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热加工工艺课程设计

热加工工艺课程设计说明书

阶梯轴锻造工艺设计

院系：

专业：

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

时间：

黄河科技学院课程设计任务书

学院系化专业级班

学号姓名指导教师

题目:

课程:

课程设计时间：

5月22日至6月6日共2周

课程设计工作内容与基本要求（已知技术参数、设计要求、设计任务、工作计划、所需相关资料）（纸张不够可加页）

1．已知技术参数：

阶梯轴零件图

2．设计任务与要求（完成后需提交的文件和图表等）：

1.设计任务

（1）绘制锻件图。

（2）确定锻造工序。

（3）计算坯料质量及尺寸（均选择锻造比为1.2、钢密度为7.8、烧损质量为锻件质量的2.0%，料头质量除料头尾外还包含冲切掉的金属质量）。

（4）选择锻造设备及吨位。

（5）确定锻造温度范围、加热冷却及热处理规范。

2.设计要求

（1）设计图样一律按工程制图要求，采用手绘或机绘完成，并用三号图纸出图。

（2）按所设计内容及相应顺序要求，认真编写说明书（不少于2000字）。

3．工作计划（进程安排）

熟悉设计题目，查阅资料，做准备工作1天

确定铸造工艺方案1天

工艺设计和工艺计算2天

绘制铸件铸造工艺图1天

确定铸件铸造工艺步骤2天

编写设计说明书3天

答辩1天

4．主要参考资料

《热加工工艺基础》、《工程材料及成形技术基础》、《机械设计手册》

系主任审批意见：

审批人签名:

阶梯轴锻造工艺设计

摘要

锻造是使金属材料在高温时由外力作用下发生永久变形的一种加工方法，分为自由锻造和模锻等。

锻造生产可以为机械制造工业及其他工业提供各种机械零件毛坯。

锻造不仅能改变材料毛坯的几何形状和尺寸，而且还可因锻造变形改善材料组织的流线分布，提高锻件的性能。

特别是对于受力大，性能要求高的重要零件，如汽轮机、发电机的主轴、连杆及国防工业方面所需的重要零件等，都必须采用锻造生产来制造毛坯。

锻造生产具有节约材料、生产率高，零件使用寿命长、通用性强等特点，而且不仅可单件、小批量生产，也可大批量、大量生产。

本文对阶梯轴的锻造工艺进行了设计，拟采用自由锻造工艺。

本文介绍了阶梯轴的材料选择，分析并制定了阶梯轴毛坯的自由锻造工艺，包括绘制锻件图，确定锻造工序，计算坯料质量及尺寸，选择锻造设备及吨位，确定锻造温度范围、加热冷却及热处理规范，编制了锻造工艺卡。

