《金属工艺及机制基础》三级项目报告
《金属工艺及机制基础》三级项目报告
上压辊轴
班级：2014级机自2班
小组成员：周子业、吴建辉、梁孟德、王林林、韩思琦指导教师：邹芹、于辉
提交时间：2016年6月24号
目录
一、上压辊轴分析 (2)
1.1零件名称——上压辊轴 (2)
1.2零件简图： (2)
1.3零件技术要求 (2)
1.4零件分析 (2)
二、毛坯生产工艺方案的分析 (4)
2.1毛坯选择原则： (4)
2.2毛坯制造方案： (5)
三、铸造阶段 (6)
3.1工艺分析 (6)
3.2选择造型方法 (6)
3.3确定浇注位置和选择分型面 (6)
3.4确定加工余量 (7)
3.5确定起模斜度 (8)
3.6确定收缩率 (9)
3.7铸造圆角 (9)
四、锻造阶段 (10)
4.1绘制锻件图 (10)
4.2锻造方案 (10)
4.3计算坯料质量及尺寸 (10)
4.4选定锻造设备 (11)
4.5确定锻造温度范围 (11)
上压辊轴自由锻工艺卡 (12)
五、机械加工工艺方案的分析 (13)
5.1零件机械加工工艺的分析和加工方法： (13)
5.2确定定位基准 (14)
5.3热处理工序安排 (14)
5.4 工艺过程的拟定： (14)
5.5 各个工序机床、加工余量、夹具、刀具的选用 (15)
上压辊轴机械加工工艺卡 (16)
六、成员贡献及感想 (21)
参考文献： (22)
一、上压辊轴分析
1.1零件名称——上压辊轴 1.2零件简图：
图1
1.3零件技术要求 1.调质硬度HB220-250
2.未注倒角1X45度
3.K03-50 K06-15各1件 1.4零件分析
上压辊轴是典型的轴类零件，属于中小型轴类零件，主要的平面为台阶面、外圆面、端面、键槽、孔、内螺纹。该零件没有越程槽、件数为1属于单件生产，外圆面主要要求公差等级IT6~IT7
其余
12.5
3
45
A
A
C
C
?40+0.018
+0.002
25
?40-0.025-0.05
A
?50
40
2
?40+0.018+0.002
B
?42±0.012
55
43
30
256
??0
A -B
??0
A -B
C
D
0.8
0.8
1.6
1.6
6.3
6.3R 1
R 1
R 1
B
B
370-0.2
20
25
A -A 旋转C -C
M 12
?13 6.3
6.3
120
-0.043
?0
C
350-0.2
6.3
6.3
120
-0.043
?0D
60°
3.2
借(通)用件登记旧底图总号底图总号签字日
期
日期
档案员K 03-50
标记设计处数分区更改文件号签名年、月、日
阶段标记重量比例共
张
第
张
标准化批准
审核工艺
燕山大学机械厂上压辊轴
K 03-50
45
1:12010.5.24数量三部、六部各一
B -B 旋转
1.调质硬度H B 220-250
2.未注倒角1345°
3.K 03-50K 06-15各1件
技术要求
粗糙度Ra1.6、Ra0.8，台阶面Ra6.3，键槽平行面要求轴对称度0.04，表面粗糙度Ra6.3，其余端面Ra12.5。A-B面同轴度0.012和0.02。加工的目是力求在提高产品质量、降低生产成本和提高生产效率的前提下，使工艺方案尽量简化。
(1)传动轴的工作条件：
①传递一定的扭转应力，承受一定的交变弯曲应力；
②轴颈承受较大的摩擦；
③承受一定的冲击载荷。
（2）传动轴的失效形式：
①疲劳断裂：由于受扭转疲劳和弯曲疲劳交变载荷长期作用，造成轴疲劳断裂。这是主要的失效形式。
②断裂失效：由于大载荷或冲击载荷作用，轴发生折断或扭
③磨损失效：轴颈处过度磨损。
(3)传动轴的性能要求：
①良好的综合力学性能，即强度、塑性、韧性有良好的配合，以防止冲击或过载断裂；
②高的疲劳强度，以防止疲劳断裂；
③良好的耐磨性，防止轴颈磨损。
此外，还应考虑刚度、切削加工性、热处理工艺性和成本。
(4)传动轴零件的选材：
