阶梯轴锻造热加工工艺.doc

《锻造工艺》课程论文

论文 名 称 铁芯冲片冲压模具设计
学 生 姓 名 陈坚
学 号 0841125284
系、年级专业 机械与能源工程系
08级模具设计与制造
指 导 教 师
职 称

2011年12月8日

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，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
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。
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

3.3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
3.4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。
3.5.2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。
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。
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

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