齒輪鍛造課程設(shè)計說明書

.PAGE18.編號課程設(shè)計說明書題目圓柱齒輪熱模鍛工藝及模具設(shè)計二級學院材料科學與工程學院專業(yè)材料成形及控制工程班級學生姓名學號指導教師職稱時間..目錄緒論1TOC\o"1-3"\h\z1零件分析及工藝方案確定11.1零件分析11.2工藝方案的確定12熱模鍛壓力機模鍛件設(shè)計32.1選擇分模面62.2確定模鍛件加工余量及公差72.3確定鍛件模鍛斜度92.4確定鍛件圓角半徑92.4確定鍛件連皮102.5確定模鍛件的技術(shù)要求 102.6繪制鍛件圖及計算鍛件基本數(shù)據(jù)113熱模鍛壓力機鍛模設(shè)計113.1設(shè)備噸位的確定123.2選擇飛邊槽123.3確定排氣孔133.4終鍛模膛設(shè)計 133.5預鍛模膛的確定 143.6其他模膛設(shè)計144熱模鍛壓力機模鍛工藝設(shè)計 154.1選擇制坯工步 154.2確定坯料尺寸 155鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計166鍛前加熱鍛后冷卻及熱處理要求的確定196.1確定加熱方式,及鍛造溫度范圍 196.2確定加熱時間 196.3確定冷卻方式及規(guī)范 196.4確定鍛后熱處理方式及要求 197確定模具材料及熱處理的要求208模鍛工藝流程確定219參考文獻22緒論鍛造是一種借助工具或模具在沖擊或壓力作用下加工機械零件或零件毛坯的方法。與其它加工方法相比,鍛造加工生產(chǎn)率高；鍛件的形狀,尺寸穩(wěn)定性好,并具有最佳的綜合力學性能。鍛件的最大優(yōu)勢是韌性高,纖維組織合理,件與件之間性能變化小；鍛件的內(nèi)部質(zhì)量與加工歷史有關(guān),不會被任何一種金屬加工工藝超過。鍛造生產(chǎn)根據(jù)使用工具和生產(chǎn)工藝的不同而分為自由鍛、模鍛和特種鍛造。自由鍛造：一般是指借助簡單工具,如錘,砧,型砧,摔子,沖子,墊鐵等對鑄錠或棒材進行鐓粗,拔長,彎曲,沖孔,擴孔等方式生產(chǎn)零件毛坯。加工余量大,生產(chǎn)效率低；鍛件力學性能和表面質(zhì)量受生產(chǎn)操作工人的影響大,不易保證。這種鍛造方法只適合單件及極小批量或大鍛件的生產(chǎn)；不過,模鍛的制坯工步有時也采用自由鍛。特種鍛造：有些零件采用專用設(shè)備可以大幅度提高生產(chǎn)率,鍛件的各種要求也可以得到很好的保證,特種鍛造有一定的局限性,特種鍛造機械只能生產(chǎn)某一類型的產(chǎn)品,因此適合于生產(chǎn)批量大的零部件。模鍛：模鍛是指將坯料放入上下模塊兒的模膛間,借助鍛錘錘頭,壓力機滑塊或液壓機活動橫梁向下的沖擊或壓力成形為鍛件。鍛模的上下模塊分別緊固在錘頭和底座上。模鍛件余量小,只需少量的機械加工〔有的甚至不加工。模鍛生產(chǎn)效率高,內(nèi)部組織均勻,件與件之間的性能變化小,形狀和尺寸主要靠模具保證,受操作人員的影響小。鍛造應用范圍廣,幾乎所有的運動的受力部件都由鍛造成形,大到飛機輪船小到我們生活中的日常用品,鍛造是現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分,同時也推動現(xiàn)代工業(yè)的不斷向前發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,模具是生產(chǎn)各類產(chǎn)品的重要工藝裝備,它以其特定的形狀通過一定的方式使原材料成形。