方案一：选用中碳合金调制钢，如40CrNiMo，此类钢具有良好的综合力学性能，且淬透性非常好，其油淬直径可达75mm，淬硬性高。但其价格较高，约为45钢两倍。
方案二：选用中碳钢（45钢）。虽然中碳钢淬透性低，但小轴主要受扭矩作用，在整个截面上所受的应力分布不均匀，表面
应力较大，心部应力较小。且45钢冷热加工性能都不错,机械性能较好，价格低，来源广。
由于小轴对硬度要求不高，且无需大的淬透性，45钢水淬
已可满足。综合考虑，选用方案二。
注释：
1. 45钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。
实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。
2. 45钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。
调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质＋表面淬火提高零件表面硬度。
二、毛坯生产工艺方案的分析
2.1毛坯选择原则：
1、使用性原则：心部有足够的韧度，表面有较高的硬度，以获得较好的强度和耐磨性，延长使用寿命。
2、经济型原则：应从降低整体的生产成本考虑把满足要求和降低制造成本统一起来。零件的制造成本包括材料费，能源费，工资和工资附加费等。
3、工艺性和技术性原则：制定生产方案必须与具体生产条件相结合。
选择毛坯料：上压辊轴材质为45号钢。
2.2毛坯制造方案：
一、毛坯制造工艺的选择
一般的，轴类毛坯制造可以选择铸造、锻造（多为自由锻和模锻）。下面为铸造和锻造的适用对象和加工特点。
铸造：包括手工造型和机器造型，手工造型操作灵活，工装简单，可以获得复杂形状的零件，如，壳体、箱体等；但劳动强度大、生产效率低。常用于单件和小批生产。机器造型生产率高，铸件质量好，但设备投资大，适用于中小型铸件的成批大量生产。而且铸造容易造成铸件内部组织粗大，常有缩松、气孔等铸造缺陷，导致铸件力学性能不如锻件高。铸造工序多，而且一些工艺过程还难以精确控制，使得铸件质量不够稳定，废品率高,污染环境，能耗高。
锻造：
（1）自由锻：工艺灵活成本低，加工余量较大，一般适合与形状简单的单件、小批量生产。
（2）模锻：生产效率高，锻件表面光洁，但是工艺复杂，制造成本高、周期长。
综合以上分析：该轴类零件的材料为45号钢，属于优质碳素结构钢（中碳）。
适合采用自由锻锻造的方法加工出轴的大体轮廓。
选择自由锻的原因及分析：
1、自由锻加工灵活、成本较低、该零件为单件生产不适合制造模具，以便节省成本。
2、相对于铸造避免了制造模具的成本，而且锻造可以使轴的内部结构更加合理，提高零件的质量。
图2 工艺图
3、零件自由锻加工图如图所示，零件没有锥面、斜面结构，形状简单，适合自由锻，流线更趋向于合理通过拔长、压肩、锻台阶使零件内流线沿轴向分布，使零件的结构更适合传递扭矩。
三、 铸造阶段
3.1工艺分析
该零件为传动轴类零件，力学要求性能较高，不允许有铸造缺陷。
3.2选择造型方法
材料为45钢，小批量单件生产，且结构简单，故选择手工造
型，木制模样，进而选择整模造型。
3.3确定浇注位置和选择分型面
（1）浇道及浇口：
余
12.5
3
45
A
A
C C
φ40+0.018
+0.002
25
φ40-0.025
-0.05
A
φ50
40
2φ40+0.018
+0.002
B
φ42±0.012
55
4330
256
φ0.012
A -B
φ0.02
A -B
C
D
0.8
0.8
1.6
1.6
6.3
6.3R 1
R 1
R 1
B
B
370.2025
A
-A 旋转C
-C
M 12
φ13 6.3
6.3
120
-0.043
0.04
C
350.6.3
6.3
120
-0.043
0.04D
60°
3.2
