齿轮轴锻造

齿轮轴锻模课程设计说明书

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一、锻件图设计

（一）零件的绘制以及结构特征分析

主动齿轮轴是高速重载驱动装置的关键部件之一,其强度可靠性将直接影响到机械装置的运行安全性。采用锻造进行粗加工可使工件获得良好的流线组织，获得较高的强度。主动齿轮轴结构相对简单，关于中心轴线对称，头部粗大齿轮靠近端部，杆部具有阶梯轴特征。

（二）锻件用材料的性能与特点

轴类锻件所用的材料轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一，它主要用来支承部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并进行不同的热处理规范，以获得一定的强度、韧性和耐磨性。

45号钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜，经过调质处理过后可得到较好的切削性能，较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达50HRC。

（三）锻造工艺选择

下料

加热

制坯

模锻 切边

热处理

表面清理

最终检验

入库

（四）冷锻件图设计

1、锻件的体积：25.386747mm V d =；

2、锻件包容体的体积：21216750mm V b =；

3、锻件质量：kg V m d 3==ρ；

4、锻件形状复杂系数：318.01216750

386747===

b d V V S ； 查表4-1锻件材质系数【1】：

锻件所用材料为45号钢，含碳量为45.0=c ω％，所以其材质系数为1M 。 查表4-2锻件复杂系数S 分级表【2】：

得，锻件形状复杂程度等级为3S ,较复杂。根据锻件质量m 、锻件形状复杂等级

3S 、锻件相关尺寸以及零件表面粗糙度查【3】

4-3得，加工余量为mm 0.2，轴向尺寸

公差9

.19.0+-L ,径向公差?4

.16.0+-。

（五）热锻件图设计

热锻件图以冷锻件图为依据，但有所区别。首先，热锻件图的尺寸标注、高度方向尺寸以分模面为基准，以便于锻件机械加工和准备检验样板。其次，锻件无需锻出孔，则不需要绘制出连皮。考虑到金属冷缩现象，热锻件图上的所有尺寸应计入收缩率，按如下公式计算热锻件图尺寸：

)1(δ+=l L

式中：

L ——热锻件尺寸)(mm ； l ——冷锻件图尺寸)(mm ；

δ——终锻温度下金属的收缩率：钢为%5.1~%8.0，不锈钢为%8.1~%0.1，钛合金为%9.0~%5.0，铝合金为%0.1~%6.0，铜合金为%3.1~%6.0，镁合金为

%8.0~%7.0，镍基高温合金为%8.1~~%3.1。

因为制造齿轮轴的结构材料为45#

，考虑收缩率为%5.1绘制热锻件图，即可算出各锻件图的尺寸。模锻斜度度、内外圆角半径的尺寸按冷锻件不变，绘``制的热锻件图如下：

（六）锻件技术条件

1、未注明的模锻斜度和圆角半径为?7；

2、未注明的圆角半径2,4==外内r R ；

3、允许的错移量为mm 8.0，毛边宽度为mm 8.0；

4、锻件最终热处理为调质处理，硬度要求为55~45HRC ；

5、表面清理方法为酸洗；

6、允许的表面缺陷深度为mm 3.0；

二、锻造工艺的分析与确定

（一）根据零件特征进行方案分析

齿轮轴锻件关于中心轴线对称，可以采用上下对称的直线分模，齿轮轴锻件有明显的头部和杆部之分，而且头部的直径与杆部的直径相差两倍，粗略估计对加热毛坯需要采用拔长制坯加滚挤制坯，最后进行终锻成型以及切边工序。

（二）锻件的变形工步确定

轴类锻件制坯一般要采用拔长、滚挤、弯曲、卡压、成形等工步，有时还采用预锻和切断工步。

轴类锻件制坯工步是根据锻件想轴向横截面积变化的特点。是胚料在终锻前金属体积分布与锻件要求相一致来确定的。其中拔长、滚挤、卡压三种制坯工步可用经验计算法，即以计算毛坯为基础，参照经验图表明资料及具体生产情况加以确定。

1、绘制计算毛坯图

根据齿轮轴的形状特点，选取9个截面，分别计算计毛锻，，F F F 列与齿轮轴计算毛坯的计算数据表中，并绘制出齿轮轴的截面图和直径图（如下）。为设计滚挤型槽

方便，计算毛坯图按照热锻件尺寸计算。

表1齿轮轴计算毛坯的计算数据 计算毛坯

计算毛坯简化：

24.2677155

415000

mm L V F ==

=

计

计均； mm M

F h 5.53==

均均；

mm F d 5.5813.1==均均；

2、计算繁重系数

长轴类锻件终锻前，需要将等截面的原材料预制成计算毛坯的形状，因而要采用适合的制坯工步，如拔长、滚挤、卡压等，以便将杆部多余的金属转移到头部。转移

金属量的多少与下列繁重系数有关：

12.1max

==

均d d α； 65.2==

均

计d L β；

mm d d L V d 3.745.075.0-82.3min min =-???? ??=杆杆拐； 37.0-min

==

杆

拐L d d K ；

3制坯工步选择

图4-53长轴类锻件制坯工步选用范围表

根据繁重系数数值，从图4-53长轴类锻件制坯工步选用范围表查得，此锻件应该采用拔长、滚挤制坯工步。为了易于充满型槽，应该选择棒料作为坯料，先拔长，再开式滚挤。模锻工艺方案为拔长——开式滚挤——终锻。

