阶梯轴锻造热加工工艺.docx

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阶梯轴锻造热加工工艺

热加工工艺课程设计

阶梯轴铸造工艺设计

院系：

工学院机械系

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

机电班

姓名：

nicai

学号：

qq37730385

指导老师：

刘万福

时间：

2013年6月2日

黄河科技学院课程设计任务书

工学院机械系机械设计制造及其自动化专业2011级班

学号姓名指导教师刘万福

题目:

阶梯轴锻造工艺设计

课程:

热加工工艺课程设计

课程设计时间：

5月22日至6月5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1500字）。

3、工作计划

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》、《金属成形工艺设计》、《机械设计手册》

系主任审批意见：

审批人签名：

时间：

2013年月日

摘要

我国汽车制造业、机车制造业、飞机制造业、船舶制造业、车床制造业等相关热加工行业正进入了蓬勃的发展期，对相关零件的需要大量激增，一些高技术的零件与锻造工业的发展是密切相关的。

随着高新、精密科技的发展，对锻造技术的要求也越来越高。

热加工技术是机械类个专业一门重要的综合性技术学科。

在机械制造过程中，由于加工过程十分复杂，加工工序繁多，工艺过程不仅有铸造成型，锻压成形，焊接成形，还有非金属的模压成形，挤压成形等。

因此选着合适的工艺是保证产品质量的重要依据。

本次课程设计，将进行铸造工艺的总结和学习。

铸造主要是将液态金属或合金浇注到与零件尺寸、形状相适应的铸型型腔里，待其冷却凝固后获得毛坯或零件的方法，是机械类零件和毛坯成型的主要工艺方法，尤其适合于制造内腔和外形复杂的毛坯或零件。

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、确定毛皮质量和尺寸、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

绪论1

一、锻件的结构和工艺2

1.1锻件的结构特点2

1.2锻件的工艺分析2

1.3自由锻工序特点2

二、阶梯轴的结构与分析3

2.1阶梯轴分析3

2.2阶梯轴工艺分析3

三、具体设计方案步骤4

3.1绘制锻件图……………………………………………………………………………….4

3.2零件的结构分析………………………………………………….………….....................4

3.3毛坯的选择………………………………………………………………………………..5

3.4制定变形工艺5

3.5计算坯料质量与尺寸6

3.6确定锻造设备7

3.7确定锻造温度及规范7

3.7.1确定温度范围7

3.7.2确定加热规范及火次7

3.7.3确定冷却方法及规范7

3.7.4确定热处理规范8

四、工艺过程流程8

五、总结9

六.致谢10

附录：

参考文献13

绪论

热加工成型技术也叫材料成型技术，是机械制造生产过程的重要组成部分。

热加工的对象是各种材料，包括金属材料、非金属材料和复合材料等，其中金属材料是国民经济和现代制造机械的支柱材料，也是构成各种机械设备的最主要材料。

材料成型技术包括三个方面：

铸造-液态成型技术，锻造-固态塑性成型技术，焊接-连接成型技术。

而本次的课程设计主要是液态成型技术，即铸造工艺。

铸造工艺就是把液态金属或者合金浇注到与零件尺寸、形状相适应的铸型空腔内，待其冷却后凝固得到毛坯或零件的方法。

合理的铸件结构是获得优质铸件的前提，是简化铸造工艺，提高生产率，降低成本的根本方法。

需铸造的零件结构不仅满足工作性能和力学性能的要求，同时应满足铸造工艺、方法及合金铸造性能的基本要求。

编制铸造工艺方案是其中的一个重要环节，其目的是使整个铸造工艺过程都实行科学的操作，合理地控制铸件成形，从而获得高质量，低成本的合格铸件。

其首要步骤是根据零件的结构特点、技术要求和生产批量等条件确定其铸造工艺，绘制铸造工艺图和铸型图。

然后依据绘制的铸造工艺图，结合所选定的造型方案，便可绘制出模样图及铸型图。

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，而机械锻造是自由段的主要方法。

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Φ100作为一部分，将Φ60和Φ54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长为340mm，最大直径为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。

