齿轮锤锻模设计

目录
前言 (2)
1锻件工艺分析 (3)
1．1 结构分析 (3)
1．2 形状分析 (3)
2分模面的确定 (3)
2．1分模面与分模线 (3)
2．2确定分模面 (3)
3绘制锻件图 (3)
3．1 确定加工余量和公差 (3)
3.1.1估算锻件体积、质量 (3)
3.1.2计算形状复杂系数s (4)
3.1.3确定材质系数 (4)
3.1.4计算加工余量及公差 (4)
3．2确定模锻斜度 (5)
3．3确定圆角半径 (5)
3．4设计斜底连皮 (5)
3．5校核 (6)
4设计终锻模膛 (6)
4．1确定收缩率,计算热锻件基本尺寸 (7)
4．2绘制热锻件图 (7)
4．3飞边槽的设计 (8)
4.3.1飞边槽的功能作用: (8)
4.3.2飞边槽形式： (8)
4．4钳口的设计 (9)
5锻锤吨位的确定 (9)
5．1确定模锻锤吨位 (9)
6制坯模膛设计 (9)
6．1选择制坯工步 (9)
6．2坯料尺寸确定 (10)
6．3镦粗台设计 (10)
7锤锻结构设计 (11)
7．1锤锻模紧固方法 (11)
7．2 模膛的位置 (12)
7．3模壁厚度 (12)
7．4 平面锁扣设计 (12)
7．5 模块设计 (13)
7.5.1锻模高度 (14)
7.5.2承击面 (14)
7.5.3模锻与模块中心的关系 (14)
总结 (16)
参考文献 (17)
前言
段模是热模锻的工具。

段模模膛制成与所需锻件凹凸相反的相应形状，并作合适的分型。

将锻件坯料加热到金属的再结晶温度上的锻造温度范围内，放在段模上，再利用锻造设备的压力将坯料锻造成带有飞边或极小飞边的锻件。

根据使用设备的不同，锻模分锤锻模、机械压力机锻模、螺旋压力机锻模、平锻模等。

锻模对高温状态下的金属进行加工，工作条件较差，需承受反复冲击载荷和冷热交变作用，产生很高的应力。

金属流动时还会长生摩擦效应。

因此模具在作业条件下应具有高的强度、硬度、耐磨性、韧性、耐氧化性、热传导性和抗热裂性。

本设计是根据《压铸模及其他模具》等相关书籍课程设计要求和教材设计。

设计遵循“理论联系实际，体现实用性、应用性和综合性等激发创新的原则，在我学院模具专业老师的指导下完成。

设计将压铸模设计、锻造设计和锻模设计进行有机的融合和凝结。

采用专业的术语和相关图表，在简要的介绍锻造工艺理论的基础上，较为简洁的阐述了齿轮锤锻模的设计和基本步骤。

1锻件工艺分析
1．1 结构分析
锻模分模面是指上下模的分接面。

其确定的原则是：容易脱模，成形良好，平衡侧压力，保证承接面强度，便于检查错移，简化锻模制造。

模锻斜度是为了易于从模膛中取出，一般锻件与模膛侧壁接触部分需带一定的斜度。

1．2 形状分析
各种各样的锻模是为了满足各种各样模锻件的需要。

模锻件可按锻件形状特征可分为圆盘类和长轴类。

而该锻件在锻压方向垂直平面上投影是圆形的圆盘类锻件。

2分模面的确定
2．1分模面与分模线
锻模的分模面是指上下模的分接面。

其确定的原则是：容易脱模，成形良好，平衡侧压力，保证承接面强度，便于检查错移，简化锻模制造。

分模轮廓线是指终锻模膛分模面与锻件轮廓的交线。

分模轮廓线在视图平面上的投影称为分模线。

锻件图上分模面是用分模线来表示的。

2．2确定分模面
分模面选在最大直径中部，如图：把复杂形状放在上模，利用锻锤打击惯性使上模成形饱满，又可利用锻件自重容易从上模中脱出。

3绘制锻件图
3．1 确定加工余量和公差
3.1.1估算锻件体积、质量
5.2,按图计算锻件体积,将锻件分解为简单几何体相加减,取模锻斜度中间值(预
预选加工余量mm
设外模锻斜度 5=α,内模锻斜度 7=β),圆角半径忽略不计。