采用模具生產(chǎn)零部件,具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、成本低、節(jié)省能源和原材料等一系列優(yōu)點,在鍛造、沖壓、塑料模制品等行業(yè)中得到了廣泛應用,成為當代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向。模具工業(yè)對國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展,起著越來越重要的作用。模具工業(yè)的快速發(fā)展,不斷對模具制造提出更高的要求。世界上一些發(fā)達國家,模具制造技術(shù)發(fā)展非常迅速,模具制造的水平制約這模具設(shè)計的的發(fā)展,同時也制約這整個模具行業(yè)的發(fā)展。模具制造水平的高低,已經(jīng)成為衡量一個國家機械制造水平的重要標志之一。時至現(xiàn)在,計算機水平的飛速發(fā)展,CAD、CAE已廣泛應用在設(shè)計制造中,這就使線切割,電火花等現(xiàn)代加工手段成為現(xiàn)實,基本上使模具設(shè)計脫離了模具制造水平的制約,同時也模具設(shè)計提供了一個廣闊的平臺。1零件分析及工藝方案確定1.1零件分析鍛件工藝分析包括技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面的內(nèi)容。在技術(shù)方面,根據(jù)鍛件圖紙,主要分析該模鍛件的形狀特點、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合鍛造工藝的要求；在經(jīng)濟方面根據(jù)鍛件的生產(chǎn)批量,分析產(chǎn)品成本,做到在不影響零件使用的前提下,用最簡單最經(jīng)濟的方法生產(chǎn)出來。一、對鍛件的形狀精度分析本次設(shè)計工件是圓柱齒輪。外形復雜度一般,是由桿類件和彎曲件特征組成,桿類特征部分和彎曲類特征部分成一定的角度,相對復雜的鍛件外形就決定了比較復雜的型腔,這對模具制造和模具壽命還是造成了一定的不利影響。本鍛件精度等級不是特別的高,屬半精密級〔用于普通鍛件和半精鍛工藝鍛壓,但由于鍛件的外表面大部分區(qū)域鍛造成形不需要進一步加工,相對來說要求也比較高。二、對鍛件的經(jīng)濟性分析所謂經(jīng)濟性,就是以最小的耗費取得最大的經(jīng)濟效果。在鍛造生產(chǎn)中,保證產(chǎn)品質(zhì)量,完成產(chǎn)品數(shù)量、品種計劃的前提下,產(chǎn)品的成本越低,說明你設(shè)計的模具經(jīng)濟效果越大。降低制造成本的措施：1、降低模具費用,是降低成本的有效措施；2、工藝合理化可以降低模具費、節(jié)約加工工時、降低材料費用；3、多個工件同時加工成形,可使模具費、材料費和加工費降低；4、鍛造過程的自動化及高速化,可以降低加工費用和提高材料利用率；5、提高材料利用率,降低材料費。1.2工藝方案的確定常用的模鍛方式有：曲柄壓力機上模鍛、螺旋壓力機上模鍛、錘上模鍛。故在此有三中方案供選擇：一、曲柄壓力機上模鍛曲柄壓力機行程和壓力不可以隨意調(diào)節(jié),不易進行拔長、滾擠等制坯操作；對于一些主要靠壓入方式成形的鍛件不得不采用多模膛模鍛,增加了模具和工序；造價比較昂貴,一次性投資大。優(yōu)點如下：

