曲轴齿轮课程设计

1引言

随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。1674年丹麦天文学家罗默首次提出用外摆线作齿廓曲线，以得到运转平稳的齿轮。

18世纪工业革命时期，齿轮技术得到高速发展，人们对齿轮进行了大量的研究。1733年法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律；1765年瑞士数学家欧拉建议采用渐开线作齿廓曲线。

19世纪出现的滚齿机和插齿机，解决了大量生产高精度齿轮的问题。1900年,普福特为滚齿机装上差动装置，能在滚齿机上加工出斜齿轮，从此滚齿机滚切齿轮得到普及，展成法加工齿轮占了压倒优势，渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。

1899年，拉舍最先实施了变位齿轮的方案。变位齿轮不仅能避免轮齿根切，还可以凑配中心距和提高齿轮的承载能力。1923年美国怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮，1955年苏诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究，圆弧齿轮遂得以应用于生产。这种齿轮的承载能力和效率都较高，但尚不及渐开线齿轮那样易于制造，还有待进一步改进。

为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸，除从材料，热处理及结构等方面改进外，圆弧齿形的齿轮获得了发展。1907年，英国人Frank Humphris最早发表了圆弧齿形。1926年，瑞土人Eruest Wildhaber取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。1955年，苏联的M．L．Novikov完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。1970年，英国Rolh—Royce公司工程师R．M.Studer取得了双圆弧齿轮的美国专利。这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件，它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。现代齿轮技术已达到：齿轮模数O.004～100毫米；齿轮直径由1毫米～150米；传递功率可达上十万千瓦；转速可达几十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒。

2 分析研究产品的零件图

零件名称：曲轴齿轮

材料: 45钢

质量：2.83kg

技术要求：

1、锻造拔模斜度不大于12°

2、硬度ＨＢＳ149-187

3、涂漆

3、锻造工艺性分析

3.1. 加工目的、环境及锻后现象分析

（ 1 ）分析零件锻造的目的是侧重于成形、减少加工余量，还是侧重于提高锻件的力学性能。

（ 2 ）分析工厂的现有设备、技术力量和加工能力。

（ 3 ）分析锻后零件性能可能变化的趋势。

3.2 零件结构形状对锻造适应性的分析

该零件的结构较为复杂，使用自由锻造方法是很难实现的，且由于该零件的材料为低碳合金结构钢，具有较高的淬透性，是一种较好的渗碳钢，淬火低温回火后强度已接近超高强度钢的水平，而塑性和韧性及综合力学性能不亚于调质钢，低温冲击韧性也较好。用于制造负荷较大，要求较高强度和韧性的中小型零件，如曲轴齿轮、齿圈、齿轮轴等。采用模锻加工后即可以满足零件的锻造要求。

4、绘制锻件图

锻件图是根据零件图绘制的。模锻件图是在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余块等参数后绘制而成的。

4.1 冷锻件图的制定

4.1.1 分模面位置的选择

该齿轮的高度与直径的比值为H/D=67/89.5=0.75＜1,是短轴类锻件，故取径向分模，分模面取在最大直径部位的1/2高度位置处。

4.1.2确定机械加工余量和公差

该锻件的材料为低碳低合金钢，材质系数为M1。锻件的重量为Gd=2.83kg,毛坯重量为Gb=3.285kg，故该锻件的形状复杂系数为S=Gd/Gb=2.830/3.285=0.861.

S的值在0.63—1.0之间，故锻件的形状复杂系数为S1级，即简单。

机械加工余量的确定：查表得：

锻件高度尺寸为：67mm,余量取2.0mm.

锻件长度尺寸为：89.5mm,余量取2.0mm.

锻件内孔直径为：44.5mm,余量取2.0mm.

技术条件：错差量1.2mm；允许残留飞边量1.2mm；允许表面缺陷深度不允许超过1.2mm.