这样，将齿轮锻件分解为大实心圆柱加小实心圆柱，减去大孔、小孔和一个空心环形状。

按零件图加上加工余量，具体估算计算如下：
实心体: ()32211042236140.104341864
mm V =⨯+⨯=π 大孔: ()
32
23754699.724
mm V =⨯=π
小孔: ()
32
384704396.524
mm V =⨯=
π
环形孔: ()
322
4153356147.795.1424
mm V =⨯-=
π
则: 3432186089515335684704375461042236mm V V V V V f =---=---= 锻件质量:
kg V m f f 758.61085.78608956=⨯⨯=⨯=-密度
3.1.2计算形状复杂系数 s
该齿轮外廓包容体为一圆柱体直径为mm 186,高为mm 48外廓包容体体积：
321289598481864
mm V N =⨯⨯=
π
按计算公式：
648.01289598
860895
==
=
N
f V V S
该齿轮形状复杂系数为1S 级。

3.1.3确定材质系数
50钢材质系数1M 。

3.1.4计算加工余量及公差
查《压铸模与其他模具》里表5-3和表5-4：
()mm 17
.08.01855.22180:180+-=⨯+φ ()mm 5.17.01035.2298:98+-=⨯+φ
()mm
2
.16.07.132.25.11:5.11+-=+ 查《压铸模与其他模具》里表5-2和表5-5：
()mm 5
.15.07.472.25.243:43+-=++
()mm 5.15.07.332.25.229:29+-=++
查《压铸模与其他模具》里表5-3和表5-4：
()mm 6.04.1745.2279:79+-=⨯-φ ()mm 6.04.1560.2260:60+-=⨯-φ
mm 145φ和mm 78φ为净锻表面,mm 9为暴露尺寸，均不考虑加工余量。

由《压铸模与其他模具》
里表5-4可查出残留飞边公差为mm 0.1,错差为mm 0.1。

3．2确定模锻斜度
按最大外圆处计算,L/B=1 H/B ≤1。

查《压铸模与其他模具》里表5-6,外模斜度
5=α,按外模斜度值加大
32
-得到内模锻斜度
7=β,与预设的模锻斜度相等。

3．3确定圆角半径
按照任务书齿轮零件简图所给条件，取外圆角半径mm r 3=,内圆角半径mm R 5=。

3．4设计斜底连皮
当锻件内孔直径d 与孔深h 之比d/h>2.5或 d>60时，采用平底连皮会使孔内多余金属不容易向四周流动，造成冲头磨损，使锻件发生折叠。

所以采用斜底连皮如图：
图3-1 斜底连皮
3．5校核
实心体: ()
322
11034088140.1047.331864
mm V =⨯+⨯=π
大孔: ()
32
23754699.724mm V =⨯=
π
小孔: ()
32
3872797.386.534
mm V =⨯=π
环形孔: ()
322
41500707.137.795.1424
mm V =⨯-=
π
则: 3432175919315007087279375461034088mm V V V V V =---=---=锻
kg m 96.51085.76956656=⨯⨯=-锻
613.01289598
759193
===
N V V S 锻 该齿轮形状一般，系数均为1S 级。

则锻件图所取的机械加工余量和公差是合理的。

3．6绘制锻件图
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 5
4.允许错差公差为 1.0 3.允许残留飞边公差为 1.0 未注内模锻斜度 7
图3-2 齿轮锻件图
4设计终锻模膛
4．1确定收缩率,计算热锻件基本尺寸
锻件时最后形成的模膛是终锻模膛，与热锻件图上相应部分的形状，尺寸一致。