K 03-50
标记设计
处数
分区
更改文件号签
名年、月、日
阶
段标
记
重
量
比
例共
张
第
张
标准化
批准
审核工
艺
燕山大学机械厂
上压辊轴K 03-50
45
1:1
2010.5.24
数量三部、六部各一
B -B 旋转
1.调质硬度H B 220-250
2.未注倒角1×45°
3.K 03-50K 06-15各1件
技术要求
图3
注释：直浇道：将液态金属从浇口杯引入横浇道和内浇道，提供足够的压力，使
金属液能够克服沿程阻力在规定的时间内充满铸型。 横浇道：将金属液平稳的引入型腔，挡渣。
另外，铸钢件的浇注温度为1520~1620摄氏度。
（2）分型面的选取如下图：
172
Φ68
53
3
上
下
铸造圆角：R 外=2
线收缩率：2%
图4
3.4确定加工余量
由于铸造毛坯表面不需要机械加工所以在加工余量的选择上参照查表所得数据再结合实际决定毛坯“加工余量为6mm ”
该件为回转体，材料为45钢。
查表得 尺寸公差CT14；
加工余量MA-J ； 加工余量 6mm 。
根据锻件的加工余量即可得出铸件的尺寸。长度：172+/-6mm ，直径：68 +/-3mm
（1）造型材料选用湿砂型
查表1-1及表1-2得用于小批量单件生产铸件尺寸公差等级为 CT13~15，机械加工余量等级为J 。
铸件尺寸公差配套使用的铸件加工余量查表1-3
基本尺寸 长：160mm 两边分别留出9mm加工余量。 基本尺寸直径：D<100 ，尺寸公差等级选CT14，两边分别留出6mm加工余量。 表1 造型材料公差等级CT 铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金轻金属合金 13~15 13~15 13~15 13~15 13~15 11~13 干、湿砂 型 自硬砂12~14 11~13 11~13 11~13 10~12 10~12 表2 造型材料加工余量等级MA 铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金轻金属合金 13~15/J 13~15/H 13~15/H 13~15/H 13~15/H 11~13/H 干、湿砂 型 自硬砂12~14/J 11~13/H 11~13/H 11~13/H 10~12/H 10~12/H 表3 尺寸公差等级CT 13 14 15 加工余量等级MA G H J H J H J 基本尺寸mm 加工余量数值/mm 大于至 ——100 6.0 4.0 6.5 4.5 7.5 5.5 7.5 5.0 8.5 6.0 9.0 5.5 10 6.5 100 160 7.0 4.5 8.0 5.5 9.0 6.5 9.0 6.0 10 7.0 11 7.0 12 8.0 160 250 8.5 6.0 9.5 7.0 11 8.5 11 7.5 13 9.0 13 8.5 15 10 注释：表中加工余量数值有两个，左面数值是以一侧为基准进行单侧加工余量值，右 面的数值是以两侧加工时，每侧的加工余量值。 3.5确定起模斜度 直径为68mm，查表3.5-1起模斜度为40分 表4 测量面高度H/mm 起模斜度（不大于） 木模样 角度a/mm <10 2度55分0.6 >10~40 1度25分 1.0 >40~100 40分 1.2 3.6确定收缩率 体收缩率，查表5得14% 线收缩率，查表6得2% 由于铸件收缩的缘故计算体积取625560.212mm3，注入液体体积 最少为638071.416mm3 表5 合金种类体收缩率线收缩率 碳素铸钢10~14.5 ~2 白口铸铁12~14 ~2 灰铸铁5~8 ~1 表6砂型铸造时的铸件线收缩率 合金种类自由收缩受阻收缩 普通灰铸铁中小件 1.0 0.9 大中件0.9 0.8 特大件0.8 0.7 孕育铸铁 1.0~1.5 0.8~1.0 碳素铸铁 1.6~2.0 1.3~1.7 