1、鍛件精度較錘上模鍛精度高；

2、曲柄壓力機上模鍛件內(nèi)部變形深透而均勻,流線分布也均勻合理,保證了力學性能均勻一致；

3、曲柄壓力機上模鍛容易產(chǎn)生大毛邊,金屬充填上下模差異不大；

4、曲柄壓力機模鍛具有靜壓力的特性,金屬在模膛內(nèi)流動較緩慢；二、螺旋壓力機上模鍛螺旋壓力機上模鍛不能進行多型腔鍛造,需要時,需要進行單獨制坯。效率比較低,造價比較高。三、錘上模鍛1、工藝靈活,適應行好,可以生產(chǎn)各類形狀復雜的鍛件,如盤形件、軸類件等；可單模膛模鍛,也可以多模膛模鍛；可單件模鍛,還可以多件模鍛或一料多件連續(xù)模鍛。2、錘頭的行程,打擊速度或打擊能量均可調(diào)節(jié),能實現(xiàn)輕重緩急不同的打擊,因而可以實現(xiàn)鐓粗,拔長,滾擠,彎曲,卡壓,成形,預鍛和終鍛等各類工步。3、錘上模鍛是靠錘頭多次沖擊坯料使之成形,因錘頭運動速度快,金屬流動有慣性,所以充填模膛能力強。4、模鍛件的纖維組織是按鍛件輪廓分布的,機械加工后仍基本保持完整,從而提高鍛制零件的使用壽命。根據(jù)題目要求此圓柱齒輪采用第一種方案模鍛即熱模鍛壓機模鍛。圓柱齒輪零件圖2熱模鍛壓力機模鍛件設(shè)計表4-1鍛件圖設(shè)計的步驟和原則序號步驟原則1確定分模位置和形狀鍛件的分模線形狀分為：平直分模線、對稱彎曲分模線、不對稱彎曲分模線。良好的分模面應達到如下要求：1.保證鍛件容易脫模,一般應以最大投影面作為分模面。2.分模面應易于檢驗上下模膛的相對位移。3.分模線應盡可能選用直線,使鍛模加工簡單。但對頭部尺寸較大且上下不對稱的鍛件,則易取折線分模,以保證成形充滿。4.圓餅類鍛件的高度小于直徑時,應取徑向分模。5.應保證鍛件有合理的金屬流線分布。2確定鍛件公差和機械加工余量各生產(chǎn)廠應根據(jù)所用鍛造和加熱設(shè)備的精度,模鍛件的形狀和材料,零件設(shè)計對鍛件尺寸的要求和鍛件訂貨、驗收所涉及的問題等,確定鍛件的公差和加工余量。3確定模鍛斜度模壁斜度大模鍛后鍛件易于從模膛中取出,但模壁斜度越大,所需的充模壓力也越大。4確定鍛件的圓角半徑鍛件外形和內(nèi)腔輪廓拐角處的圓角半徑對金屬流動有很大的影響,過小的圓角半徑,使金屬流動受到很大的阻力而不易充滿模膛,消耗較多的能量并造成模具相應部位嚴重磨塤,因此在允許的情況下應將此類圓角半徑加大。2.1確定分模位置確定分模面位置最基本的原則是保證鍛件形狀盡可能與零件形狀相同。使鍛件容易從鍛模模膛中取出,因此鍛件的側(cè)表面不得有內(nèi)凹的形狀,并且使模膛的寬度大而深度小。鍛件分模位置應選在具有最大水平投影尺寸的位置上。應使飛邊能切除干凈,不至產(chǎn)生飛刺。對金屬流線有要求的鍛件,應保證鍛件有最好的纖維分布。圓柱齒輪為餅類件鍛件,其高徑比H/D=50/235=0.213<1,因此取徑向分模。根據(jù)零件形狀,分模面取為最大直徑處的1/2高度位置,分模面如下圖。根據(jù)圓柱齒輪零件圖的形狀,采用從輪緣中部直線分模面2.2確定公差和加工余量1、估算鍛件質(zhì)量。由表查出碳鋼類密度為7.85。計算鍛件體積：==1099.41。計算鍛件質(zhì)量：8.63kg。外輪廓包容體積：=2167.58。外輪廓包容的質(zhì)量：。由于零件材料為20Cr,即材質(zhì)系數(shù)為。2、鍛件復雜系數(shù)形狀復雜系數(shù)S=8.63/17.01=0.5071。