终锻模膛是按照热锻件图来制造和检验的。

为保证锻件冷却后符合冷锻件图的要求，热锻件图上尺寸均在冷锻件图基础上加放收缩率的。

在终锻温度下,锻件收缩率,钢为(1.2～1.5)％,则为了方便计算,我们取=
1
a 1.5％,所有尺寸均按式(5-11): α为终锻温度下锻件收缩率，钢为(1.2～1.5)％；不锈钢为(1.5～1.8)％；铝合金为。

(0.8～1.0)％。

对无坐标中心的圆角半径，不放收缩率。

对薄而宽或细而长的锻件，由于在锻模中先冷却，收缩率应当取下限。

L = l( 1 +
1
a％ ) （5-11）计算各个尺寸得:
185⨯ ( 1 + 1.5％ ) = 187.8mm
103 ⨯ ( 1 + 1.5％ ) = 104.5mm
74 ⨯ ( 1 + 1.5％ ) = 75.1mm
56 ⨯ ( 1 + 1.5％ ) = 56.8mm
78 ⨯ ( 1 + 1.5％ ) = 79.2mm
145 ⨯ ( 1 + 1.5％ ) = 147.2mm
9 ⨯ ( 1 + 1.5％ ) = 9.1mm
13.7 ⨯ ( 1 + 1.5％ ) = 13.9mm
27.
33⨯
( 1 + 1.5％ ) = 17.1mm
( 47.7 -
27.
33
) ⨯ ( 1 + 1.5％ ) = 31.3mm 4．2绘制热锻件图
图4-1 热锻件图
4．3飞边槽的设计
飞边槽和模膛相连的间隙面是飞边桥，围绕飞边桥外周的凹模是飞边仓。

开式锻模在分模面沿终锻模膛周边设置有飞边槽。

飞边槽形式和尺寸对锻件成形影响很大，主要任务是确定飞边槽形式及有关尺寸。

4.3.1飞边槽的功能作用:
1）造成足够大的水平方向阻力,促使金属充满模膛； 2）容纳多余金属；
3）在终锻时,飞边如同垫片,在锻模打靠过程中承受了冲击，起缓冲作用,防止分模面压陷,延长锻模寿命。

4.3.2飞边槽形式：
常见飞边槽形式有五种，型式Ⅰ是最广泛使用的一种，其优点是桥部设计在上模；因而受热少，不易磨损或压塌。

这里选用型式Ⅰ。

图4-2锤锻模飞边槽
飞边槽主要尺寸是飞边桥高度飞h 、宽度b 和入口圆角r 。

按《压铸模与其他模具》里经验公式（5-12）计算飞边桥高度：
A h 015.0=飞 （5-12） A 为锻件在分模面上的投影面积：
22268671851854
4
mm D A =⨯⨯=
=
π
π
则：
mm A h 459.226867015.0015.0=⨯==飞
查《压铸模与其他模具》里表5-9取相近略大的6号第1组数据, mm h 0.3=飞；
mm h 51=；mm r 5.1=；mm b 12=；mm b 321=；2233mm A =飞。

取底部长度mm b 401=，则飞边槽外径为mm 285)250185(=⨯+。

4．4钳口的设计
模膛前端通常为设计钳口，钳口与模膛相通的沟槽称为浇口。

设计钳口主要是用来容纳夹持坯料的夹钳和便于锻件从模膛中取出。

根据钳口不同的功能可分为常用钳口，特殊钳口，圆形钳口，共享钳口等形式。

为了便于制造，在这里选择常用钳口。

钳口的具体尺寸根据夹钳头直径d 选定；浇口尺寸根据锻件重量G 选定。

5锻锤吨位的确定
5．1确定模锻锤吨位
这里根据经验公式：
()1063.035.0A K W -=
先求出包括飞边在内的锻件在与锻压力垂直平面投影面积1A ：
()[]22158505232121854
mm A =⨯++=
π
按照材料为50钢的条件，钢种系数0K 取1.0计算：
()N W )2.36858~8.20467(585050.163.0~35.0=⨯⨯=
按《压铸模与其他模具》表里（4-4）选30KN 锤，即模锻锤吨位为3t 。

