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阶梯轴说明书
机械制造技术基础
课程设计
名称:
__阶梯轴的机械加工工艺及夹具设计__
班级:
_________15级机械一班_____________
姓名:
__________________________________
学号:
__________________________________
****_________***_______________
一、阶梯轴机械加工工艺
(一)、轴的工艺分析
1.1零件的结构特点及应用
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
它在机器中主要用于支承齿
轮,带轮,凸轮以及连杆等传动件,以及传递扭矩。
按结构形式不同,轴可以分
阶梯轴,锥度分轴,空心轴,曲轴,凸轮轴,偏心轴,各种丝杆等。
它主要用
来支承传动零部件,传递扭矩和承受载荷。
轴类零件是旋转体零件,其长度大于
直径,一般由同心轴的外圆柱面,圆锥面,内孔和螺纹及相应的端面所组成。
轴
的长径比小于5的称为短轴,大于20的称为细长轴,大多数轴介于两者之间。
图示传动轴零件属于台阶轴零件,由圆柱面,轴肩,砂轮越程槽和键槽等
组成。
轴肩一般用来确定安装在轴上的零件的轴向位置,各环槽的作用是使零件
装配时有一个正确的位置,并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便;键槽用于
安装键,以传递转矩。
轴的主要作用是支承回转零件及传递运动和动力。
按照轴的承受载荷不同,轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。
工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴成为转轴,只承受弯矩的轴称为心轴,只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。
1.2传动轴图样分析
它属于台阶轴类零件,由圆柱面、轴肩、砂轮越程槽和键槽等组成。
轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置,各环槽的作用是使零件装配时有一个正确的位置,并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便;键槽用于安装键,以传递转矩。
根据工作性能与条件,该传动轴图样规定了主要轴颈,外圆以及轴肩有较高的尺寸、位置精度和较小的表面粗糙度值,并有热处理要求。
这些技术要求必须在加工中给予保证。
因此,该传动轴的关键工序是轴颈和外圆的加工。
1.下图所示零件是传动轴
图一
2.传动轴的工艺性分析
(1).尺寸精度
起支承作用的轴颈为了确定轴的位置,通常对其尺寸精度要求较高(IT5~IT7)。
装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低(IT6~IT9)。
(2).几何形状精度
轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等,一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。
对精度要求较高的内外圆表面,应在图纸上标注其允许偏差。
(3).相互位置精度
轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。
通常应
保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求,否则会影响传动件(齿轮等)
的传动精度,并产生噪声。
普通精度的轴,其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一
般为0.01~0.03mm,高精度轴(如主轴)通常为0.001~0.005mm。
(4).表面粗糙度
一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.5~0.63μm,与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.63~0.16μm。
(5).主要技术要求如下:
根据工作性能与条件,该传动轴图样规定了主要轴颈外圆,以及轴肩有较高
的尺寸,位置精度和较小的表面粗糙度值,并有热处理要求。
这些技术要求必须
在加工中给予保证。
因此,该传动轴的关键是轴颈和外圆及轴肩的加工。
(二)、毛坯的选择
2.1毛坯类型分析
机械加工常用的毛坯有铸件、锻件、型材及焊接件。
不同的毛坯种类及毛坯的精度、粗糙度和硬度等对机械加工工艺过程有着直接的影响。
还有毛坯的形状和特性,直接会影响到机械加工的难易、材料的消耗等。
轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范(如调质、正火、淬火等),以获得一定的强度、韧性和耐磨性。
钢是轴类零件的常用材料,它价格便宜经过调质(或正火)后,可得到较好的切削性能,而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能,淬火后表面硬度可达45~52HRC。
40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件,这类钢经调质和淬火后,具有较好的综合机械性能。
轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn,经调质和表面高频淬火后,表面硬度可达50~58HRC,并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能,可制造较高精度的轴。
精密机床的主轴(例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴)可选用38CrMoAIA氮化钢。
这种钢经调质和表面氮化后,不仅能获得很高的表面硬度,而且能保持较软的芯部,因此耐冲击韧性好。
与渗碳淬火钢比较,它有热处理变形很小,硬度更高的特性。
本文传动轴的制造材料(45钢),毛坯采用轧制成型,尺寸为Φ70×260mm。
(三)、选择定位基准和装夹
3.1基准的选择
粗基准选择考虑的重点是如何保证各加工表面有足够的余量,及保证不加工表面与加工表面的尺寸、位置符合零件图样设计要求。
还要考虑装夹方便、可靠,选一大端面和外圆作为定位粗基准。
精基准选择考虑的重点是如何减少误差。
保证加工精度和安装方便。
轴齿轮的设计基准是内孔,根据基准重合原则,并同时考虑统一精基准原则,选内孔作为主要定位精基准。
考虑定位稳定可靠。
选一大端面作为第二定位精基准。
在磨孔工序中。
为保证齿面与孔的同轴度,选齿面作为定位基准。
在加工环槽工序中,为装夹方便。
选外圆表面作为定位基准。
3.2工件的装夹方法选择
粗加工时,由于切削余量大,工件受的切削力也大,一般采用卡顶法,尾座顶尖采用弹性顶尖,可以使工件在轴向自由伸长。
但是,由于顶尖弹性的限制,轴向伸长量也受到限制,因而顶紧力不是很大。
在高速、大用量切削时,有使工件脱离顶尖的危险。
采用卡拉法可避免这种现象的产生。
精车时,采用双顶尖法(此时尾座应采用弹性顶尖)有利于提高精度,其关键是提高中心孔精度。
(四)、工序集中和分散考虑
4.1工序集中
工序集中就是将零件的加工集中在少数几道工序中完成,每道工序加工内容多,工艺路线短。
其主要特点是:
1.可以采用高效机床和工艺装备,生产率高;
2.减少了设备数量以及操作工人人数和占地面积,节省人力、物力;
3.减少了工件安装次数,利于保证表面间的位置精度;
4.采用的工装设备结构复杂,调整维修较困难,生产准备工作量大。
4.2工序分散
工序分散就是将零件的加工分散到很多道工序内完成,每道工序加工的内容少,工艺路线很长。
其主要特点是:
1.设备和工艺装备比较简单,便于调整,容易适应产品的变换,对工人的技术要求较低。
2.可以采用最合理的切削用量,减少机动时间。
3.所需设备和工艺装备的数目多,操作工人多,占地面积大。
综上所诉:
工序集中或分散的程度,主要取决于生产规模。
一般情况下,单件小批生产时,采用工序集中,在一台普通机床上加工出尽量多的表面;批量生产时,采用工序分散。
综上以及结合图纸要求,生产批量为中批生产,采用工序分散。
(五)、制订零件的机械加工工艺规程
5.1选择表面加工方式
1.外圆的考虑:
①生产批量较大,应采用高效加工方法;②零件热处理会引起较大变形,要保证加工面的精度和同轴度。
2.采用粗车-半精车-粗磨-精磨加工方法。
3.键槽采用铣削方法。
5.2制定工艺路线
1.划分加工阶段
该传动轴加工划分为四个阶段:
粗车(粗车外圆,钻中心孔等),半精车(半精车各处外圆,台阶和次要表面等),粗磨,精磨(粗,精磨各处外圆),各阶段划分大致以热处理为界。
2.安排加工顺序
遵循“先基准后其他”原则,首先加工精基准——钻中心及车表面的外圆。
遵循“先粗后精”原则,先安排粗加工工序,后安排精加工工序。
遵循“先主后次”先加工主要表面——车外圆各个表面,后加工次要表面——铣键槽和加工各个小槽。
遵循“先面后孔”原则,先加工左右端面,再加工各个台阶面。
3.初步拟定工艺路线
定位基准面中心孔应在粗加工之前加工,在调质之后和磨削之前各需安排一次修研中心孔的工序。
调质后修研中心孔为消除中心孔的热处理变形和氧化皮,磨削之前修研中心孔是为提高定位基准面的精度和减少圆柱面的表面粗糙度值。
拟定传动轴的工艺过程时,在考虑主要表面加工的同时,还要考虑次要表面的加工。
在半精加工Φ62mm,,Φ46mm,Φ35mm,Φ30mm,Φ24mm外圆时,应车到图样规定的尺寸,同时加工出各退刀槽,倒角;两个键槽应该在半精车后以及磨削之前铣削加工出来,这样可以保证铣键槽时有精确的定位基准,又可避免在磨削后铣键槽时破坏已精工的外圆表面。
