齿轮锻造工艺设计说明书

齿轮锻造工艺设计说明书
摘要：锻造生产的目的是坯料成型、及控制其内部组织性能达到所需的几何形状，尺寸以及品质的锻件，钢和大多数非铁金属及合金具有不同程度的塑性，均可在冷态或热态下进行塑性加工成型。齿轮的锻造采用的是自由锻工艺。本文主要介绍的是齿轮的自由锻工艺。自由锻是利用压力或冲击力是金属在上下抵铁之间产生塑性变形，从而获得所需锻件形状及尺寸的方法。确定自由锻的工艺成为了自由锻加工的关键。本文着重介绍的就是齿轮的自由锻的工艺流程。
关键词：自由锻、齿轮加工、塑性变形、工艺流程。
目录
一． 绪论…………………………………………………… 1
二． 总体设计方案………………………………………… 1
三． 具体的设计方法与步骤……………………………… 3
3.1绘制锻件图……………………………………… 3
3.2确定变形工艺…………………………………… 3
3.2.1镦粗……………………………………… 3
3.2.2冲孔……………………………………… 4
3.2.3扩孔……………………………………… 4
3.2.4修整锻件………………………………… 4
3.3计算坯料质量和尺寸…………………………… 4
3.4选定设备及规范………………………………… 5
四． 工艺流程（工艺卡）………………………………… 6
五． 结论…………………………………………………… 7
六． 致谢…………………………………………………… 7
七． 参考文献……………………………………………… 8

锻件结构工艺性分析
绘制锻件图
参数选择
加工余量的确定、公差的确定
确定坯料质量
确定工序
锻造设备的选择
加热温度与加热时间的确定
锻后热处理

1. 零件图、工艺图附于说明书后，用A4纸打印或手绘。
2. 封面格式：

1. 设计说明书用A4纸，必须手写，含封面、目录、正文、参考文献等。
先进设计与制造综合实验
xx零件xx工艺设计
班级
姓名

一、绪论
锻造的目的是使坯料成形及控制其内部组织性能达到所需的几何形状，尺寸以及品质的锻件。锻造的基本工艺有自由锻、模锻、板料冲压等，其中自由锻和模锻是热塑性成型，而板料冲压是冷塑性成形，两者的基本原理相同。
锻造件占得比例说明了一个国家生产水平、生产率、材料利用率、生产成本及产品品质在国际竞争中的地位。在新中国成立之前，锻造基本上是手工作坊式的延续，生产效率低，劳动强度大
。然而在改革开放之后我国的锻造工艺水平得到了迅

猛的发展，从而带动了诸如汽车工业的跨越式发展。但我们还应该清醒的看到我们的锻造工艺水平与欧美发达国家还有一定差距，这更加促使我们努力发展新技术，赶超国际先进水平。
齿轮是现代工业大量使用的零件，本文就是讨论齿轮的自由锻生产。自由锻能进行的工序很多，可分为基本工序、辅助工序、及精整工序三大类。它的基本工序是使金属产生一定程度的塑性变形以达到所需的形状和尺寸的工艺过程，如镦粗，拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转及错移等工序。
二、总体设计方案
1.绘制锻件图
根据零件图的基本图样，结合自由锻工艺特点考虑余块、锻件余量和锻造公差等因素绘制而成。
2.计算坯料质量及尺寸
(1)坯料质量的计算
根据锻件的形状和尺寸，可先计算锻件的质量，再考虑加热时的氧化损失，冲孔时冲掉的芯料以及切头的损失，可先计算锻件所用的坯料的质量，其计算公式为
m坯=m锻+m烧+m头+m芯
(2)坯料尺寸确定
皮料尺寸与所用第一个基本工序有关，由于齿轮是饼块类或空心类锻件，用镦粗工序锻造时，为了避免镦弯，应使坯料高度h不超过直径D的2.5倍，即坯料高径比h/D不超过2.5。为了在截料时便于操作，毛坯高度h不仅应小于2.5D，即高径比还应大于1.25即

