(完整版)阶梯轴的锻造

华北科技学院

课程设计任务书

题目：阶梯轴的锻造

系别：机电工程系

专业：材料成型与控制工程

班级：材料B081班

学号： 200802034109 姓名：周建明

指导教师：由伟

审核日期：

前言

锻造是金属加工的主要方法和手段之一，在国民经济中占有举足轻重的地位，是装备制造业，特别是机械、汽车行业，以及军工、航空航天工业中不可或缺的主要加工工艺。随着经济结构调整的不断深化，特别是作为支柱产业的汽车制造业的大发展，为我国锻造业营造了良好的机会。

本次设计是根据《中级锻造工技术》、《金属塑性成形及模具设计》等相关教材，并查询相关国标表格，引用相关数据。

本次设计主要采用了自由锻。

由于本人水平有限，在设计过程中难免出现错误和不合理之处，望老师在评阅时加以指正。

目录

前言 (1)

第1章自由锻简介 (3)

1.1自由锻 (3)

1.2自由锻特点 (3)

1.3自由锻的基本工序 (3)

第2章自由锻工艺规程的制定 (4)

2.1确定坯料的质量和尺寸 (5)

2.2制定变形工艺过程及选用工具 (8)

2.3确定设备吨位 (11)

2.4选择锻造温度范围 (12)

2.5提出锻件的技术条件和检验要求 (12)

2.6填写工艺规程卡片 (13)

第3章自由锻件结构工艺性 (15)

参考文献 (16)

设计小结 (17)

第1章自由锻简介

1.1自由锻

自由锻生产应根据锻件的形状和锻造工艺过程特点制定工艺规程，安排生产。自由锻工艺规程的制定包括设计锻件图、确定坯料质量和尺寸、确定变形工艺过程和锻造比、选择锻造设备等主要内容。

自由锻是利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸及内部质量锻件的一种加工方法。自由锻造时，除上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料朝其它各个方向均能自由变形流动，不受外部的限制，故无法精确控制变形的发展。自由锻可以分为手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻只能生产小型锻件，生产效率也较低。机器锻造是自由锻造的主要方法。

1.2自由锻特点

1)应用设备和工具有很大的通用性，且工具简单，所以只能锻造形状简单的锻

件，操作强度大，生产效率低。

2)自由锻可以锻出质量从1kg到t的锻件。对大型锻件，自由锻是唯

一的加工方法，因此自由锻在重型机械制造中有特别重要的意义。

3)自由锻依靠操作者控制其形状和尺寸，锻件精度低，表面质量差，金属消耗

也较多。所以，自由锻主要用于品种多，产量不大的单件小批量生产，也可

用于模锻前的制坯工序

1.3自由锻的基本工序

无论是手工自由锻、锤上自由锻以及水压机上的自由锻，其工艺过程都是由一些锻造工序所组成。所谓工序是指一个在工作地点对一个工件所连续完成的那部分工艺过程。根据变形的性质和程度不同，自由锻工序可分为：基本工序，如镦粗、拔长、冲孔、扩孔、芯轴拔长、切割、弯曲、扭转、错移、锻接等，其中镦粗、拔长和冲孔三个工序应用最多；辅助工序，如切肩、压痕等；精整工序，如平整、整形等三类。

第2章自由锻工艺规程的制定

自由锻工艺规程是指导、组织锻造生产，确保锻件品质的技术文件。根据零件图绘制锻件图

锻件图是编制锻造工艺过程、设计工具、指导生产和验收锻件的主要依据。它是在零件图的基础上考虑加工余量、锻件公差、锻造余块、检验试样及操作用夹头等因素绘制而成

确定锻件的形状：锻造时零件上有些不能锻出的部分需加余块，以简化锻件的形状和操作工艺，但这样会增加金属的消耗和机械加工工时，余量的大小必须保证锻件在下一步机械加工时能获得零件所需要的尺寸和表面粗糙度。绘制锻件图应结合锻造的具体情况来确定。所绘零件图如下：