6制坯模膛设计
6．1选择制坯工步
由于所设计的齿轮锻件轮毂较低，采用镦粗制坯后终锻成形。

镦粗是模锻圆盘类锻件必需的制坯工步，其作用是清除氧化皮，有助于终锻时提高锻件质量。

为了防止轮毂和轮缘间过渡区产生折叠，镦粗制坯直径镦D 应在 1D ＞镦D ＞2D 范围内。

6．2坯料尺寸确定
（1）为使终锻时定位容易、成形良好，镦粗后尺寸应控制在：端面直径约mm 78φ，中间鼓形直径约为mm 180φ，高度mm 58。

（2）选用圆钢做原材料，锻件体积为3759193mm V =锻。

计算飞边体积：飞边槽尺寸为21233,32,12mm A mm b mm b ===飞。

考虑到该齿轮锻件终锻时定位对中不易准确，故计算时飞边体积可按仓部最后一点展开长度代替l ,而充满系数η取0.5。

()[]3100890321228.1872335.0mm lA V =+⨯+⨯⨯==πη飞飞
连皮体积计算如下：
3221383662.544
4
mm s d =⨯⨯=
=
∨π
π
连
按照高频加热炉加热条件查《压铸模与其他模具》里 表5-15取火耗率δ为1.0﹪，按《压铸模与其他模具》里式（5-14）计算：
()387391901.113836100890759193)1)((mm V V V V =⨯++=+++=δ连飞锻坯
按《压铸模与其他模具》里式(5-15)计算'
0D ：
95.0(0='
D ～8.90()83.03=坯V ～mm )3.79
取mm D 850=,则按式5-16计算0L ：
mm D V A V L 1.15485
873919
442020=⨯⨯===
ππ坯坯坯 该齿轮锻件下料尺寸为mm mm 15585⨯φ。

6．3镦粗台设计
镦粗台是为镦粗坯料而在锻摸分摸面的局部设置的平台，使坯料高度减小，水平尺寸增大，可减少
坯料在终锻模中的打击次数，有利于锻件成行饱满，同时兼有去除氧化皮的作用。

按1D ＞镦D ＞2D 在mm 2.147φ与mm 8.187φ之间取mm D 185φ=镦。

考虑到镦粗后坯料边缘到
镦粗台边缘距离各取mm 25，镦粗台宽度为mm 235。

镦粗台高度h 按《压铸模与其他模具》里式（5-17）计算：
m m D V h 5.32185487391942
=⨯==ππ镦坯
考虑到锻模在镦粗时锻模不打靠，故镦粗台高度取mm 30。

7锤锻结构设计
7．1锤锻模紧固方法
锤锻模由上模和下模组成，上模紧固在锤头上随活塞做上下往复运动，下模紧固在下模座上承受锤击力，要求紧固可靠、安装调试方便。

普遍采用楔铁和键配合燕尾紧固的办法。

生产中经常因锻模燕尾根部开裂而报废，主要是燕尾根部圆角太大或是燕尾高度不够，使燕尾端面与燕尾槽没有接触，如图所示，锻压力通过燕尾两肩产生交变弯曲应力，导致根部疲劳破裂。

锻模安装时，燕尾根部圆角半径要大于mm 5，两肩与锤头保持间隙mm )5.15.0(-，如图7-1所示，以保证锻压力通过燕尾端面传递。

根据模锻锤的吨位可确定燕尾槽尺寸，因为用t 3吨位可查《压铸模与其他模具》里表5-21得锤锻模燕尾尺寸。

mm
mm mm b mm h mm b o o o )3(81)2(78)1(75,5.65,3001====
=
图7-1锻模燕尾
7．2 模膛的位置
模腔的合理布置是多模堂锻摸设计中一个十分重要的问题，对于单模膛模锻，应尽量使模膛中心与打击中心，甚至与模块中心重合。