关键词：

阶梯轴，锻造工艺，自由锻，锻造工艺卡

一、绪论…………………………………………………………………………………………6

1.1金属锻压成型的工艺方法………………………………………………………6

1.2锻造的特点…………………………………………………………………………6

1.3锻件的工艺分析……………………………………………………………………6

1.4自由锻的工序特点…………………………………………………………………6

二、阶梯轴的结构与分析……………………………………………………………………8

2.1阶梯轴的分析………………………………………………………………………8

2.2阶梯轴锻造工艺的选择……………………………………………………………8

三、具体设计方案步骤………………………………………………………………………9

3.1绘制锻件图…………………………………………………………………………9

3.1.1确定锻件形状………………………………………………………………9

3.1.2确定锻件余量………………………………………………………………9

3.1.3确定锻件公差………………………………………………………………9

3.1.4绘制锻件图…………………………………………………………………9

3.2制定变形工艺………………………………………………………………………10

3.3计算配料质量与尺寸………………………………………………………………11

3.4确定锻造设备………………………………………………………………………12

3.5确定锻造温度及规范………………………………………………………………13

3.5.1确定温度范围………………………………………………………………13

3.5.2确定加热规范及火次………………………………………………………14

3.5.3确定冷却方法及规范………………………………………………………14

3.5.4确定热处理规范……………………………………………………………14

四、工艺过程流程……………………………………………………………………………15

总结………………………………………………………………………………………………17

致谢………………………………………………………………………………………………18

参考文献………………………………………………………………………………………19

一绪论

1.1金属锻压成型的方法

金属锻压成型的方法主要有四种类型即：

自由锻成型、模锻成形、板料冲压、塑性成形新技术。

自由锻是利用压力或冲击力使金属在上、下抵铁之间产生塑性变形，从而获得所需锻件形状机器尺寸的方法。

金属坯料在抵铁间受力变形时，朝各个方向可以自由流动，不受限制，锻件的形状和尺寸有锻工操作技术保证。

模锻成形是利用压力或冲击力使金属坯料在一定形状的锻模模膛内受压变形，以获得锻件的方法。

它与自由锻相比可锻造各种形状复杂的轴类和盘类锻件，其尺寸精确，加工余量小，生产率高。

但由于受到模锻吨位大和成本高的限制，它只适用于小型锻件的大批量生产。

板料冲压是利用冲模使板料分离或变形的加工方法，所用材料为塑性好的低碳钢、铜合金、铝合金、镁合金及合金钢等，且为板料、条料及带料。

塑性成形新技术包括：

液态模锻、高速铅垂锻造和超塑性成形。

1.2锻造的特点

锻造是机械制造超用的成型方法，它能够改善金属内部组织，提高金属的力学性能；具有较高的劳动生产率；适用范围广；大大节省金属材料和减少切削加工工时；但是不能够锻造复杂的锻件

1.3锻件的工艺分析

锻造按加工温度分为冷锻和热锻。

冷锻是对物料再结晶温度一下的成型加工，是在回复温度以下进行的锻造。

冷锻材料大都是室温下变形抗力较小、塑性较好的铝及部分合金、铜及部分合金、低碳钢、中碳钢、低合金结构钢。

冷锻能使金属强化，提高零件的强度。

热锻是金属再结晶温度以上进行的锻造工艺，热锻可以减少减少金属的变形抗力；改变钢锭的铸态结构，提高钢的塑性

1.4自由锻的工序特点

自由锻生产中能进行的工序很多，可分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。

自由锻工序是使金属产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状和尺寸的工艺过程，如镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转和错移等工序。

自由锻辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如压钳口、压钢锭棱边、切肩等。

而精整工序是用以减少锻件表面缺陷而进行的工序，如清除锻件表面凸凹不平及整形等，一般在终端温度以下进行。

自由锻的主要原则是：

锻件形状应当简单对称；锻件应避免锥面和斜面；锻件应避免加强肋或凸台；锻件应避免空间曲线；锻件截面应力求简单。

阶梯轴的锻造主要是利用自由锻进行加工的。

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，而机器锻造则是自由锻的主要方法。

锻造过程是局部变形，变形抗力小，特别适用于单件小批量水轮机主轴、多拐曲轴、连杆等大型锻件生产。

由于这类件工作中承受载荷大，力学性能要求高，而用自由锻制得的毛坯，力学性能均较高，故此法对重型机械制造特别重要。

二、阶梯轴的结构与分析

2.1阶梯轴的分析

阶梯轴通过连接两个零件，起到连接、支撑传递动力等一系列作用，在工作中，由于受到弯应力和冲击载荷，因此该零件应具有足够的刚度、强度和韧性。

以适应其工作环境的变化。

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阶梯轴锻造工艺的选择

由于阶梯轴在工作的过程中有可变载荷和冲击载荷，所以应选用锻件，从而使金属纤维不易被切断，保证阶梯轴的工作可靠。

又因为阶梯轴的结构简单在综合考虑其经济性、工艺性和实用性，将其设计为4个部分将φ100作为一部分，将φ60和φ50作为一部分，将φ40作为一部分，将剩下的作为一部分，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

锻件图是工艺拟定的基础和工艺规程的核心内容，是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、检验式样及工艺卡头等绘制而成的。

