..

[7]. 《Autocad2004高级教程》 人民邮电出版社