阶梯轴锻造课程设计.docx
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阶梯轴锻造课程设计
1．已知技术参数：
阶梯轴零件图
摘要2
一、锻件的结构和工艺2
1.1锻件的结构特点3
1.2锻件的工艺分析3
1.3自由锻工序特点3
二、阶梯轴的结构与分析4
2.1阶梯轴分析4
2.2阶梯轴工艺分析4
三、具体设计方案步骤5
3.1绘制锻件图5
3.2制定变形工艺5
3.3计算坯料质量与尺寸7
3.4确定锻造设备9
3.5确定锻造温度及规范9
3.5.1确定温度范围9
3.5.2确定加热规范及火次10
3.5.3确定冷却方法及规范10
3.5.4确定热处理规范10
3.6填写工艺规程卡片10
四．总结11
参考文献12
摘要
随着我国跻身世界钢铁生产大国的行列，汽车制造业，飞机制造业以及发电设备，机车、轮船制造业的飞速发展，对锻件需求量日益增大，必然促使锻造技术的发展，使锻造业与飞速发展的制造业相适应。
本文主要分析了阶梯轴的结构并根据其结构特点确定了它的锻造工艺，轴是支撑转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩货弯矩的机械零件。
机器中做以回转运动的零件就装在轴上，因阶梯轴有便于零件的装配的作用，所以在装配零件中阶梯轴起着不可代替的作用。
确定阶梯轴的锻造工艺过程主要包括绘制锻件图、确定变形工艺及锻造比、确定毛坯质量和尺寸、选定锻造设备、确定锻造温度及规范和制作锻件工艺卡。
这些技术文件是知道和组织生产、规定操作规范、控制和检查产品的依据。
关键词：
自由锻、锻造比、锻造工艺、加工余块、锻造公差、烧损率
一、锻件的结构和工艺
1.1锻件的结构特点
锻造是机械制造中常用的成型方法，锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。
锻造与冲压同属塑性加工性质，统称锻压。
与其他加工方法相比，锻造生产率高，锻件的形状，尺寸稳定性较好，并有较佳的力学性能。
锻件的最佳优势是强韧性好，纤维组织合理，因此被广泛运用。
1.2锻件的工艺分析
锻件的优势是由于金属材料通过塑形变形后，消除了内部缺陷，如打碎碳化物，非金属夹杂物，并使之沿变形方向分布，改善或消除成分偏析等，得到了均匀、细小的低倍和高倍组织。
锻造按在加工时的温度可分为冷锻和热锻。
冷锻一般是在室温下加工，热锻是在高于坯料金属再结晶温度上加工。
有时还处于加热状态，但温度不超过再结晶温度时进行的锻造称为温锻。
锻造成型方法可分为自由锻、模锻、冷镦、径向锻造、挤压、成型扎制、辊锻、辗扩等。
锻造在机械制造业中有着不可替代的作用，锻造出来的锻件是其他加工方法难以匹敌的。
其生产效率也是相当高的，一个国家的锻造水平，反映了这个国家的机械制造水平。
1.3自由锻工序特点
自由锻的工序可分为基本工序、辅助工序及精整工序三大类。
基本工序是使金属产生一定程度的变形，以达到所需形状和尺寸的工艺过程，包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转及错移等工序。
辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变性工序有压肩、压钳口、倒棱等。
。
精整工序是用以减少锻件表面缺陷而进行的工序校正、滚圆表面平整等。
自由锻件的主要原则是：
在满足使用性能要求的条件下，应使锻件形状简单，易于锻造，1）形状简单2）避免加凸台强肋，工字截面3）避免曲面交接4）避免截面尺寸的急剧变化。
本文主要是利用自由锻进行加工的。
所以主要介绍自由锻，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尺寸的方法。
自由锻分为手工锻造和机械锻造两种。
手工锻造只能生产小型锻件，生产效率也低，而机械锻造是自由锻的主要方法。