非铁合金铝硅合金 1.0~1.2 0.8~1.0 锡合金 1.4 1.2 3.7铸造圆角 对于小型铸件，外圆角取半径2mm 铸造工艺图 172 Φ68 53 3 上 下 铸造圆角：R 外=2 线收缩率：2% 图5 四、锻造阶段 4.1绘制锻件图 图6 4.2锻造方案 上压辊轴锻件：下料——压肩——拔长——锻台阶——成品 4.3计算坯料质量及尺寸 ○ 1锻造比的给定：由资料显示，用轧材作为锻造坯料时，由于坯料已经过热变形，内部组织和力学性能已经得到改善，并具有流线组织，应选择较小的锻造比，1.2~1.3之间，我们选择1.2。 ○ 2自由锻锻件的加工余量：其中D ＜65时，取65进行计算；当L ＜300时，取300进行计算。 由得A=5.55≈6 ○3由2-1图和三所得余量和自由锻锻前锻后体积不变可得锻件体 积为625560.212立方毫米。 ○4保证锻造过程中，零件的同轴性较好，压肩选好大致尺寸，拔 长过程长度要合理。 综上所述可得毛坯工艺参数 零件名称：上压辊轴毛坯 材料：45号钢 铸造比：1.2轧制圆棍 始锻温度1150~1200 终锻温度750~800 锻件体积：625560.212立方毫米 圆截面坯料：D计≥2.13Dmax= 2.1*62mm=68mm 坯料长度：172mm 4.4选定锻造设备 C41-65 4.5确定锻造温度范围 45钢含碳（C）量是0.42~0.50%查表3.5-1得：始锻温度1150~1200 终锻温度750~800 上压辊轴自由锻工艺卡 锻件名称下压辊轴毛坯 工艺类 型 自由锻 材料45号钢设备C41-25单体空气锤 加热次 数1次 锻造温 度范围始锻温度1150℃～1200℃ 锻造比 1.2 终锻温度750℃～800℃ 锻件图坯料图 序 号 工序名称工序简图备注1 下料自由锻造锤 2 压肩左部压肩长度78.4是根据轴左部圆筒形的长度体积计算确定的。 3 拔长将压肩一端拨长至直径不小于Φ52mm，长度不少于227.6mm 4 反向重复 2.3.步骤 得到最大长度 268mm，最大截面直径 62mm的基本锻件 2 去应力退 火 五、机械加工工艺方案的分析 5.1零件机械加工工艺的分析和加工方法： 该零件中支撑轴颈的精度要求为IT5~IT7，配合轴颈的尺寸精度要求为IT6~IT9，外圆面主要粗糙度 Ra1.6、Ra0.8，轴肩和 键槽的表面粗糙度为Ra6.3，键槽平行面要求轴对称度0.04，其余端面Ra12.5。A-B面同轴度0.012和0.02。加工外圆时可采用粗车→调制→半精车→淬火→粗磨的方法，对尺寸等级和表面粗糙度要求较高的外圆面继续采用精磨的方法，外圆面和轴肩采用90度车刀加工,键槽采用粗铣后半精铣的方法进行加工，右侧在车床上加工中心孔安装顶针，左右两侧的孔在钻床上完成加工，最后利用辅助工具在车床上攻丝。 切削加工：下料-粗车-调制-钳-半精车-淬火-粗磨-钳-粗铣-半精铣-攻丝 5.2确定定位基准 轴类零件的定位基面，最常用的是两中心孔。因为轴类零件各外圆表面、螺纹表面的同轴度及端面对轴线的垂直度是相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，采用两中心孔定位就能符合基准重合原则。而且由于多数工序都采用中心孔作为定位基面，能最大限度地加工出多个外圆和端面，这也符合基准统一原则。轴的中心孔要在粗车之前加工好。 5.3热处理工序安排 该轴需进行热处理。它应放在铣花键之后，外花键轴端处通过淬火（水淬），再回火达到HCR40~42。 调质的目的是得到综合机械性能。如采用锻件毛坯，必须首先安排退火或正火处理。 热处理温度：正火850，淬火840，回火600. 5.4 工艺过程的拟定： 切削加工：下料-粗车-调制-钳-半精车-淬火-粗磨-钳-粗铣-半精铣-攻丝 粗车：在三爪自定心卡盘上装夹，在车床上加工外圆，采用 90度车刀加工余量为1~1.5mm。 调制：淬火后高温回火。 