4.1.3确定模锻斜度和圆角半径

查表得：锻件的内表面模锻斜度选取10°，外表面模锻斜度选取为7°.

外圆角半径r=△+a=2+3=5mm.

内圆角半径R=（2—3）r=10—15mm,取12mm.

4.1.4冲孔连皮的计算

根据需要，该锻件锻造时采用平底连皮。连皮厚度s=0.45×-

46+0.65.

33=9.185mm.

*

0.25

5-

67/2

连皮上的圆角半径：R1=R+0.1h／2+2=12+0.1×33.5+2=17.35mm.取20mm.

图1冷锻图

4.2热锻件图的制定

热锻件图依据冷锻件图设计，热锻件图上的尺寸应比冷锻件图上的相应尺寸有所放大。理论上加收缩率后的尺寸L按下列公式计算L=l(1+δ).其中l为冷锻件尺寸，δ为终锻温度下的金属收缩率，钢为1.2%—1.5%，取1.5%。代入上述公式，计算出热锻件图上相应的尺寸，并绘制热锻件图。

根据生产实践经验，应考虑锻模使用后承击面下陷，模膛深度减小及精压时的变形不均匀，横向尺寸增大等因素，适当调整尺寸，绘制锻件图。

5确定工艺方案及锻锤设备

5.1 锻件的主要参数

1.锻件在分模面的投影面积为A=π（94.5+2×25×tan7°）2／4=253

2.06mm2

2.锻件周边长度为π×94.5=296.73㎜.

3.锻件质量为2.83㎏.

5.2 锻锤吨位的确定

锻件的总变形面积为锻件在水平面上的投影面积与飞边水平投影面积之和，按1—2吨锤飞边槽尺寸考虑，假定飞边平均宽度为23㎜，则总的变形面积为2532.06+296.73×23=9356.85 mm2.

按确定双作用模锻锤吨位的经验公式G=63KA的计算值选择模锻锤。取钢种系数K=1，锻件和飞边在水平面上的投影面积为A.

故G=63KA=63×1×9.36=589.47KN,选用1t双作用模锻锤。

6设计锤锻模

6.1终锻模膛的设计

6.1.1飞边槽的设计计算

1.根据需要，选择形式Ⅰ的飞边槽。

2.锻件在分模面上的投影面积为A=2532.06 mm2。

6.1.2确定飞边槽的形式和尺寸

参考模锻设计手册，按1～2 t 锤飞边槽尺寸考虑飞边尺寸，选定飞边槽的尺寸为（选Ⅰ型飞边槽）：

h

飞＝1.6mm , h1＝4mm , b＝8mm , b1＝25mm , R＝2mm ,F

飞

＝126 mm2。F

飞均

=F

飞

η

飞边体积 V

飞＝L

周

×F

飞均

＝296.73×0.7×126＝26172 mm3 F

飞均

为飞边平均

断面积 L

周

为锻件平面周长

m

飞

＝0.026172*7.93=0.21kg 7、参数选择

参数选择主要依据该零件的机加工表面粗糙度要求，以及加工表面的几何尺寸大小，利用专门的查询工具查找相应的参数，综合对锻造工艺和方式的分析。8、确定坯料质量和尺寸

8.1、确定坯料质量

坯料质量包括锻件本身的质量、加热时氧化烧损、切头时的损失及冲孔时的芯料损失等。

8.1.1 计算坯料质量坯料的质量包括锻件本身的质量、加热时氧化烧损、端部切头时的损失及冲孔时的芯料损失等。

m

坯＝ m

锻

＋ m

烧

＋ m

切

＋ m

芯

＋m

飞＝2.83+0.057+0.048+0.036+0.21 ＝3.181kg

式中 m

坯

—坯料质量（ kg ）；

m

锻

—锻件质量（ kg ）；

m

烧

—氧化烧损的质量（ kg ）；采用连续式煤气炉加热火耗率δ为2.0-2.5% m

烧＝m

坯×

δ

m

切

—表示对拔长工件的切头损失（ kg ）；

m

芯—冲孔时冲掉的芯料损失（ kg ）；m

芯

取决与冲孔方式、坯料直径d（dm）

和坯料高度H

(dm)