（三）坯料尺寸的计算 1、所需坯料截面积：

2max 363075.0mm F F ==坯

mm F d 1.6813.1==坯坯；

根据原材料规格，实际取mm d 65=坯。 2、坯料长度： 烧损率δ取%3，则

34274501mm V V =+=）（计坯δ；

mm F V L 14920=+=、坯

坯

坯；

（四）设备吨位计算

总变形面积为锻件在平面图上的投影面积之和，参考表4-14，假定毛边桥部宽度为25，总面积为：

213604254103354mm F =?+=投

按照双作用模锻锤吨位确定的经验公式投kF G )3.6~5.3(=确定锻锤吨位，因主动齿轮轴为大批量生产，需要提高生产率，取较大的系数6.3，取k=1.0,于是

kg G 4.80584.1270.13.6=??=

（五）设备类型及吨位选定

根据经验公式所得的结果，选用1t 双作用模锻锤。

三、锻造模具设计

（一）分型面的确定

根据齿轮轴的形状，关于中心轴线对称，所以采用上下对称的直线分模。 终锻型槽设计,依据热锻件图设计终锻型槽，终锻型槽图如下所示：

（二）毛边槽设计

开式模锻的终锻型槽周边必须设计毛边槽，期形式和尺寸对锻件质量影响很大。现选取使用最广泛的一种，期优点是桥部设在上模块，与坯料接触时间

短，吸收热量少，因而温升少，能减轻桥部磨损或避免压塌。毛边槽的具体尺寸按照吨位法确定，即根据锻锤的吨位大小来选定。吨位法是从实际生产中总结出来的，应用简便，但是未考虑锻件形状复杂程度，因而准确性差。根据表4—14,选用相应的毛边槽尺寸，图如下所示：

（三）钳口设计

终锻型槽和预锻型槽前端留下的凹腔叫作钳口。钳口的主要作用是用来容纳夹持坯料的夹钳和便与从型槽中取出锻件；另一作用是作为教主检验用的铅或金属盐样件的浇口。

钳口与型槽间的沟槽叫做钳口颈，其作用是增强锻件与钳夹头链接的刚度，便于锻件出模；同时也是浇铅水或金属盐溶液的浇道。

为制造方便，现选用常用钳口形式。钳口尺寸根据钳夹头直径d选定，而钳口颈

=15。钳口设尺寸按锻件质量选择，分别查表4-16和表4-17。查得:B=120，h=55,R

计图如下所示：

（四）制坯型槽的设计

各种制坯工步都要通过相应的型槽完成。因此，确定了模锻工序的方案后，另一个重要任务就是设计制坯型槽。

1、拔长型槽设计

拔长型槽的主要作用是使坯料局部截面积减小，长度增加，若是第一道变形工步，还兼有清除氧化皮的作用。拔长型槽位置设置在模块边缘，由坎部、仓部和钳口三部分组成。依据条件，选用开式拔长型槽，其拔长型槽截面呈矩形，边缘敞开，结构简单，制造方便，但拔长效率较低。拔长型槽设计步骤如下：

（1）拔长坎高度：402==杆杆L V k h ；

（2）拔长坎长度：mm d k C 5.843==坯； （3）圆角半径：mm R R mm R 20010,201===； （4）型槽宽度：mm d K B 10020~104=+=）（坯； （5）仓部深度：mm a e 802== ；

（6）拔长型槽长度：mm L L 13310=+=杆拔； 2、滚挤型槽设计

滚挤型槽用来减少毛坯局部截面积，增大另一部分的横截面积，使坯料沿轴向体积分配符合计算毛坯要求，它对毛坯有少量的拔长作用，兼有滚光和去除氧化皮的功能。

滚挤型槽可认为是由钳口、本体、毛刺槽三部分组成的，钳口用来容纳并卡细坯料，毛刺槽是用来容纳滚挤时产生的端部毛刺，本体使坯料变形。同拔长型槽一样，滚挤型槽也是以计算毛坯为依据进行设计的，主要是确定型槽高度h ，宽度B 及其他一些有关尺寸。根据计算毛坯，采取开式滚挤制坯，这种形式的型槽截面为矩形，侧面沿模具边缘分模线开通。滚挤时金属横向宽度较大，故聚料效率低，适用截面变化不大的轴类锻件，制模简单，占用模块面积较少。滚挤型槽设计如下：