圆料直径 。
3.选择锻造工序
齿轮的锻造，根据其横向尺寸大于或近于高度的特点一般以镦粗为主，当锻件有凸肩时，可按凸肩尺寸选垫环镦粗促或局部镦粗。若锻件孔需冲出还需采取冲孔。
4.选定锻造设备
选定锻造设备的依据是锻件材料、尺寸和质量，同时还要适当考虑车间现有设备条件。若设备吨位太小，锻件内部锻不透，生产率也低，反则造成设备和动力的浪费，且操作不便也不安全，通常按经验类比法或查表法等确定。
(1) 经验类比法
锻锤吨位可按经验公式计算：
镦粗时锻锤的吨位 G=(0.002-0.0003)KS(kg)
(2) 查表选定法
对于低碳钢、中碳钢和普通低合金钢的自由锻可查表选定吨位。
5.确定锻造温度及规范
(1)确定锻造温度范围
各类合金钢的锻造温度范围可以从表中查出，基本的原则是确保钢在锻造温度范围内具有良好的塑性和较低的变形抗力，能够锻造出优质锻件，且较宽的锻造温度范围和较少的加热次数，以及较高的生产率。
(2)确定加热及冷却范围
对于导热性好，直径小于150~200mm的碳素结构钢小件，采用一段加热规范，一般高温装炉，炉温控制在1300℃~1350℃。当坯料加热至始锻温度后，立即出炉锻造。
(3) 确定冷却方法及规范
根据要求选择空冷、坑冷或炉冷。中小型
碳钢和低合金钢

锻后均采取冷却速度较快的空冷方法。碳素工具钢、合金工具钢及轴承钢，锻后先空冷鼓风或喷雾等快速冷到200℃，然后把锻件放入坑中或炉中缓冷。
三、具体的设计方法与步骤
1. 绘制零件图
该零件材料为40Cr，生产批量小，采取自由锻锻造齿轮坯。
齿轮上的齿形，圆周小凹槽，凸肩以及8×φ30mm通孔等部分，采用自由锻方法很难成形这些部位，因此考虑到技术上的可行性和经济性，决定不与锻出，并采用附加余块简化锻件外形，以利于锻造。锻造出齿轮坯后可以进一步进行切削加工，最后成形。
根据零件图的尺寸规格，对照表所列中零件的高度和直径范围，可以查出齿轮锻件加工余量和公差。D=289，h=52，查得的加工余量及公差为锻件水平方向a=10±4，锻件高度方向b=9±3，内孔的双边c=13±5，然后按查得的公差数值，便可绘出凸肩齿轮的锻件图。锻件图另行给出。
2. 确定变形工艺
凸肩形齿轮锻件属于空心零件，根据锻件形状尺寸，确定在锻锤上进行锻造，且主要变形工艺为镦粗、冲孔、冲头扩孔等工序，同时根据锻件上的凸肩形状确定采用垫环辅助局部镦粗成型。
目前这类短剑一般采用局部镦粗，而镦挤成形则适于直径和高度均较小的凸肩锻件。由于齿轮内径较大，因此确定采用冲头扩孔，但考虑到冲孔扩孔时金属将会沿着径向流动，并沿着凸肩高度方向产生拉缩现象，因此垫环镦粗后的外径尺寸应比锻件外径小些，且凸肩高度应比锻件凸肩大些。
(1) 镦粗
由于锻件带有单面凸肩，需采用垫环镦粗，这里要确定垫环尺寸。
垫环孔腔体积V垫应比锻件凸肩体积V肩大10%—15%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取12%，经计算V肩=753253mm3。则
V垫=(1+12%)V肩=1.12×753253=843643 mm3
考虑到冲孔是会产生拉缩，垫环高度H垫应比凸肩增大15%—30%（厚壁取小值，薄壁取大值），本例取20%。
H垫=1.2H肩=1.2×34=40.8(mm)取40mm。 垫环内径d垫可根据体积不便求得，即