实心冲子冲孔m

芯=1.57d2*H

空心冲子冲孔m

芯=6.16d2* H

垫环冲孔 m

芯=4.71d2* H

m

切

一般按下面经验公式估算：圆形截面＝ 1.8

矩形截面＝ 2.36 B2H

式中m

切

—切头质量（ kg ）；

D —切头部分直径（ dm ）；

B —切头部分宽度（ dm ）；

H —切头部分高度（ dm ）。

8.2、确定坯料尺寸

采用镦粗法锻制锻件时

对于钢坯，为避免镦粗时坯料产生弯曲，坯料高度H 与其直径D 之比应满足镦粗规则，即

1.25≤H/D ≤

2.5

坯料直径（D 坯）或边长（L ）的计算方法是：

按经验公式

对圆坯料 D 坯＝（0.8～1）3坯v

对方坯料 L ＝（0.75～0.9）3坯v

初步确定毛坯直径或边长后应按国家标准，选用标准直径。

V 坯=（1+k ）V

锻 k 为宽裕系数，综合反映了模锻件复杂程度、飞边体积、火耗量

的影响。

d 坯=1.13 m 为毛胚高度与直径的比值，一般取1.8～2.2 对圆形模锻件，k=0.12～0.15

V 坯=（1+0.15）360.51 cm 3 =414.59 cm 3

用经验公式计算：圆钢坯料D 计=0.9 359.414=6.7 cm

圆饼类模锻件镦粗制坯 D 计=1.133259.414 =6.69 cm

参考合金结构钢圆钢规格表，选用直径为70mm 的坯料

L 坯=4V 坯/()=4×414590/(π×702)=108mm

9、设计模锻工步和设计模膛

9.1、主要变形工步

下料—加热—成形镦粗—终锻—冲孔切边—冷却—热处理—清理—校正—检查

(1)下料 选用棒料剪切机Q42-250 下料规格：φ70×108 材料： 45钢

(2)加热 采用连续式煤气炉，一段加热规范，炉温控制在1250～1300℃，温度头达100～150℃左右，将坯料加热至1150℃。

(3)成形镦粗 利用成形模膛对坯料进行制坯，将毛坯进行第一次锻造成形，分配坯料体积，使其接近终锻件的形状和尺寸，改善金属在终锻模膛内的流动条件。

(4)终锻完成锻件的最终成形，获得带飞边的锻件。

(5)冲孔切边去除冲孔连皮，切除模锻件的飞边。

(6)冷却采用炉冷的方式，将锻件从终锻温度（800～850℃）冷却到室温。

(7)热处理热处理规范：淬火900℃,油冷；回火200℃,水冷、空冷。硬度ＨＢＳ

149-187。

(8)清理清除模锻件表面氧化皮。

(9)校正校正模锻件在切边、热处理、清理过程中的变形。

(10)检查检验模锻件的品质。

9.2、设计模膛

9.2.1终锻模膛设计

终锻模膛是按照热锻件图来制造和检验的，热锻件图尺寸一般是在冷锻件图的尺寸的基础上考虑1.2～1.5%的收缩率。根据生产经验应考虑锻模使用后承击面下陷，模膛深度减小，横向尺寸增大等因素，可适当调整尺寸。绘制的热锻件图如下所示。

图2热锻件图

9.2.2制坯模膛设计

下图为成形镦粗模膛局部剖视图

图3成形镦粗模膛10、设计锻模模体

10.1锻模飞边槽设计

飞边槽的确定方法有

（1）按照锻件在水平面上的投影面积确定（2）根据锻锤吨位确定

选定飞边槽的尺寸为（选Ⅰ型飞边槽）：

h

飞＝1.6mm , h1＝4mm , b＝8mm , b1＝25mm , R＝2mm ,F

飞

＝126 mm2。

图4飞边槽

10.2钳口的确定

钳口是在锻模的模锻模膛前面加工的空腔，一般由夹钳口和钳口颈两部分组成。夹钳口尺寸一般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。