根據(jù)計算的復雜系數(shù)S查下表,為Ⅱ級復雜系數(shù)。表4-4鍛件形狀復雜程度等級級別代號形狀復雜系數(shù)值形狀復雜程度ⅠS10.63～1簡單ⅡS20.32～0.63一般ⅢS30.16～0.32較復雜ⅣS4≤0.16復雜該零件的表面粗糙度為Ra=3.2,即加工精度為級。由于熱模鍛壓力機導向精度高,因此鍛件的余量和公差值可以比錘上模鍛相應減小30%~50%。根據(jù)材質(zhì)系數(shù),形狀復雜系數(shù)S,由《鍛造實用速查手冊》表2-20查得公差與余量。查的錘上模鍛鍛件長度公差為mm,寬度公差為mm,高度公差為mm,單邊加工余量厚度方向與水平方向加工余量都為2.0~2.5mm。因為鍛件的余量和公差值可以比錘上模鍛相應減小30%~50%,所以熱鍛模壓力機模鍛件取長度公差,寬度公差為mm,高度公差為mm,單邊加工余量厚度方向與水平方向加工余量取為1.5mm。鍛件內(nèi)孔直徑的單面機械加工余量1.0mm。長度公差寬度公差高度公差厚度方向與水平方向單邊加工余量內(nèi)孔直單邊徑加工余量1.51.02.3模鍛斜度由于鍛壓機具有頂料機構(gòu),因此其鍛件的斜度可比錘上模鍛件斜度小一級。由《鍛造實用速查手冊》表2-35,查的外模斜度ɑ=5°,內(nèi)模斜度β=7°。為了使鍛模制造時避免復雜化,斜度應力求統(tǒng)一,按較大斜度取得一致。所以斜度模鍛斜度值為7°。圓角半徑鍛件上的圓角可使金屬容易充滿模膛,起模方便和延長模具使用壽命。圓角半徑太小會使鍛模在熱處理或使用中產(chǎn)生裂紋或壓塌變形,在鍛件上也容易產(chǎn)生折紋。同時為了加工方便同一鍛件圓角的選取要與銑刀相配。為了使金屬易于流動和充滿模膛,提高鍛件質(zhì)量并延長鍛模壽命,模鍛件上的所有轉(zhuǎn)接處都用圓弧連接。由零件圖計算H/B都為≤2所以r=0.05h+0.5R=2.5r+0.5因此輪緣處r=1.25mmR=3.625mm輪轂處r=1.75mmR=4.875mm為使鍛件圓角半徑規(guī)格盡量一致取r=2mmR=5mm按r=余量+ɑ校核〔ɑ為零件相應處的圓角半徑或倒角值零件內(nèi)孔有倒角2mm×45°,故此處外圓角半徑r=余量+ɑ=1.5+2=3.5mm,圓整后r=3mm。又鍛件輪輻上的內(nèi)圓角不需要再進行機械加工,所以外圓角半徑按照零件圖上的圓角半徑不變。故最終：內(nèi)孔有倒角處外圓角半徑r其余外圓角半徑r內(nèi)圓角半徑R3mm2mm2mm2.5鍛件連皮模鍛不能直接鍛出透孔,因此,在設(shè)計熱鍛件圖時必須在孔內(nèi)保留一層連皮,然后在切邊壓力機上沖除掉。一般情況下,當鍛件內(nèi)孔直徑大于30mm時要考慮沖孔連皮。在這里采用平底連皮形式,其厚度s按下式確定：式中d—鍛件內(nèi)孔直徑〔mmh—鍛件內(nèi)孔深度〔mm故取連皮s=7mm因模鍛成形過程中金屬流動激烈,連皮上的圓角半徑應比內(nèi)圓角半徑R大,可按照下式確定：所以=12mm連皮厚度s<mm>7連皮上圓角半徑〔mm122.6技術(shù)條件〔1圖上未標注的模鍛斜度7o；〔2圖上未標注的圓角半徑R2；〔3允許的錯移量1.2mm；〔4允許的殘留毛邊量1.2mm；〔5允許的表面缺陷深度0.5mm；〔6鍛件熱處理:調(diào)質(zhì)HB230—260；〔7鍛件表面清理:為便于檢查淬火裂紋,采用酸洗。根據(jù)余量和公差,繪制冷鍛件圖。