（1）型槽高度：按照公式 计d h μ=计算，计算结果列于表1中，按照各截面的高度绘制出滚挤型槽纵剖面外形，然后用圆弧或直线光滑连接，并适当简化。

（2）型槽宽度：按照公式mm h F B 81106

.33238310min =+=+=杆均杆

（3）滚挤型槽长度L ：滚挤型槽长度L 应根据热锻件图尺寸确定，因滚挤后无需进行弯曲工步制坯，滚挤型槽的长度等于计算毛坯图的长度。

（4）钳口与毛刺槽尺寸：

mm d n 1962.00=+=；

mm n m 5.28)2~1(==； mm d R 5.1261.00=+=；

（五）模锻型槽布排

模锻一种锻件，往往要采用多个工步来完成。因此，锻模分模面上的型槽布置要根据型槽槽数、各型槽的作用以及操作是否方便来确定，原则上应使型槽中心与理论上的打击中心重合，以便使锤击力与短剑的反作用力处于同一垂直线上，从而减小锤杆承受的偏心力矩，有利于延长锤杆使用寿命，减小导轨的磨损和模块燕尾的偏心载荷，在保证应有的打击能量和模锻具有足够强度的前提下，应该尽量减小模块尺寸，这样，模具寿命长，锻件精度高。

根据采用的工步，需设有两个制坯型槽，这时将第一道制坯工步安排在吹风管的对面，以避免氧化皮脱落到终锻型槽里。布排型槽应以终锻型槽为中心，左右对称布排，尽可能使型槽中心与打击中心重合。型槽布排如下图所示：

（六）承击面校核及模块尺寸确定 1、承击面

根据生产经验，查表4-29得，t 1的模锻锤必须配以2300cm 的承击面积。 2、模块宽度

为保证锻模不与锤的导轨相碰，模块最大宽度m ax B 应该保证模块边缘与导轨间留

有单边距离大于mm 20。模块的最小宽度至少超出燕尾槽每边mm 10。

3、模块高度

锻模高度应根据型槽最大深度和锻锤最小闭合高度确定，根据所选用锻锤的吨位，查表4-30得，模块最小高度为mm 170，模块最大高度为mm 240。这时由于上下模块的最小闭合高度应不小于锻锤允许的最小闭合高度。考虑到锻模翻修的需要，通常锻模总高度是锻锤最小闭合高度的45.1~35.1倍，若锻H 太小，上下模合不拢，锻件打不靠；若锻H 太大，将缩短锤头行程，降低打击能量。综上：

mm H H 2384.1min ==锻

4、模块质量

为保证锤头运动性能，上下模质量应有所限制，最大质量不得超过锻锤吨位的

%35，根据所选锻锤吨位，锻模质量不应超过kg 350。

5、锻模检验角

锻模上两个加工侧面所构成的o

90的角称之为检验角，这两个侧面带一般刨进深

度为，高度为。检验角的作用是为了锻模安装调整时，检验上下模型槽对准的情况以及作为锻模机械加工时划线的基准面。

6、型槽壁厚

根据图4-107确定型槽壁厚曲线图，确定相应的壁厚为mm s 40=。 7、锤锻模燕尾和键槽的尺寸

燕尾式紧固锻模的重要部位，根据有关数据，查表4-33得，

mm b 200=； mm h 5.50=；

mm b 501=；

mm S d 6030?=?

所设计的燕尾如下所示：

（七）模具材料的确定

锤锻模主要承受冲击载荷，选择锤锻模用的材料应满足良好的综合机械性能，工

作温度下良好的组织稳定性，良好的抗冷、热疲劳性能，良好的冶金质量。

综合各方面因素，选用常用的模具钢5CrNiMo作为模具材料。

（八）锻模技术条件

采用数控铣削加工。

（九）锻模图设计

详见4号图纸。

（十）课设小结

本次的课程设计题目是齿轮轴锻模设计。通过这次设计我学到了很多东西，能够通过自已去查找资料解决遇到的问题，对锻模设计的知识有了更深层次的了解。一副好的模具能够大大地提高生产效率，节省原材料，生产的产品性能也更好。

在设计中，锻练了查找各种资料的能力。同时，对AutoCAD软件的应用也更加熟练。通过这次对锻模的设计让我更加了解锻模并对将来的毕业设计和工作打下了良好的基础。

同时，非常感谢王家宣老师细心的指导，帮助我解决了许多设计中遇到的问题。