齿轮类锻件在模锻时无夹钳料头，钳口作为锻件起模之用。钳口颈用于加强夹钳料头与锻件之间的连接强度。

钳口尺寸主要依据夹钳料头直径及模膛壁厚等尺寸确定。

图5 钳口

10.3 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。

锻件为圆饼形，所以采用圆形锁扣。锁扣中间为凸起部分，设计在上模，容易起模，能避免热胀冷缩的影响。

锁扣高度h=25mm；锁扣壁厚b=35mm；锁扣凸凹部分之间的间隙s=0.3mm。10.4锻模结构设计

考虑模膛的布排、错移力的平衡、锻模的强度校核。

10.4.1模膛布置

模膛中心的布排：由于无预锻，终锻模膛中心位置与锻模中心重合。

制坯模膛的布排：（1）按工艺过程顺序排列，操作时只允许改变坯料运动方向一次；（2）模膛的排列应与加热炉、切边压力机和吹风管的位置相适应。

模锻此锻件的1t模锻锤机组，加热炉在锤的左方，故成形镦粗模膛放在左边，终锻模膛放在锻模中间。

10.4.2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，使上下块在锤击中互相锁住，从而克服或消除锻件的错移。

采用圆形锁扣，查《锻造模具简明设计手册》表7.29得：锁扣高度H=25mm，最

=3mm，小宽度35mm，锁扣侧面间隙为0.3mm。锁扣其余尺寸为Δ=1～2，α=5。， R

1 =5mm。

R

2

10.4.3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承击面积为模块在分模面上的面积减去背型槽、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，其中G为锻锤吨位，S的单位是cｍ2， G的单位是ｋN。查《锻造工艺过程及模具设计》可得承击面积为300cm2 ②模壁厚度，由模膛到模块边缘，以及模膛之都称间的壁厚为模壁厚度，模壁厚度在保证强度的前提下应尽可能减小。查《锻造工艺与模具设计》P152图4-113确定模壁厚度为50mm。

③模块宽度，为保证锻模不与锤的导轨相碰，模块最大宽度要保证上模边缘与导轨净距不小于20mm，模块最小宽度要求至少超出燕尾每边10mm。锻模宽度B不大于燕尾中心线到锻模边缘的最小尺寸B1 的两倍减20mm。即：B1≥B/2+10mm。

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。通常锻模高度等于(1.35～1.45)×最小闭合高度。查《锻造模具简明设计手册》P173表7.31

=320mm。

和《锻造工艺与模具设计》P155表4-30可得H

min

⑤模块长度，模块长度应保证上模外伸距离f≤H/3（H为模块高度）。模块长度根据模膛长度和模壁厚度确定。

⑥模块质量，锻模质量要保证上模块的质量（G）不能超过锻锤吨位（t）的35%，即G<0.35t。下模块重量不限。模块应设起吊孔。

⑦检验角，为便于制模及安装，模块上应有检验角。

由以上要求及已知条件，计算所需模块的最小尺寸，并选取较大相近值的标准模块。确定模块尺寸如下：

模块宽度B=250mm，模块高度H=300mm，模块长度L=325mm。

模块材料: 上模5CrNiMo 下模5CrNiMo

燕尾尺寸：宽度b=200mm，高度h=50.5mm。

起重孔的直径d与深度s按锻锤吨位选择为d=30mm，s=60mm。

致谢

在这次课程设计的过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。同时也感谢学院给予我们这样一次机会，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在这学期快要结束的时候，能够将学到的知识应用到实践中。

最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。

参考文献

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