自由锻可锻造各种质量的简单形状锻件，并因锻造过程是局部变形，变形抗力小，特别适用单件小批量水轮主轴、多管曲轴、连杆等大型锻件生产。
二、阶梯轴的结构与分析
2.1阶梯轴分析
阶梯轴是工程中常用的一种零件，其工作环境也比较复杂，受到各种力的的作用，这些力可以使其产生拉伸、压缩、扭转和弯曲变形。
这些因素使在做轴时必须有更高的强度和刚度。
而锻造件在锻造的时候可以使其产生纤维组织强化钢材，同时锻造也可以打碎铸态组织，获得较高综合力学性能。
对于要求更高的轴类可以通过锻造再加上淬火、调质处理，使钢获得更好的力学性能。
同时用锻件做零件毛坯可以减少用材，节约资金比较经济实惠。
2.2阶梯轴工艺分析
根据阶梯轴的使用要求和条件进行分析、研究，总结出自己的设计方案。
由于此次设计的阶梯轴的结构简单，在综合考虑过其经济性、工艺性和使用性后，将其设计为4部分即将Φ80作为一部分，将Φ60作为一部分，将两头的Φ40各选用自由锻。
由于锻件比较简单故不需要设置余块。
通过查表和计算确定其锻造公差、锻造比、和烧损率以及锻造设备选用0.4t自由锻锤。
三、具体设计方案步骤
3.1绘制锻件图
锻件图是拟定锻造工艺规程、选择工具、指导生产和验收锻件的主要依据。
它是以机械零件图为基础，结合自由锻工艺特点，考虑到机械加工余量、锻造公差、工艺余块、检验试样及工艺卡头等绘制而成。
根据零件图上阶梯轴总长为160mm，最大直径为80mm，对照课本金属成形工艺设计中表3-3所列的零件总长为0～315mm，最大直径为50～80mm，可查的锻造精度等级为F级的锻件余量及公差为8±3mm。
由于锻件形状比较简单，故可不必增设工艺余块。
如下图所示。
3.2制定变形工艺
由于阶梯轴是形状比较简单的轴杆类锻件，变形工艺简单，且材料为常用45钢，塑形较好，容易变形，因此其主要变形工艺可参考金属成型工艺设计表3-6中的工艺，可将其分为压肩、端部拔长、切料等。
如下图：
1.下料
2.拔长后并切料头
3.切肩并拔长
4.二次切肩并拔长
5.端部拔长并切料头
3.3计算坯料质量与尺寸
根据齿轮轴锻造件图，自左向右分为4个圆柱体，分别算其质量
，单位为kg，即
=π／4×4.8
×4.8×7.85=681.5g
=π／4×8.8
×4.8×7.85=2290.6g
=π／4×6.8
×4.8×7.85=1367.7g
=π／4×4.8
×4.8×7.85=681.5g
锻件质量为
=681.5+2290.6+1367.7+681.5=5021.3g
若将锻件至于煤炉中加热，并一次锻成，有表3-8所列查得加热烧损率按锻件的质量2%计算，即
=5021.3×2%=100.4g
截料损失按锻件质量的4%计算，即得
=5021.3×4%=200.8g
则坯料质量
=5021.3+100.4+200.8=5322.5g
锻件以钢材为坯料，锻造比按2.0，可按锻件最大面积Ф88对照表3-11所列热扎圆钢标准直径，选用Φ90mm热扎圆钢。
并由m=vρ算出坯料体积为678cm
，再除以Φ90mm圆钢截面积，即可算出坯料长度为107mm。
不同加热炉中加热钢的一次火耗率
加热炉类型
加热炉类型
室式油炉
3～2.5
电阻炉
1.5～1.0
连续式油炉
3～2.5
高频加热炉
1.0～0.5
室式煤气炉
2.5～2.0
电接触加热
1.0～0.5
连续式煤气炉
2.5～1.5
室式煤炉
4.0～.5
典型锻件的锻造比
锻件名称
计算部位
总锻造比
碳素钢轴类锻件
最大截面
合金钢轴类锻件
最大截面
热轧辊
辊身
冷轧辊
辊身
3.4确定锻造设备
锻造设备的选择有查表法与经验类比法。
但若能查得表格数据则应优先选择，此锻件属于圆轴类，按毛坯质量或直径选用0.5t自由锻锤。
3.5确定锻造温度及规范
3.5.1确定温度范围
锻造温度范围是指锻件有始锻温度到终端温度的间隔。
确定锻造温度的基本原则，是保证金属材料在锻造温度范围内具有良好的塑形和较低的变形抗力，能锻出优质的锻件。
