阶梯轴锻造课程设计

黄河科技学院课程设计说明书

题目：阶梯轴锻造工艺设计

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课程设计时间：

黄河科技学院课程设计任务书学院系机械设计制造及其自动化专业级班

学号姓名指导教师

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 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：

设计说明书

摘要

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。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。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。

关键词：自由锻、锻造比、锻造工艺、加工余块、锻造公差

Design Book

Summary

This paper mainly analyzes the structure and the stepped shaft forging process it was determined according to its structural characteristics. Determination of forging process of stepped shaft includes drawing forging drawing, determine the deformation process and forging ratio, determine the fur quality and size, selection, determination of forging temperature and forging equipment specification and production of forging process card. Because the stepped shaft structure is simple in consideration of its economy, technology and the use of, the 4 part is about design for Φ 100 as part of the Φ 60 and Φ 54 as part of the phi 40 as a part of, will remain as a part of the free forging. Due to a relatively simple so it does not need to set pieces. By looking up the table and determine its forging tolerances, forging ratio, and the burning rate and 0.4t free forging hammer forging equipment selecti

Keywords:free forging, forging, forging, machining than pieces， forging tolerances

目录

一、绪论 (4)

二、锻件的结构和工艺 (5)

2.1阶梯轴分析 (5)

2.2阶梯轴工艺分析 (5)

三、具体设计方案步骤 (6)

3.1绘制锻件图 (6)

3.2制定变形工艺 (6)

3.3 计算坯料质量与尺寸 (8)

3.4 确定锻造设备 (9)

3.5 确定锻造温度及规范 (9)

3.5.1 确定锻造温度 (9)

3.5.2 确定加热规范及次数 (9)

3.5.3 确定冷却方法 (9)

3.5.4 确定冷却规范 (9)

3.5.5 确定热处理规范 (9)

3.6 填写工艺处理卡片 (10)

四、总结 (12)

五、参考文献 (13)

六、致谢 (14)

一、绪论

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，并有较好的力学性能。锻件强度和韧性较好，纤维组织合理，因此被广泛运用。

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。锻件在锻造时，由于热变形或冷变形使其组织改变，冷变形是在再结晶温度以下变形，变形过程中无再结晶现象，变形后金属只有加工硬化和残余应力，热变形是在再结晶温度以上的变形，变形后金属具有再结晶组织而无加工硬化，同时消除铸态组织、破碎并改善碳化物的分布。当锻件达到一定变形程度时，铸态的树枝状晶粒便被击碎，通过再结晶形成新的等轴晶粒，从而提高金属塑性和强度等性能

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做到的。同时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。

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、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。

本课程设计锻件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。机械锻造是自由段的主要方法。自由锻可锻造各种简单形状锻件，并因锻造过程是局部变形变形抗力特别小，适用单件小批量水轮主轴、多管曲轴、连杆等大型锻件生产。

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。

二、锻件的结构和工艺

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，受到多种力的的作用，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，纤维合理组织，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。通过锻造和热处理，使我们获得性能足够锻件。

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，分为六次来完成，都选用自由锻。因为零件图的阶梯轴长为340mm，最大直径为Ф100mm，所以根据课本《金属成形工艺设计》中表3-3知：零件长度在315mm~630mm，零件直径在Ф80mm~120mm间，余量和极限偏差影选为10±4mm，锻造精度等级为F，由于锻件形状比较简单，故可不设工艺余块。

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80～120mm，可查的锻造精度等级为F级的锻件余量及公差为10±4mm，尺寸如锻件图所示。

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。

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

根据阶梯轴锻件图，可将锻件自左而右分为3个圆柱体M1，M2，M3分别计算其质量，单位kg，即

M1=π／4×1.102×0.5×7.8=3.70

M2=π／4×0.702×1.1×7.8=3.30

M3=π／4×0.502×2.2×7.8=3.37

锻件的质量【单位kg】为

M锻=M1+M2+M3 =3.70+3.00+3.37=10.37

假设锻件置于煤火炉中加热，并采用一次加热可锻成，由《金属成形工艺设计》中表3-8可知，加热烧损率按锻件的质量2%计算，即

M烧=M锻×2%=10.37×2%=0.2074

截料损失按锻件质量的4%计算，即得

M头=M锻×4%=0.4148kg

则坯料质量M坯=M锻+M烧+M头=10.37+0.2074+0.4148=10.9922kg

此锻件以圆截面刚才为坯料，锻比取Y=1.2，可按锻件最大截面积

S锻max=π/4×110 2=9498.5mm 2

所以坯料的截面积S坯≧Y·S锻max=11398.2mm 2

因此，原料直径D=120.6mm

对照《金属成形工艺设计》表3-11所列热轧圆钢标准直径，应选D=Φ130mm热轧钢。并由m=vp算出坯料体积为 V坯=M坯/7.8=1410000mm3，所以坯料长度L=V坯/S坯=110mm

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0.4t自由锻锤。

3.5确定锻造温度及规范

3.5.1 确定锻造温度范围

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℃。

3.5.2 确定热规范及火次

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时，首先考虑钢材断面尺寸，其次考虑钢的成分及有关性能。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

锻件在锻后冷却时，按冷却速度分为空冷、坑冷和炉冷等方法。空冷是将单个或成堆放在车间地面上冷却，但是不能放在潮湿的地面上，金属板上或通风处冷却，以免造成锻件冷却不均匀或者引起断裂。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 确定冷却规范

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。

3.5.5 确定热处理规范

锻件的常规热处理是当锻件冷却到室温后，再按工艺规程将锻件由室温重新加热进行热处理。根据《工程材料及热处理》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

锤坯料尺寸/mm Ф125mm×95mm 坯料

质量

10.9922kg

·火次

锻

造

温

度

/℃

操作

工序工序简图

锻造设备及工具

800

℃

~

下料

并锻

出头

部

切割机、电锯或乙炔焰

气割、0.4t自由锻锤、

胎膜

1 1200

℃

拔长0.4t自由锻锤、上平砧、

下平砧拔长

修整

平台

胎膜