垫环内壁应有斜度7度，上端孔径定为163mm，下端孔径定为154mm。为了除去氧化皮在垫环镦粗之前应进行平砧镦粗，工艺过程如图。平砧镦粗后坯料的直径应略小于垫环内径，经垫环镦粗后上端法兰部分直径应小于锻件最大直径。
(2) 冲孔
冲孔应使冲孔芯料损失小，同时扩孔次数不能太多，冲孔直径d冲应小于或等于D/3即d冲≤D/3=213/3=71mm,实际选用d=60mm。
(3) 扩孔
总扩孔量为锻件孔径减去冲孔直径，即(131-60)=71mm,一般每次扩孔量为25~30mm，分配各次扩孔量为21mm、25mm、25mm。
(4) 修整锻件
按锻件图进行修整。
3. 计算坯
料质量

和尺寸
坯料质量等于锻件质量加上芯料质量和烧损质量，锻件质量按公式计算为
m锻=V锻ρ=π/4(32×0.27+2.112×0.34+1.322×0.61) ×7.8=17.8kg
冲孔芯料的质量（取d=60mm，H=65mm）为
m芯=(1.18~1.57)d2×H=0.3kg
坯料的煤气炉加热的烧损率δ=2%，考虑到该锻件需要经过2~3次扩孔，而至少需要加热2次，因此应取单火烧损率的上限再加上适当的烧损值，即为δ=0.035，所以坯料的烧损质量为
m烧=17.8×0.035kg=0.6kg
所以坯料的质量为
m坯=m锻+m烧+m头+m芯=18.7kg
计算坯料的直径时，由于采用镦粗成形，可按下式计算：

查表可知标准热轧圆钢直径，确定选取坯料直径D=120mm。
坯料长度为

从而确定坯料尺寸为φ120×210mm。
4. 选定设备及规范
该锻件类型属于圆环，D=289，H=52，查表可知应选用5kN的自由锻锤。40Cr属于合金结构钢，查表可知始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃。因为该锻件是直径为200~350mm的碳素结构钢中型件，采用煤气炉三段式加热规范，装料炉温为1150℃~1200℃，保温时间约为总加热时间（1h~100min）的5%~10%，这里保温为15min，再以最大加热速度加热至1200℃以后，再次保温均热约为15min后开始锻造。
冷却方法：以为该锻件是中小型低合金结构钢，可以采取空冷的冷却方式。
四、工艺流程（工艺卡）
锻件名称 齿轮 （锻件图另行给出）
锻件材料 40Cr
坯料质量 18.7kg
坯料尺寸 φ120×210mm
锻造设备 0.5t自由锻锤
火次 操作工序 工序简图 备注
1 下料
坯料质量与尺寸可由锻件图算出，为 φ120×210mm
镦粗

垫环局部镦粗
H垫=40mm，
d垫=164mm


2 冲孔
d冲=60mm
冲头扩孔
分三次扩孔，每次扩孔量为21mm、25mm、25mm

修整
按锻件图进行修整

五、结论
采用以上工艺可以锻造出齿轮坯，之后只要在进行切削加工成形就能制造出齿轮了。我想为什么不直接进行切削加工而是先进性锻造呢？其原因一定是锻造不仅能使其初步成形而且更重要的是锻造可以改善零件的力学性能，提高它的韧性与强度。所以关键部分的重要零部件都要先进行锻造然后切削成形。
六、致谢
通过这一次的热加工课程设计，我深刻的领会到了热加工在工业生产中的重要地位。我做的是齿轮的锻造工艺设计，对齿轮加工的各个过程进行了全面深入的讨论，这让我从中学到了很多，我以后也会更加努力去提高与完善自己的知识储备，来面对以后的工作岗位上遇到的更大的挑战。在这次课程设计中xxx老师给了我很大的帮助，再次表示感谢，更要感谢的是我自己这些天的努力，付出的汗水会浇灌出成功的鲜花。
七、
参考文献
【1】 王爱珍，

热加工工艺基础，北京，北京航空航天大学出版社
【2】 王爱珍，金属成型工艺设计，北京，北京航空航天大学出版社
【3】 胡亚民，锻造工艺过程及模具设计，北京，北京大学出版社