表一传动轴的工艺路线
5.3传动轴的工艺路线
工序号
工序名称
机床设备
刀具
量具
1
下料
2
粗车左右端面,各台阶,钻中心孔
CA6140
YT15
双面游标卡尺
3
调头,粗车剩余台阶,钻中心孔
CA6140
YT15
双面游标卡尺
4
热处理,调质处理
5
修研两端中心孔
双面游标卡尺
6
半精车左右端面,各台阶
CA6140
YT15
双面游标卡尺
7
调头,半精车剩余台阶
CA6140
YT15
双面游标卡尺
8
双顶尖装夹,车螺纹,倒角
CA6140
YT15
双面游标卡尺
9
修研两端中心孔
双面游标卡尺
10
铣左右边键槽
X51
Φ6立式铣刀
双面游标卡尺
11
粗磨外圆及端面
M131W
砂轮
12
粗磨外圆及端面
M131W
砂轮
13
检查
双面游标卡尺
5.4热处理工序安排
1.锻造毛坯在加工前,均需安排正火或退火处理,使钢材内部晶粒细化,
消除锻造应力,降低材料硬度,改善切削加工性能。
2.调制一般安排在粗车之后,半精车之前,以获得良好的物理力学性能。
3.表面淬火一般安排在精加工之前,这样可以纠正因淬火引起的局部变
形。
4.精度要求高的轴,在局部淬火或粗磨之后,还需进行低温时效处理。
传动轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。
对于传动轴,正火,调质和表面淬火用得较多。
该轴要求调制处理,并安排在粗车各外圆之后,半精车各外圆之前。
综合上述分析,传动轴的工艺路线如下:
下料——车两端面,钻中心孔——粗车——调制——修研中心孔——半精车——车槽,倒角,车螺纹——划键槽加工线——铣键槽——修研中心孔——磨削——检验。
5.5轴类零件加工工艺规程注意点
轴类零件中工艺规程的制订,直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。
一零件可以有几种不同的加工方法,但只有某一种较合理,在制订机械加工工艺规程中,须注意以下几点:
1.零件图工艺分析中,需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求,且要研究产品装配图,部件装配图及验收标准。
2.渗碳件加工工艺路线一般为:
下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工(对不需提高硬度部分)→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。
3.粗基准选择:
有非加工表面,应选非加工表面作为粗基准。
对所有表面都需加工的铸件轴,根据加工余量最小表面找正。
且选择平整光滑表面,让开浇口处。
选牢固可靠表面为粗基准,同时,粗基准不可重复使用。
所以传动轴的粗基准选择为主轴外圆表面及端面。
4.精基准选择:
要符合基准重合原则,尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。
符合基准统一原则。
尽可能在多数工序中用同一个定位基准。
尽可能使定位基准与测量基准重合。
选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。
轴的精基准选择轴心线及一端面。
(六)、机床设备和工艺装备的选用
6.1选择机床
根据传动轴的工艺特性,根据不同工艺选车床。
工序3,4,7是粗车和半精车,成批生产不需要很高的生产率,故选用普通卧式车床就可以,此选用CA6140。
铣床选用X51。
该零件磨削精度不高,选用一般的磨床即可,选用M131W。
6.2选用工艺设备
1.选择夹具
该零件的加工工艺不需要专用夹具。
工艺装备采用通用夹具(三爪卡盘及顶
尖)。
2.选择刀具
刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一,不仅影响机床的加工效率,而且直接影响零件的加工质量。
应考虑以下方面:
(1).根据零件材料的切削性能选择刀具。
(2).根据零件的加工阶段选择刀具。
(3).根据加工区域的特点选择刀具和几何参数。
由于我们要加工的零件材料要求为45钢,根据要求,选择硬质合金刀。
表二各工序用的车刀类型
粗车外圆
1
90°外圆车刀
精车外圆
2
70°外圆车刀
端面
3
90°端面车刀
打孔钻头
4.5
φ18、φ45高速钢钻
内圆
6
90°内孔刀
键槽
7
3.0×13键槽铣刀3.0×13
粗车,半精车采用YT5,精车用YT15类车刀,铣刀采用直径为6mm的立式铣刀,切槽选用高速钢。
3.选择量具
车削及键槽采用测量范围为0-400mm,规格为300×0.05的双面游标卡尺,磨削采用测量范围为25-50mm,读数值为0.01mm的外径千分尺。
(七)、确定工序的切削用量及工时
零件材料为45热轧钢,毛坯尺寸Φ70×260mm
由表2-2,2-4得:
尺寸公差等级:
13加工余量等级为:
F
由表2-11得:
d=50---80粗车直径余量:
2.5mm