为了便于锻造，绘制锻件图时应遵循以下规则：

1)为了方便起见，锻件的基体尺寸的尾数可简化为5或0。

2)锻件的外形用粗实线描绘，为了便于了解零件的形状和检查锻造后的实际余

量，对某些复杂的零件或大批量生产的锻件，应在锻件图上用点划线描绘出零件的主要轮廓形状。

3)锻件的基本尺寸和公差标注在尺寸线上面，而零件的基本尺寸标在尺寸线下

面的括号内。

4)在锻件图上注明锻件的总长度和各部分长度（凹档和最后锻造的那一部分可不必标注长度）。注明各部分长度时应选择一个基准面（直径最大的台阶或法兰）。从这里开始向两个方向标注。带凹档的锻件可以选择几个基面，但基面的数目应力求最少。

5)在锻件图上还需要注明一些特殊余块、热处理吊头、力学性能试验用的试棒、机械加工用的夹头等的位置。

6)零件上加余块，锻件的公差加加工余量最后，按机械制图的规则绘制锻件图如下，尺寸线下面的尺寸为零件图尺寸，并用括弧注明。

2.1确定坯料的质量和尺寸

锻件的质量可根据锻件的形状和基本尺寸来计算，对大、中型锻件和形状复杂的锻件，应按锻件基本尺寸加上上偏差的一半来计算。这是因为自由锻件形状不能符合图纸上的要求，且表面也不很平整，因为锻件的实际质量，常常会超出计算得出的质量。

坯料质量=（）

——锻件质量，kg，按基本尺寸确定；

——冲孔芯料损失，kg，取决于冲孔方式、冲孔直径（d）和坯料高度（），具体可按下式计算

圆形截面

矩形截面

式中——钢料加热烧损率，与所选用加热设备类型有关

烧损量：金属在加热时由于形成氧化皮而造成的损失量，成为烧损量。烧损量一般以占钢坯或钢锭质量的百分之几表示。烧损量出了与保温时间有关外，还

与坯料的化学成分、坯料的形状结构和加热炉的种类、加热炉的热效率、炉膛内的加热气氛等有关。若钢的成分容易氧化坯料的当量厚度（坯料体积与坯料表面积之商成为坯料的当量厚度）较小，保温时间较长，炉气内氧化性气体较多时，

烧损量取表中的上限，反之则取下限。

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 1.00.5

室式煤气炉 2.0 电接触加热 1.00.5

连续式煤气炉 2.5 1.5 室式煤炉 4.0 2.5 锻造用原材料估算的基本原理是体积不变定律，认为锻造变形前和锻造变形后的坯料体积相等

参照类似锻件锻造工艺方案如下：坯料——预拔长——压肩——拔长制成品锻件整体为一圆柱体，坯料是45钢密度为7.85kg/。

由锻件图可知，该轴最大轴径，轴向长度760mm。所以得锻件质量：

坯料质量=（）

坯料的尺寸与锻件成形工序有关，采用的工序不同，计算坯料的方法也不同，

具体坯料体积可由坯料质量除以材料密度得到。

采用拔长法锻制锻件时，原坯料直径应按锻件最大截面积，并考虑锻比和修整量等要求来确定。从满足锻比要求的角度出发求原坯料截面积。

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

由此便可算出原坯料直径，即

取原坯料直径

初步算出坯料直径后，应按国家材料规格标准，选择标准直径，再根据选定的直径，计算坯料长度。

选取坯料为

2.2制定变形工艺过程及选用工具

各类锻件锻造工序方案的选择，可由各基本工序的变形特点、锻件的形状尺寸和技术要求，并参考有关的典型工艺，结合车间设备条件、原材料情况、生产批量和辅具情况以及工人的经验与操作水平来确定。因为该锻件为圆光轴，所以其锻造工序为拔长。因为原始坯料断面为圆形，所以按圆形→方形→拔长→方形→八角形→圆形进行拔长，并以方形拔长为主要变形阶段。此处选用上下砧拔长，先以正方形截面拔长到一定程度后再倒棱滚圆，倒棱时锤击不宜过重，否则中心易产生裂纹，小型锻件倒棱滚圆后还可采用摔子整形。