半精车：在粗车的基础上提高精度，加工余量为0.5~1mm。 粗磨：采用适应性好的纵磨法在普通外圆磨床上对尺寸精度高且粗糙度要求为Ra0.8的外圆面进行加工。 粗铣：在铣床上进行加工，用卡盘和顶尖装卡，用键槽铣刀铣键槽，加工余量为1~1.5mm。 半精铣：在粗铣基础上提高精度，加工精度为0.5~1mm。 钻孔：用三爪自定心卡盘上装卡，在车床上用麻花钻头进行加工。 锪孔：在钻床上用将两主切削刃磨成90度的麻花钻来完成的。 攻螺纹：可在用丝锥手工或利用辅助工具在车床上完成加工。 5.5 各个工序机床、加工余量、夹具、刀具的选用 ①设备选择：车削采用卧式车床，铣削采用立式铣床。 ②工装选择：粗加工时采用一夹一顶安装方式；半精加工时为保证外圆对外圆A、B 轴线的径向圆跳动为0.02mm，必须采用两顶尖对顶安装方式；铣键槽采用V 形块安装方式。 ③刀具选择：车端面时使用45°、YT15 硬质合金车刀；打中心孔时使用A 型中心钻头，根据螺纹孔直径数M10和M12据由《螺纹底孔直径尺寸表》得两个刀具钻头的直径为Φ8.5和Φ10.2；粗车时使用90°、YT15 硬质合金车刀；精车时使用90°、YT30 硬质合金车刀；切槽时使用高速钢车刀或硬质合金车刀。 ④量具选择：外径千分尺、游标卡尺及百分表等。 上压辊轴机械加工工艺卡 粗糙度加工方案机床装夹方法刀具 Φ50 车床、 磨床 双顶尖外圆车 刀、砂轮 Φ42 Ra1.6 粗车-调质-半精车车床双顶尖外圆车刀 Φ40 Ra0.8 粗车-调质-半精车-淬 火-粗磨 车床、 磨床 双顶尖外圆车 刀、砂轮 Φ40 Ra1.6 粗车-调质-半精车-淬 火-粗磨 车床、 磨床 双顶尖外圆车 刀、砂轮 左端键槽Ra6.3 铣键槽立铣或 键槽铣 床 平口虎钳 或轴用虎 钳 键槽铣刀 右端 键槽 Ra6.3 各台 阶面Ra6.3 粗车-调质-半精车车床双顶尖外圆车刀 螺纹孔钻孔（由螺纹底孔直径 尺寸表得Φ10.2）-锪孔 车床 表7 零件机械加工（冷加工） 工 序 号 工种工序内容加工简图设备1 下料 2 粗车三爪自定心卡盘夹持工 件，车端面见平，钻中心 孔。用尾架顶尖顶住，粗 车两个台阶，直径、长度 均留余量2mm 61125卧式车 床 17 调头，三爪自定心卡盘夹 持工件另一端，车端面保 证总长268mm，钻中心孔。 用尾架顶尖顶住。粗车另 外四个台阶，直径、长度 均留余量2mm 3 热处理调质处理HB220-250 4 钳修研中心孔 61125卧式车 床 18 5 半精车双顶尖装夹 半精车所有台阶，此过程 要换车刀。并切倒角两个。 61125卧式车 床 6 热处理淬火 7 粗磨采用适应性好的纵磨法在 普通外圆磨床上对尺寸精 度高且粗糙度要求为 Ra0.8的外圆面进行加工。 普通外圆磨 床 8 钳划键槽 19 第三章 物体的受力分析及受力图 § 3.1 载荷荷载分类： （1）按作用时间的久暂 恒载（dead load）：固定载荷，长期作用于结构上的不变荷载，其大小、方向、作用位置是不变的。例如结构的自重、安装在结构上的设备重量等； 活载（live load）：建筑物在施工和使用期间可能存在的可变荷载。例如吊车荷载、结构上的人群、风、雪等荷载。 （2）按荷载的作用范围 集中荷载（concentrated load）：荷载的作用面积相对于总面积是微小的。 分布荷载（distributed load）：分布作用在一定面积或长度上的荷载，如风、雪、自重等荷载。 （3）按荷载作用的性质 静荷载（static load）：大小、方向和位置不随时间变化或变化极其缓慢，不使结构产生显著的加速度。例如结构自重、楼面活载等； 动荷载（dynamic load）：随时间迅速变化或在短暂时间内突然作用或消失的荷载，使结构产生显著的加速度。 注意：车辆荷载、风荷载和地震荷载通常在设计中简化为静力荷载，但在特殊情况下要按动力荷载考虑。 （4）按荷载位置的变化 固定荷载（fixed load ）：作用位置固定不变的荷载，例如风、雪、结构自重等。 