半精车直径余量:
2.0mm
d=30--50粗车直径余量:
2.2mm
半精车直径余量:
1.9mm
d=18--30粗车直径余量:
2.2mm
半精车直径余量:
1.5mm
由表2-14,2-15得
d=30--50,l=120--260
粗车端面余量:
1.6mm
精车端面余量:
0.8mm
由表2-18得
Φ30槽b=8槽加工余量a=1mm
Φ46槽b=14槽加工余量a=1.5mm
Φ24槽b=8槽加工余量a=1mm
工序2粗车
轴两端面260-255=5mm
ap=5mm
V粗=70~90m/min
∴n实=400r/minV实=88m/min
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=2
基本时间
min
Ф46外圆46+2=48mm
70-48=22mm
ap=22/2=11mm
V粗=70~90m/min
∴n实=400r/minV实=88m/min
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=3
基本时间
min
Ф35外圆35+2=37mm
48-37=11mm
ap=11/2=5.5mm
V粗=70~90m/min
∴n实=700r/minV实=81.4m/min
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=2
基本时间
min
Ф25外圆25+2=27mm
37-27=10mm
ap=10/2=5mm
V粗=70~90m/min
∴n实=1000r/minV实=84.8m/min
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=2
基本时间
min
=0.66+2.68+0.6+0.12=4.06min
工序3粗车
Φ6262+2.5=64.5mm
70-64.5=5.5mm
背吃刀量
=2.75mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度
=70~90m/min
转速
=
=359~462r/min
∴
=400r/min
=77.9m/min
基本时间
min
Φ3535+2.2=37.2mm
64.5-37.2=27.3mm
背吃刀量
=13.65mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=4
切削速度
=70~90m/min
转速
=
=636~818r/min
∴
=710r/min
=78.0m/min
基本时间
min
Φ3030+2.2=32.2mm
37-32.2=4.8mm
背吃刀量
=2.4mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度
=70~90m/min
转速
=
=742~955r/min
∴
=900r/min
=84.8m/min
基本时间
min
Φ2424+2.2=26.2mm
32-26.2=5.8mm
背吃刀量
=2.9mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度
=70~90m/min
转速
=
=928~1193r/min
∴
=1120r/min
=84.4m/min
基本时间
min
=0.93+0.4+0.48+0.04=1.85min
工序6半精车
Φ4646+1.5=47.5mm48-47.5=0.5mm
背吃刀量
=0.25mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度v=80-100m/min
转速η=1000v/(πd)=536~670r/min
查表4-2确定卧式车床转速η=560r/min
∴v=nπd=560×π×47.5/1000=83.6m/min
Φ3535+1.5=36.5mm37-36.5=0.5mm
背吃刀量
=0.25mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度v=80-100m/min
转速η=1000v/(πd)=698~872r/min
查表4-2确定卧式车床转速η=710r/min
∴v=nπd=81.4m/min
Φ2424+1.3=25.3mm26-25.3=0.7mm
背吃刀量
=0.35mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度v=80-100m/min
转速η=1000v/(πd)=1006~1258r/min
查表4-2确定卧式车床转速η=1120r/min
∴v=nπd=89.0m/min
Tj=(L/fn)i=[(
)/fn]i
l3=0Kr=90°时
=(2-3)
=3-5表5-49
Tj1=(120+2+3)/(0.35×560)=0.638min