由于此轴用的是45钢，根据工程材料知识可知45钢在不同的温度下有不通同的相，而它在1000多度时呈现奥氏体相，奥氏体相具有较好的塑形和韧性易于在高温下变形。
再由表3-16中查得始锻温度为1200，终锻温度为800，锻造温度范围400°。
表2-4部分金属材料的锻造温度范围
材料类型
锻造温度/℃
保温时间
/min﹒mm-1
始锻
终锻
10、15、20、25、30、35、40、45、50
1200
800
0.25～0.7
15CrA、16Cr2MnTiA、38CrA、20MnA、20CrMnTiA
1200
800
0.3～0.8
12CrNi3A、12CrNi4A、38CrMoAlA、25CrMnNiTiA、
30CrMnSiA、50CrVA、18Cr2Ni4WA、20CrNi3A
1180
850
0.3～0.8
40CrMnA
1150
800
0.3～0.8
铜合金
800~900
650~700
—
铝合金
450~500
350~380
—
3.5.2确定加热规范及火次
根据45钢的塑形、强度、导热及膨胀系数、组织特点、加热变化、断面尺寸、导热性能和直径等因素，可以确定采用火焰炉一段式加热。
3.5.3确定冷却方法及规范
锻件在锻后冷却时，按冷却速度分为空冷、坑冷和炉冷。
由于此锻件属于中小型锻件，所用材料塑形较好，所以采用堆放空冷即可。
3.5.4确定热处理规范
锻件常规热处理是将锻件冷却到室温。
再将锻件加热进行热处理。
另外是将锻造与热处理联在一块进行，即锻造过后直接进行淬火或正火热处理。
这样可以起到变形强化和热处理双重作用，使锻件既获得高强度和高塑性综合力学性能。
根据工程材料所学知识，该坯料锻造成型后，在粗加工前必须先经去应力退火处理，并再加工后再进行调质处理。
若质量要求不高，可用正火代替调质，以降低成本。
若表面要求较高，则还需在精加工前进行淬火和回火处理。
3.6填写工艺规程卡片
工艺卡片
锻件名称
台阶轴
类型
自由锻
材料
45号钢
设备
0.4t自由锻锤
加热次数
1次
锻造温度范围
坯料尺寸/mm
Ф90mm×107mm
坯料质量
15kg
序号
工序名称
工序简图
使用工具
操作工艺
1
预拔长
圆口钳
边轻打，边旋转锻件
2
压肩
压肩棒
压出右侧拔长为右侧轴部分
3
拔长
圆口钳
将轴拔长至略大
于Φ60mm
4
滚圆
圆口钳
将此段滚圆
5
压肩
圆口钳；压肩棒
锻出轴右端部分
6
反向重复2，3，4，5步
圆口钳
摔圆摔子，压肩棒
锻出轴左部分
7
滚圆
切断
圆口钳
切断余料至所需尺寸
四．总结
通过这次课程设计，我了解了锻压的基本分类，主要分为锻造和冲压等，其中锻造分为自由锻和模锻等。
本次课程设计中主要运用了自由锻，从而使我对自由锻过程有了了解，并对锻造工艺设计有了进一步的认识，锻造工艺基本过程分为绘制锻件图、制定变形工艺、计算皮料质量和尺寸、确定锻造设备、确定锻造温度及规范和填写锻造工艺卡。
这次课程设计使我不仅再次复习了热处理的基本内容，也使我掌握了刚学的热加工工艺基础知识，也对以后的课程设计有了基础，对论文的格式有了基本认识，使我在以后的论文写作中可以运用自如。
同时也使我自己认识到自己还有很多东西都不知道。
需要进一步努力。
参考文献
[1]王广春编.金属体积成型工艺及数值模拟技术.机械工业出版社
[2]中级锻造工技术/机械工业职业技能鉴定指导中心编.北京：
机械工业出版社
[3]成大先主编.机械设计手册（第五版）.北京：
化学工业出版社
[4]马修金，肖伯涛，齐卫东主编.锻造工艺与模具设计.北京：
北京理工大学出版社
[5]夏巨谌主编.金属塑性成形及模具设计.北京：
机械工业出版社
[6]王大康、韩泽光主编.机械设计基础.北京：
机械工业出版社
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