这时打击力和反作用力的合力处在同一铅垂线上，不产生偏心力矩。

因此将模膛中心设置在与打击中心重合。

7．3模壁厚度
终锻模膛的最小壁厚一般根据模膛深度h 、底部圆角半径R 和模锻斜度α以及模膛在分模面上形状来确定。

h 越大，R 和α越小则壁厚越大。

按模膛最大深度mm h 3.31max =查《压铸模与其他模具》里表5-26，3.1=k ，模膛的最小模壁厚度mm 69.40，则这里取模壁厚度mm t 45=。

如图7-2：
图7-2模膛壁厚
7．4 平面锁扣设计
根据锻件精度要求和锻件形式，在这里设置为平面锁扣，如图7-2所示：
图7-3平面锁扣
其主要尺寸由锻锤吨位3t 确定，可查《压铸模与其他模具》里表5-24得：
锁扣高度 mm H 40=
锁扣宽度 mm b 70=
锁扣斜角 ︒-︒=53β
锁扣间隙 4.02.0-=∆
锁扣平面间隙 311-=∆
锁扣内圆角半径 mm R 31=
锁扣外圆角半径 mm R 52=
如图所示，当101++b b ＞t 时用A 型锁扣；当101++b b ＜t 时使用B 型锁扣，则：
mm b b 54)103212(101=++=++＞mm 45，故采用A 型锁扣。

7．5 模块设计
模块尺寸确定的原则是根据锻模中模膛的数量与尺寸进行布置，考虑最小壁厚等因素，得出所必需的模块最小轮廓尺寸，然后按标准规格选取模块尺寸。

选取模块尺寸时还应考虑下列问题：
7.5.1锻模高度
锻模高度根据终锻模膛最大深度和锻锤的最小闭合高度确定,这是由于上下模块的最小闭合高度应不小于锻锤的最小闭合高度min H 。

考虑到锻模翻新3-4次的需要，通常新制锻模闭合高度H 要保持在该锻锤允许的最小闭合高度min H 的1.35-1.4倍，即min )4.135.1(H H -=模。

模H 若太小，上下模合
不拢，锻件打不靠，甚至可能撞掉锻锤汽缸；模H 若太大，将缩短锤头的行程，降低打击能量。

终锻模膛最大深度mm h 3.31max =，查《压铸模与其他模具》里表5-28确定模块最小高度为mm H 1701=。

再根据锻锤吨位t 3，查《压铸模与其他模具》里表5-20，30kN 锤锻允许最小闭合高度mm H 480min = 加上翻修余量取锻模闭合高度mm H 6724804.1=⨯=模，则模块高取mm 320。

因此，将模块规格确定为mm mm mm 320600480⨯⨯。

图7-3 模块的高度
7.5.2承击面
终锻模膛中心完全和锻模中心重合，为使设计在左前侧的墩粗台中心也尽量靠近锻模中心，终锻模膛部分飞边槽仓部缩短mm 10，退出地方让给墩粗台。

锁口宽度最小处为mm 50。

该锻模承击面约为： 225.189102]2504180)550180600()5600()5480[(mm =⨯-⨯-----⨯-π
锤锻模允许最小承击面是由锻锤吨位确定的，见《压铸模与其他模具》里表5-27，因此3t 锻锤所允许的最小承击面积为700002m m 。

7.5.3模锻与模块中心的关系
因为模锻和模块的关系会影响模具寿命、锤锻寿命和锻件精度，所以通常偏移量要小于模块的边长的10%，将锻模中心设在a=235mm,b=260mm 的位置上， 如图所示：
总结
本设计讲述了齿轮锻造模设计的工艺流程和工艺方法，以及常用设备的原理、构造和应用。

掌握锻造材料、下料方法和锻造温度的确定及形式和结构的设计。

通过此设计,我了解和巩固了锤锻模模具设计等课程所学的内容,而且还进一步的掌握锤锻模具的设计方法和步骤,从而达到掌握齿轮锻造模具设计的基本技能,如计算,绘图,查阅设计和手册,熟悉标准和规范等. 为进一步了解能够充分发挥传统锻锤灵活自如、成型速度快，运用具有高效、节能、高精度、高可靠性的新型锻造设备打下基础。

参考文献
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