Tj2=(68+2+3)/(0.35×710)=0.294min
Tj3=(15+2+3)/(0.35×1120)=0.051min
=0.638+0.294+0.051=0.983min
工序7半精车
Φ2424+1.5=25.5mm
26.2-25.5=0.7mm
背吃刀量
=0.35mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度v=80-100m/min
转速η=1000v/(πd)=998r/min~1248r/min
查表4-2确定卧式车床转速η=1120r/min
∴v=nπd=89.7m/min
Φ3030+1.5=31.5mm32.2-31.5=0.7mm
背吃刀量
=0.35mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度v=80-100m/min
转速η=1000v/(πd)=808r/min~1011r/min
查表4-2确定卧式车床转速η=900r/min
∴v=nπd=89.1m/min
Φ3535+1.9=36.9mm37.2-36.9=0.3mm
背吃刀量
=0.15mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度v=80-100m/min
转速η=1000v/(πd)=690r/min~836r/min
查表4-2确定卧式车床转速η=710r/min
∴v=nπd=82.3m/min
Φ4444+1.9=45.9mm46.2-45.9=0.3mm
背吃刀量
=0.15mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度v=80-100m/min
转速η=1000v/(πd)=554r/min~694r/min
查表4-2确定卧式车床转速η=560r/min
∴v=nπd=80.8m/min
Φ6262+2.0=64.0mm64.5-64.0=0.5mm
背吃刀量
=0.25mm
进给量f=0.35mm/r
进刀次数i=1
切削速度v=80-100m/min
转速η=1000v/(πd)=397r/min~497r/min
查表4-2确定卧式车床转速η=450r/min
∴v=nπd=90.5m/min
Tj=(L/fn)i=[(
)/fn]i
=0Kr=90°时
=(
/tankr)+(2-3)
=3-5表5-49
Tj1=(130+2+3)/(0.35×450)=0.857min
Tj2=(99+2+3)/(0.35×560)=0.531min
Tj3=(95+2+3)/(0.35×710)=0.402min
Tj4=(38+2+3)/(0.35×900)=0.137min
Tj5=(18+2+3)/(0.35×1120)=0.059min
=0.857+0.531+0.402+0.138+0.059=1.987min
工序8车螺纹
车M24×1.5-6g螺纹
主轴转速:
n=v/πd×1000=132.7r/min
切削速度:
V=10m/min
转速n取150r/min
进给量f=1mm/r
设车削三角螺纹为1mm,深度为1.1mm,车三次
车一头时长:
tj1=(l+l1+l2)/fn=(18+3+4)/1×200×3=0.375min
车另一头时长:
tj2=(l+l1+l2)/fn=(15+3+4)/1×200×3=0.33min
车螺纹总时长:
=0.705min
工序10铣键槽
Φ30Φ46键槽,Φ24止动垫圈
Φ30槽:
b=8c=16h=7n=210r/minv=5.28m/minf=0.1mm/r
Φ46槽:
b=14c=38h=9n=210r/minv=9.23m/minf=0.1mm/r
Φ24槽:
b=8h=7n=210r/minv=5.28m/minf=0.1mm/r
Φ30键槽
l1=1~2
l=16
tj=(l-d)/fMc+(h+l1)/fMc
fMc=fzzn=21
tj=8/21+8/21=0.76min
Φ46键槽
l1=1~2
l=38
tj=24/21+10/21=1.61min
Φ24止动垫圈
l1=0.5d+(1~2)
l2=1~3
i=h/ap=1
tj=(l+l1+l2)/fMz=(15+5+1)/21=1min
=t1+t2+t3=3.37min
工序12粗磨外圆及端面
粗磨Φ30:
背吃刀量
:
0.55mm
进给量f:
0.025m/r
主轴转速:
n=1591r/min
切削速度:
v=25m/s
基本时间:
t=L/(fn)=(16+0.55)/(0.025×1591)=0.42min
磨端面H:
背吃刀量
:
0.4mm
进给量f:
0.025m/r
主轴转速:
n=1591r/min
切削速度:
v=25m/s
基本时间:
t=L/(fn)=(5+0.4)/(0.025×1591)=0.14min
粗磨
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