3.1.1确定锻件形状

为了简化锻件形状，便于直接锻造成形，而在零件上难以锻出的凹档、台阶、凸肩、法兰、内孔等部位，添加上一部分多余（在切削加工余量以外）的金属，即称为余块。

但是添加余块，需要增加金属材料的消耗和切削加工工作量，并会将纤维组织切断，降低锻件强度。

因此是否添加余块，应根据实际情况、结合锻造水平及经济等因素综合考虑后决定。

3.1.2确定锻件余量

由于自由锻件尺寸精度低、表面质量较差，需再经过切削加工制成成品零件，为此应在零件加工表面上增加供切削加工的金属，称为锻件余量。

其大小取决于零件形状和尺寸、精度和粗糙度要求等，零件越大，形状越复杂，则余量越大。

具体数值可根据生产实际条件查阅有关手册决定。

3.1.3确定锻件公差

零件基本尺寸加上加工余量为锻件的基本尺寸。

锻件公差是指锻件实际尺寸与其基本尺寸之间所允许的偏差，超过基本尺寸称为上偏差，小于基本尺寸称为下偏差，上偏差与下偏差之代数差的绝对值称为锻件公差，一般约为加工余量的1/4～1/3，具体数值可根据锻件形状、尺寸、精度要求和生产批量等查阅有关手册确定。

3.1.4绘制锻件图

根据零件图上阶梯轴长为340mm，最大直径100mm，对照课本金属成形工艺设计中表3-3所列的零件总长为315～630mm，最大直径为120～160mm，可查的锻造精度等级为f级的锻件余量及公差为10±4mm。

由于锻件形状比较简单，故可不必增设工艺余块。

3.2制定变形工艺

由于阶梯轴是形状比较简单的轴类锻件，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形工艺设计表3-6中的工艺，可将其分为压肩、端部拔长、切料等。

1.下料

2.拔长后并切料头

3.切肩并拔长

4.端部拔长并切料头

3.3计算坯料质量与尺寸

根据锻件的形状和尺寸，可先计算出锻件的质量，再考虑加热时的氧化损失，及切头损失可计算出锻件所需坯料的质量。

M1=π/4×1.10×1.10×0.5×7.8=3.70

M2=π/4×0.70×0.70×1.10×7.8=3.3

M3=π/4×0.5×0.5×2.2×7.8=3.37

锻件质量为：

M锻=M1+M2+M3=3.37+3.3+3.37=10.37

若将锻件置于煤炉中加热，并以此锻成，由表3-8所列查得加热烧损率按锻件质量的2%计算，即

M烧=M锻×2%=0.2074

截料损失按锻件质量的4%计算，即得

M头=M锻×4%=0.4148

则坯料质量M坯=M锻+M烧+M头=10.9922kg

锻件以钢材为坯料，锻造比按1.2，可按锻件最大面积φ110mm对照表3-11所列热扎圆钢标准直径，选用φ130mm热轧圆钢。

并由m=ρv算出坯料体积为2571.19cm³，再除以φ130mm圆钢截面积，即可算出坯料长度为200mm

3.4确定锻造设备

选定锻造设备的依据是锻件材料、尺寸和质量，同时还要考虑车间现有设备条件。

通常按经验类比法或查表法等确定。

（1）经验类比法：

镦粗时锻锤的吨位G=（0.002～0.0003）ks（kg）

（2）拔长时锻锤的吨位G=2.5s（kg）

式中k与钢料强度极限有关，抗拉强度为400Mpa时k=3～5；600Mpa时k=5～8；800Mpa时k=8～13。

S锻件镦粗后的接触面积（mm²）；

S坯料横截面积（cm²）。

自由锻锤的锻造能力范围

锻件类型

锻锤的规格/N

2500

5000

7500

10000

20000

30000

50000

圆饼

D/mm

H/mm

＜200

＜35

＜250

＜50

＜300

＜100

≤400

＜150

≤500

＜200

≤600

≤300

≤750

≤300

圆环

D/mm

H/mm

＜150

≤60

＜350

≤75

＜400

＜100

≤500

＜150

≤600

＜200

≤1000

＜250

≤1200

≤300

圆轴

D/mm

H/mm

＜80

＜100

＜125

＜200

＜150

＜300

≤175

＜500

≤225

≤750

≤275

≤1000

≤350

≤1500

方块

（H=B）/mm

G/KG

≤80

＜25

≤150

＜50

≤175

＜70

≤200

≤100

≤250

≤350

≤300

≤800

≤450

≤1000

钢锭直径/mm

125

200

250

300

400

450

600

钢坯边长/mm

100

175

225

275

350

400

550

注释：

D-锻件外径；d-锻件内径；H-锻件高度；B-锻件宽度；L-锻件长度；G-锻件质量。

本次锻造此锻件属于轴类，按毛坯质量或直径选用0.4t自由锻锤。

3.5确定锻件锻造的温度及规范

3.5.1确定温度范围

锻造温度是指锻件有始锻温度到终锻温度的间隔。

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，能锻出幼稚的锻件。

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同的相，而他在1000多度时呈现奥氏体相，奥氏体具有良好的塑性和韧性易于在高温下变形。