拟定锻造工序方案时应注意以下几项：

1)要求轴向力学性能高的锻件，采用拔长工序。要求横向力学性能高的锻

件，选用冶金质量高的原材料，并采用适当的镦粗工序。轴向和横向都

要求高的力学性能时，应选用高质量的原材料并采用适当的锻造比，用

镦粗—拔长组合工序进行锻造。

2)采用宽砧拔长，可以更好的锻透中心以防止中心横向裂纹的产生。在高

温下拔长时，要采用大压下量将中心锻透。

3)避免平板拔长原料，而要以圆形→方形→拔长→方形→圆形的顺序进行。

4)为破碎工具钢中的碳化物，要用大的锻造比，并采用多次镦粗—拔长的

组合工序进行锻造。

工序尺寸的确定是和工序的选择同时进行的，工序尺寸确定时应注意以下几点：

1)工序尺寸的确定必须符合各工序的规则。工序尺寸应按体积（或质量）

不变进行计算，保证尺寸能锻得出。

2)必须估计到各工序中坯料尺寸的变化，如冲孔时坯料高度有些减小，扩

孔时高度有些增加等。

3)必须保证各部分有足够的体积（或质量），这在使用分段工序时必须做到。

4)大锻件多火次生产时，要注意锻造比与加热温度对细化晶粒的影响，尤

其是最后一火更为重要。

5)在压肩、位错、冲孔等工序中坯料上的拉缩等现象，必须保证在最后修

正时有足够的修整量。

6)有些长轴类零件长度方向尺寸要求很精确，但长度方向又不允许镦粗，

在计算工序尺寸时，就必须估计到长度方向的尺寸在修整时会略有伸长。

拔长的一般的一般规则，操作方法及注意事项：

1、拔长过程中要将坯料不断地翻转，使其压下面都能均匀变形，并沿轴向送进操作。翻转的方法有三种：反复翻转拔长，是将坯料反复左右翻转，常用于中小型锻件的手工操作；螺旋式翻转拔长，是将坯料沿一个轴线作翻转，适用于锻造台阶轴锻件；单面前后顺序拔长，是将坯料沿整个长度方向锻打一遍后翻转，再而后依次进行，常用于频繁翻转不方便的大锻件，但应注意工件的宽度和厚度之比不要超过2.5，否则再次翻转继续拔长时容易产生折叠。

2、拔长时，坯料应沿砥铁的宽度方向送进，每次的送进量L应为砥铁宽度B的倍，送进量太大，金属主要向宽度方向流动，反而降低延伸效率。送进量太小，又容易产生夹层。另外，每次压下量也不要太大，压下量应等于或小于送进量，否则也容易产生夹层。

3、由大直径的坯料拔成小直径的锻件时，应把坯料先锻成正方形，在正方形的截面下拔长，到接近锻件的直径时，再倒棱，滚打成圆形，这样锻造效率高，质量好。

4、锻制台阶轴或带台阶的方形、矩形截面的锻件时，在拔长前应先压肩。压肩后对一端进行局部拔长即可锻出台阶

5、锻件拔长后须进行修整，修整方形或矩形锻件时，应沿下砥铁的长度方向送进，以增加工件和砥铁的接触长度。拔长过程中若产生翘曲应及时翻转

轻打校平。圆形截面的锻件用型锤或摔子修整

2.3确定设备吨位

锻造设备一般分为传动锤和蒸汽锤两大类。传动锤按照机械传动结构不同，又分为空气锤、夹板锤、钢丝锤、弹簧锤和杠杆锤等。在自由锻造中使用最广泛的是空气锤和蒸汽—空气锤两种。

空气锤是由电动机直接驱动的锻压设备。空气锤的优点是安装方便，安装费用低；打击速度快，约为，能充分满足小锻件在锻造过程中因冷

却速度快，必须快速完成锻件成形的要求；而且空气锤还既可以自由锻造，又可进行胎膜锻造。所以空气锤在小锻件生产中得到了广泛的应用。它的不足之处是吨位小，常用空气锤的最大吨位为1t。