2.7計算鍛件的主要參數(shù)求出鍛件的基本數(shù)據(jù)如下：<1>鍛件在平面上的投影面積為mm2;<2>鍛件周邊長度為748mm;<3>鍛件體積為1099.41mm3;<4>鍛件質(zhì)量為8.63kg。3熱模鍛壓力機鍛模設(shè)計因為熱模鍛壓力機有上、下頂出裝置,所以大多短軸類和長軸類鍛件可在熱模鍛壓力機上生產(chǎn),不少頂鐓類鍛件也可在熱模鍛壓力機上生產(chǎn),熱模鍛壓力機上常用的變形工步有終鍛,預鍛,鐓粗,成型鐓粗,壓擠,彎曲等。熱模鍛壓力機工藝過程的萬能性差,不便于拔長和滾擠等制坯工步。熱模鍛壓力機常常用到預鍛工步且熱模鍛壓力機模具可采用鑲塊式組合結(jié)構(gòu)。3.1設(shè)備公稱壓力的確定鍛壓機公稱壓力的選擇一般根據(jù)鍛造力P確定的,鍛造力P<KN>一般根據(jù)經(jīng)驗公式或圖標確定。估算鍛件投影面積f〔包括飛邊橋部=467,由呂炎《鍛模設(shè)計手冊》圖7-4,且在使用時使用噸位最是設(shè)備噸位的80%,所以查下表選擇設(shè)備噸位為31500kN。3.2選擇飛邊槽為防止壓力機"悶車",在熱模鍛壓力機上模鍛時,上下鍛模不能直接接觸,沒有承擊面,預鍛模槽和終鍛模槽的上下間隙即飛邊橋部的厚度。飛邊槽增加金屬流出模膛的阻力,迫使金屬充滿模膛,飛邊還可容納多余金屬。鍛造時飛邊起緩沖的作用,減弱上模對下模的打擊,是模具不易壓塌和開裂,飛邊槽的尺寸可按設(shè)備公稱壓力確定。形式Ⅱ為標準形,一般采用此種形式。設(shè)備噸位31500kN,查上表7-4,有：hbBL515105023故畫出飛邊槽結(jié)構(gòu)圖如下：3.3確定排氣孔排氣孔直徑不大于2mm,深度為5mm到15mm,其下端則擴大為4到5mm,以簡化制造工藝。3.4終鍛模膛設(shè)計終鍛模膛設(shè)計的主要內(nèi)容是繪制熱鍛件圖,還有飛邊槽類型及尺寸,終鍛模膛是各種模膛中最重要的模膛,用來完成鍛件最終成型,終鍛件圖按熱鍛件圖加工和檢驗,所以設(shè)計終端形槽須先設(shè)計熱鍛件圖。熱鍛簡圖是按照冷鍛簡圖加收縮率繪制。材料為20Cr,圓柱齒輪考慮收縮率為1.5%,模鍛斜度和內(nèi)外圓角的尺寸按冷鍛件圖不變。繪制的熱鍛件圖見下圖。熱模鍛件圖3.5預鍛模膛設(shè)計為使預鍛件輕易放進終鍛模膛,預鍛件的內(nèi)側(cè)尺寸應比終鍛件大0.5mm左右,外側(cè)尺寸比終鍛件小,輪輻厚度預鍛和終鍛工步相等或略小,高度方向預鍛工步尺寸應比終端尺寸大,輪轂部分預鍛的體積比終鍛的體積大。預鍛件圓角半徑及模鍛斜度設(shè)計原則與鍛上模鍛相同,預鍛時沖孔尺寸厚度單邊≤5mm,有下圖示。由終鍛件圖畫出預鍛件圖3.6鐓粗模膛設(shè)計鐓粗模膛有鐓粗臺和成形鐓粗兩種,鐓粗圓形件采用鐓粗臺。鐓粗后毛坯高度h,可按其外徑比預鍛模膛在分模面上的直徑小1~3mm,一般能放進預鍛模膛即可。4熱模鍛壓力機模鍛工藝設(shè)計4.1確定制坯工步圓餅類模鍛件的坯料坯料采用鐓粗制坯,目的是避免終鍛時產(chǎn)生折疊,兼有除去氧化皮的作用。鐓粗直徑的確定需考慮鍛件的形狀,防止輪轂與輪緣間產(chǎn)生折疊,對常齒嚙合輪鍛件時應滿足,即,取=200mm。模鍛工藝方案為：鐓粗→預鍛→終鍛。4.2確定坯料尺寸圓柱齒輪鍛件為圓餅類鍛件,計算毛坯尺寸時,以鐓粗變形為依據(jù)。坯料體積為：=〔1+k；式中k為富裕系數(shù),它綜合了模鍛件復雜系數(shù),飛邊體積和火耗量的影響。