再有下表知始锻温度为1200，终锻温度为800。

各类合金的锻造温度范围

合金种类

常用钢号

始锻温度℃

终锻温度℃

锻造温度范围℃

普通碳素结构钢

Q195，Q235，Q275

1300~120

700~750

600~450

优质碳素结构钢

20Mn，40，45，50，55，60

1200~1250

800

400~450

碳素工具钢

T8，T8A，T9，T9A，T10

1050~1150

750~800

300~350

合金结构钢

18CrMnTi，27SiMn，42SiMn

1100~1200

800~850

300~350

合金工具钢

9SiCrCrWMn，5CrMnMo

1050~1150

800~850

250~300

高速工具钢

W18Cr4V，W9Cr4V

1100~1150

900

200~250

合金耐热钢

15MnV，15MnVN，15CrMo

1100~1150

850

250~300

合金弹簧钢

65，70，75，65Mn，60Si2Mn

1100~1150

850

300

合金轴承钢

GCr6，GCr9，GCr15

1080

800

280

3.5.2确定加热规范及火次

制定加热规范即确定加热过程中不同时期的加热炉温、升温速度、和加热时间。

制定时应考虑到45钢的断面尺寸，在考虑45钢的成分及塑性、强度极限、导热及膨胀系数、组织特点、加热时变化以及配料的原始状态等因素，可以确定采用火焰炉—段式加热。

3.5.3确定冷却方法及规范

锻件在锻后冷却时，根据要求可以选择空冷、坑冷、或冷炉。

由于该锻件属于中小型碳钢，可以采用冷却方式较快的空冷方法。

3.5.4确定热处理规范

锻件常规处理是将锻件冷却到室温后，再按工艺规程将锻件由室温重新加热进行热处理，而锻件余热热处理，则是利用锻件后热量直接进行热处理。

根据工程材料所学知识，该坯料锻造成型后，在粗加工之前必须先除去应力退火处理，并再加工后再进行调制处理。

若质量要求不高，可以正火代替调质，以降低成本。

若表面要求高，则还需要再加工前进行淬火和回火处理。

四、工艺过程流程

锻件名称

阶梯轴

锻件材料

45

坯料质量

20.06kg

皮料尺寸

130×200mm

火次

锻造温度

,操作工序

工序简图

锻造设备及工具

1

1200～800

下料并锻出头部

切割机、电锯或乙炔焰气割、0.4t自由锻锻锤、胎膜

拔长

0.4t自由锻锻锤、上平砧、下平砧

拔长

修正台阶

胎膜

总结

通过这次课程设计，我们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。

本次课程设计主要运用自由锻，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、计算坯料质量和尺寸、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。

同时也是我自己认识认识到自己还有很多东西都不懂。

需要进一步学习。

致谢

经过两周的奋斗，我终于完成了这次课程设计，在此要特别感谢刘万福老师，刘老师在此次设计中给予我一定的帮助，感谢刘老师在这一年两个学期中的辛勤教导,刘老师不仅教会了我们知识,更重要的是教会了我们如何做人.在这次课程设计中也得到了刘老师的细心指导和帮助,同时在这个过程中和同学们一起进行过讨论和分享,也得到了同学们的帮助，我在此次课程设计中参考了一些书上的内容，在此也一并感谢。

最后我向所有帮助过我的人表示忠心的感谢，以后我会更加努力的学习专业知识，在学习中进步，在学习中与大家一块分享快乐！

争取越来越好！

参考文献

【1】王爱珍主编：

《机械工程材料》：

北京航空航天大学出版社：

2009.2

【2】王爱珍主编：

《热加工工艺基础》：

北京航空航天大学出版社：

2009.2

【3】王爱珍主编：

《金属成型工艺设计》：

北京航空航天大学出版社：

2009.2

【4】《材料成形工艺基础·材料成形工艺基础：

金属工艺学热加工部分》：

2001