采用经验类比法，锻锤吨位按如下经验公式计算

拔长时吨位：

G=2.5F kg

F——坯料横截面面积，单位

所以不能选用空气锤。

蒸汽—空气自由锤锻是利用蒸汽或压缩空气作动力来工作的。当以蒸汽为动力时，工件压力一般为Mpa。当以压缩空气为动力时，空气压力一般为Mpa。因此，这种锻锤必须配置锅炉或压缩空气机和管道等，投资比较大。

根据锻件形状尺寸，查表，选取3.0吨自由锤锻。

2.4选择锻造温度范围

选择锻造温度范围，制定坯料加热和锻件冷却规范, 制定锻件热处理规范：

锻造温度应尽量选宽一些，以减少锻造火次，提高生存率，加热的始锻温度一般取液相线以下100，以保证金属不发生过热和过烧，终锻温度一般高于金属的再结晶温度且与变形程度有关，当变形程度较小时，终锻温度可稍低于规定温度。

该锻件的材料为45钢，所以查表可知始锻温度为1200，终锻温度为800，保温时间为

锻件为中小件，45钢塑性较好，故无需采用特殊冷却方式，空冷即可，为清除锻造过程中产生的内应力，应进行去应力退火。

2.5提出锻件的技术条件和检验要求

技术条件：

1)材质为 45 ；

2)锻后等温处理；

3)粗加工后调质，硬度为 196-269HBS。

检验要求：

1)生产过程中的质量检验；

2)锻件成品检验

2.6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 3.0t自由锤锻加热次数1次锻造温

度范围

坯料尺寸/mm 坯料质

量

180kg

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Φ120mm

4 滚圆圆口钳将此段滚圆

5 压肩圆口

钳；压

肩棒

截出长度

6 反向重复2，

3，4，5步圆口钳

摔圆摔

子，压

肩棒

锻出轴左部分并

截出中间部分

7 锻出中间凹

档

圆口钳锻出中间凹档

8 滚圆圆口钳滚中间凹档至尺

寸

9 切断切除余料至尺寸

第3章自由锻件结构工艺性

自由锻件的设计原则是：在满足使用性能的前提下，锻件的形状应尽量简单，易于锻造。

1）尽量避免锥体或斜面结构的锻件，需制造专用工具，锻件成形也比较困难，从而使工艺过程复杂，不便于操作，影响设备使用效率

2）避免几何体的交接处形成空间曲线，如圆柱面的相交，锻件成形十分困难，若改成平面相交，消除空间曲线，使锻造成形容易

3）避免加强肋、凸台、工字形、椭圆形或其它非规则面及外形，一些难以用自由锻方法获得的锻件结构，若采用特殊工具或特殊工艺来生产，会降低生产率，增加产品成本，所以需要改进结构

4）合理采用组合结构，锻件的横截面积有急剧变化或形状复杂时，可设计成由数个简单件构成的组合体，每个简单件锻造成形后，再用焊接或机械连接方式构成整体零件

参考文献

【1】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，1999.8

【2】成大先主编.机械设计手册（第五版）. 北京：化学工业出版社. 2008.4 【3】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.2007.9

【4】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. 2008.1【5】王大康、韩泽光主编.机械设计基础. 北京：机械工业出版社. 2007.8

设计小结

在课程设计即将结束之即，我感觉收获很大，同时应证了老师所说的那种成就感。通过这次的锻造课程设计，不仅仅顺利设计完成了一个阶梯轴，而同时在设计过程中，熟练并综合的应用了本学期及以前所学到的相关知识，并逐步提高自己的知识范畴、理论水平、理解能力、构思能力，加强自身发现问题、分析问题并解决问题的能力以及提高自己的独立操作能力。

本次设计的重点就在于分析锻件成形过程及其质量影响基础上，介绍确定坯料的质量和尺寸、制定变形工艺过程及选用工具、确定设备吨位、选择锻造温度范围、提出锻件的技术条件和检验要求、填写工艺规程卡片，并对其中的一些注意事项加了详细介绍。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教，我十分乐意接受你们的批评与指正。