移动荷载（travelling load）：可以在结构上自由移动的荷载，例如吊车梁上的吊车荷载、公路桥梁上的汽车荷载就是移动荷载。 常见分布载荷合力作用位置 §3.2 工程常见约束与约束力 自由物体——空间运动不受任何限制的物体，如飞机、导弹、航天器 受约束物体——空间运动受到限制的物体，如汽轮机、车轮。 工程中大部分研究对象都是非自由体， 约束（constraint ）—— 物体运动过程中所受到的限制。 约束的作用一方面限制物体运动，另一方面表现为约束力。 约束力(reactions)——约束对物体的反作用力，又称约束反力。 是一种被动力，其大小不能预先确定，方向总是与约束力所能 阻止的运动方向相反。 主动力-----主动地施加于物体，改变其运动状态的力称为主动力。 主动力的大小和方向通常是预先给定的，其变化规律是空间和 时间的确定数。如重力， 在理论力学中，将物体所受约束理想化，即保留主要性质、忽略次要因素，得到几种工程中常见的约束及约束力。 二力构件及其铰链受力的分析 杨桂娟 (唐山工业职业技术学院 , 河北唐山 063020) 摘 要 : 在进行受力分析时 , 首先查找二力构件 , 可以简化受力分析 ; 在不同的情况下 , 铰链销钉可看成单独件或合 件 , 使物体分析简化 。 关键词 : 二力构件 ; 铰链 ; 受力分析 中图分类号 : T H 131 文献标识码 : A Analysis of the Forces on the Two - f orce Structural Parts an d Their Feather Joints YAN G Gui - juan ( Tangshan Indust r ial Vocatio n - Technical College , Tangshan 063020) Abstract : Doing analysis of t he fo r ces , first of all , t he t w o - fo r ce st r uct ural part s must be seeked , t hus t he analysis can be simplified. In different canditio n s , t he pin bolt s of feat her joint s may be loo k ed upo n as single part s o r resultant part s , t hus t he analysis of bo d ies can be simplified too . K ey Words : t w o - fo r ce st r uct u ral part ; feat her joint ; analysis of fo r ce 在工程力学的教学中 , “静力学”部分是重要 的基础之一 , 是将工程实物对象进行科学的抽象 , 简化为力学的计算模型 , 受力图是静力学所特有 的力学模型 。 物体的受力分析方法和准确无误地作出受力 图是静力学的重点和难点 , 适当地选择研究对象 并画出正确的受力图是求解静力学问题的第一步 , 也是学好静力学的关键 。画受力图时 , 应先找二 力构件 。画 其 受 力 图 , 再 画 其 他 物 体 的 受 力 图 , 即画出主动力和约束反力 。其中 , 约束反力分析 的重点和难点是铰链反力的分析 , 铰链反力是指 销钉对连接件的反力 。 下面介绍二力构件的分析问题 。 二力构件的结构及特点 1 二力构件的结构形状是任意的 , 点必须是铰链 (见图 1) 。 但连接的两 图 1 几种典型二力构件 12第三章 物体受力分析及受力图
二力构件及其铰链受力的分析
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