如下图所示。

3.2 零件的结构分析

阶梯轴是机械加工中的典型零件之一，它主要用来支撑传动零件和传递转矩。

由零件图可知其材料为45钢（属于中碳钢），它具有足够的强度，刚度和韧性，是用于承受弯曲应力和冲击载荷作用的工作条件。

3.3 毛坯的选择

毛坯分为铸件、锻件、焊接件和型材等，毛坯的选择应该以生产批量的大小、零件的复杂程度、加工表面及非加工表面的技术要求等几方面的综合考虑。

由于模锻适用于产量较大的中小型零件毛坯的生产，模锻是最优选择。

由于阶梯轴在工作过程中要求受冲击载荷，而模锻的材料纤维呈连续性，故其机械强度较高，因此毛坯选择模锻，根据零件的尺寸和各种工序的加工余量，选择棒料φ71×292mm。

45号钢是优质非合金钢.含碳量是0.45%.经过热处理它具有良好的综合力学性能.主要用途主要用于制作要求强度.塑性.韧性都比较高的零件.例如，轴.齿轮.轴套等。

3.4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.端部拔长并切料头

3.5计算坯料质量与尺寸

根据齿轮轴锻造件图，自左向右分为3个圆柱体，分别算其质量m1、m2、m3，单位为kg，即

　M1=π／4×1.10×1.10×0.5×7.8=12.25　

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=12.25+3.3+3.37=18.92

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

M烧=M锻×2%=0.3784

截料损失按锻件质量的4%计算，即得

M头=M锻×4%=0.7568

则坯料质量M坯=M锻＋M烧＋M头=20.06kg

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热扎圆钢。

并由m=vp算出坯料体积为2571.79cm，再除以Φ130mm圆钢截面积，即可算出坯料长度为200mm

3.6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0.4t自由锻锤。

3.7确定锻造温度及规范

3.7.1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中差得始锻温度为1200，终锻温度为800。

3.7.2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。

3.7.3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。

3.7.4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。

四、工艺过程流程

锻件名称

阶梯轴

锻件材料

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

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

修整台阶

胎膜

修整台阶

胎膜

五、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。

六.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,不过俗话说天下文章一大抄，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，以后我哦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！

附录：

表1

阶梯轴类锻件机械加工余量与公差

零件总长L

零件直径D

大于0

120

160

200

250

315

至50

120

160

200

250

315

400

余量a与极限偏差，锻造精度等级F

0～315

7±2

8±3

9±3

10±4

－

315～630

8±3

9±3

10±4

11±4

12±5

13±5

－

630～1000

9±3

10±4

11±4

12±5

13±5

14±6

16±7

－

1000～1600

10±4

12±5

13±5

14±6

15±6

16±7

18±8

19±8

1600～2500

－

13±5

14±6

15±6

16±7

17±7

19±8

20±8

2500～4000

－

16±7

17±7

18±8

19±8

21±9

22±9

4000～6000

－

19±8

20±8

21±9

23±10

－

表2

热轧圆钢直径（ＧＢ／Ｔ702——1996）

5.5

6.5

100

105

110

115

120

125

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

240

250

表3

自由锻锤的锻造能力范围

锻件类型及规格

锻锤落下部分质量/t

0.25

0.5

0.75

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

<250

圆筒

D/mm

d/mm

L/mm

<150

≥100

≤165

<175

≥125

≤200

<250

>125

≤200

<275

＞125

≤300

<300

>125

≤350

<350

>150

≤400

>700

＞500

≤550

圆轴

D/mm

G/kg

<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

扁方

B/mm

H/mm

≤100

≥7

＜160

≥15

<175

≥20

≤200

≥25

＜400

≥40

≤600

≥50

≤700

≥70

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：

D—锻件外径；d—锻件高度；B—锻件宽度；L—锻件长度；G—锻件质量。

表4

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，Q215，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

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

【5】《高等工科院校工程材料及机械制造基础系列教材热加工工艺基础》1996.12.1

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