對圓形模鍛件,k=0.120.25;模鍛件本體體積；=〔1+0.18×1099.41=1297303坯料直徑：=1.13；m毛坯高度與直徑的比值,一般取1.82.2；=1.13=97.817mm實際取=100mm坯料下料長度=；==165.26mm考慮到下料誤差取=168mm。坯料尺寸為,試鍛后再根據(jù)實際生產(chǎn)情況適當調(diào)整。5鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計1模膛布排熱模鍛壓力機比鍛錘抗偏載能力強,使得模膛布排比較靈活,但要注意協(xié)調(diào)模膛中心與頂出位置的矛盾。兩邊分別為鐓粗、預鍛模膛,終鍛模膛在中間位置。2模塊尺寸對于此圓柱齒輪鍛件采用圓餅狀模塊。模塊直徑預、終鍛模膛邊緣應有足夠的厚度,一般要求：s=h>40mm;s是模壁厚度；是經(jīng)驗系數(shù),取值范圍；h是模膛深度〔mm;s=2×22mm=44mm,取s=50mm故模塊直徑340mm抗壓強度校核,一般要求q=F/A<;q是單位面積承受壓力<MPa>；F是壓力機噸位〔N；A是模塊實際承壓面積〔；是許用壓力,取350MPa。q=31500×1000/90789=346.9MPa符合要求模塊高度模塊高度尺寸應滿足；模塊高度；=0.5×22=11mm；h=11+22=33mm；根據(jù)實際情況取終鍛下模塊h=130mm,上模塊h=130mm。終鍛模塊直徑380mm模塊高度130mm終鍛圓形模塊3鍛模結(jié)構(gòu)形式采用三工位圓形鑲塊用壓板緊固結(jié)構(gòu)。4導向裝置壓力機鍛模一般不采用鎖扣,而用導柱,導套進行導向?；境叽鏒D2D1dl公稱壓力LL1180mm180.5mm200mmM164031500KN670mm240mm5熱模鍛曲柄壓力機參數(shù)所選壓力機為31500KN,查表可選壓力機參數(shù)有：公稱壓力/KN滑塊行程/mm行程次數(shù)次/min最大閉合高度/mm閉合高度調(diào)節(jié)/mm工作臺尺寸/mm31500340601050251400×180031500340551050121460×17503150035055950231180×1200所選為裝模高度為950mm,第三種熱模鍛壓力機。模具裝配圖1下模座2頂桿3螺釘4下墊板5導柱6后擋板7模塊8導套9上墊板10上模座11上壓板12模塊13下壓板6鍛前加熱鍛后冷卻及熱處理要求的確定6.1確定加熱方式,及鍛造溫度范圍在鍛造生產(chǎn)中,金屬坯料鍛前加熱的目的：提高金屬塑性,降低變形抗力,即增加金屬的可塑性,從而使金屬易于流動成型,并使鍛件獲得良好的組織和力學性能。金屬坯料的加熱方法,按所采用的加熱源不同,可分為燃料加熱和電加熱兩大類。根據(jù)鍛件的形狀,材質(zhì)和體積,采用半連續(xù)爐加熱。金屬的鍛造溫度范圍是指開始鍛造溫度〔始鍛溫度和金屬鍛造溫度〔終鍛溫度之間的一段溫度區(qū)間。確定鍛造溫度的原則是,應能保證金屬在鍛造溫度范圍內(nèi)具有較高的塑性和較小的變形抗力。并能使制出的鍛件獲得所希望的組織和性能。查有關(guān)資料確定鍛件的始段鍛溫度為1200℃,終鍛溫度為800℃。6.2確定加熱時間加熱時間是坯料裝爐后從開始加熱到出爐所需的時間,包括加熱個階段的升溫時間和保溫時間。在半連續(xù)爐中加熱,加熱時間可按下式計算：；式中D—坯料直徑或厚度〔cm；—鋼化學成分影響系數(shù),取0.13〔h/cm；6.3確定冷卻方式及規(guī)范按照冷卻速度的不同,鍛件的冷卻方法有3種：在空氣中冷卻,冷卻速度快；在灰沙中