花键轴的数控加工工艺设计Word格式.docx

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本文根据该零件的图纸及技术要求，对该零件进行了详细的数控加工工艺分析，依据分析的结果，确定了该零件的加工方法、装夹方式、定位基准、使用刀具、加工顺序安排、工步划分，走刀路线和切削用量等，并编制了零件的数控加工工艺卡片、数控加工工序卡片和刀具卡片等，最后，采用手工编程编制了该零件的数控加工程序。

第二章花键轴的加工工艺

2.1花键轴的零件图

图2-1花键轴

图2-1所示为花键轴的零件图，其材料为45钢，毛坯尺寸为φ40mmX200mm（直径*长），批量生产。

2.2花键轴的加工工艺分析与设计

2.2.1工艺性分析

图2-1所示零件是花键轴，一般都是起传动作用。

它属于台阶轴类零件，由圆柱面、导角、轴肩、退刀槽、砂轮越程槽、螺纹、键槽和花键等组成。

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；

花键也是用来传递动力的，但外面要套一个东西（把转矩传给它）,并且要求花键轴与外层是可以根据工作性能与条件划动的.，

在数控车削加工中，零件车削加工成形轮廓的并不复杂，但零件的尺寸精度尤其是零件的几何精度要求较高。

该花键轴规定了主要轴颈，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，该花键轴的关键工序是轴颈和外圆的加工。

1、矩形花键轴花键两端面对公共轴线的圆跳动公差为0.03mm

2、花键外圆对公共轴心线圆跳动公差为0.04mm

3、φ20m外圆对公共轴心线圆跳动公差为0.04mm

在花键轴车削加工中，零件重要的径向加工部位有：

φ250-0.013　圆柱段，φ36花键圆柱段，φ20圆柱段，如图2-1所示。

零件重要的轴向加工部位有：

零件左端φ36花键圆柱段的轴向长度为94，零件右端φ25与零件右端φ20圆柱段的轴向长度全长为33，如图2-1所示，由上述尺寸可以确定，零件的轴向尺寸应该以零件右端面为基准。

2.2.2花键轴毛坯的确定

毛坯的形状和尺寸越接近成品零件，材料消耗就越少，机械加工的劳动量也越少，因此会提高机械加工效率，降低成本，但毛坯的制造费用就提高了。

因此，确定毛坯要从机械加工和毛坯制造两方面综合考虑，以求得最佳效果。

毛坯种类的选择

1、根据图纸规定的材料及机械性能选择毛坯

图纸标定的材料就基本确定了毛坯的种类。

该花键轴的材料是钢材，因此可直接选用钢材。

2、根据零件的功能选择毛坯

根据零件的工作条件、材料、结构特点三者综合考虑，该花键轴的材料为45号钢，且各台阶直径相差不大，因此可选用圆钢。

合理选用材料和规定热处理的技术要求，对提高轴类零件的强度和使用寿命有重要意义，同时，对轴的加工过程有极大的影响。

综合上述分析，该花键轴材料为45钢，因其属于一般传动轴，故选45钢可满足其要求。

并且各外圆直径尺寸相差不大，故选择φ40X200mm的热轧圆钢作毛坯（如图2-2）。

图2-2毛坯

2.2.3确定花键轴的主要表面的加工方法

该花键轴大都是回转表面，因此主要采用车削与外圆磨削成形。

花键齿形采用专用花键铣床铣削。

由于该花键轴的主要表面加工要求较高，零件的几何精度要求较高，表面粗糙度Ra值（Ra=0.8um）较小，故车削、铣削后还需精车、精铣削。

因此外圆表面的加工方案可为：

外圆表面的加工方案可为：

粗车→半精车→精车

键槽的加工方案可为：

粗铣→精铣

花键的加工方案可为：

2.2.4花键轴定位基准的确定

主轴主要表面的加工顺序，在很大程度上取决于定位基准的选择。

轴类本身的结构特征和主轴上各主要表面的位置精度要求都决定了以轴线为定位基准是最理想的。

这样既基准统一，又使定位基准与设计基准重合。

一般多以外圆为粗基准，以轴两端的顶尖孔为精基准。

具体选择时还要注意以下几点。

1.当各加工表面间相互位置精度要求较高时，最好在一次装夹中完成各个表面的加工。

2.粗加工或不能用两端顶尖孔定位时，为提高工件加工时工艺系统的刚度，可只用外圆表面定位或用外圆表面和一端中心孔做定位基准。

在加工过程中，应交替使用轴的外圆和一端中心孔作为定位基准，以满足相互位置精度的要求。

合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。

定位基准的选择：

力求设计、工艺和编程计算的基准统一。

尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。

避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。

该零件既是花键轴又是阶梯轴，其加工精度要求又较高，所以零件两中心孔是设计和工艺基准

由于该花键轴的几个主要配合表面及轴肩面对基准轴线没有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，所以在数控粗车加工中，该零件可以利用零件左、右端φ20的外圆柱段与B型中心孔，采用三爪自动定心卡盘一夹一顶的装夹定位方式进行装夹定位即可满足图纸要求；

在数控精车加工中，该零件利用两端B型中心孔和完成粗加工的φ20的圆柱段，采用双顶尖一鸡心夹的装夹方式进行零件的装夹定位。

零件轴向的定位基准均采选择在φ28外花键圆柱段的右端面。

2.2.5花键轴走刀路线的制定

走刀路线包括刀具的运动轨迹和各种刀具的使用顺序，是预先编制在加工程序中。

合理的走刀路线，安排刀具的使用顺序对于提高加工效率，保证加工质量是十分重要的。

走刀路线的选择：

1最短的切削进给路线切削进给路线为最短，可有效地提高生产效率，降低刀具的损耗等，在安排粗加工或半精加工的切削进给路线时，应同时兼顾到被加工零件的刚性及加工的工艺性等要求，不要故顾此失彼。

2大余量毛坯的阶梯切削进给路线根据数控车床加工的特点，还可以放弃常用的阶梯车削法，改用依次从轴向和径向进刀顺序，顺工件毛坯轮廓进给路线。

3完成轮廓的连续切削进给路线在安排可以以刀或多刀进行的精加工工序时，其零件的完工轮廓应由最后一刀连续加工完成。

这时，加工刀具的进退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿，以免由切削力突然变化而造成的弹性变形，致使光滑连接的轮廓上产生表面划伤，形状突变或滞留伤痕等缺陷。

花键轴的进给路线

1、车削右端外轮廓如图2-3所示：

图2-3右端外轮廓进给路线

2、切削右端越程槽，加工完成后回到换刀点换刀，再对退刀槽进行切削加工，完成后在回到换刀点。

图2-4右端越程槽、退刀槽走刀路线

3、车削左端外轮廓，

图2-5左端外轮廓走刀路线

4、切削左端退刀槽

图2-6左端退刀槽走刀路线

5、车左端螺纹如图2-7所示

图2-7左端螺纹的走刀路线

2.2.6花键轴热处理的工序安排

在主轴加工的整个工艺过程中，应安排足够的热处理工序，以保证主轴力学性能及加工精度要求，并改善工件加工性能。

一般在主轴毛坯锻造后，首先安排正火处理，以消除锻造内应力，细化晶粒，改善机加工时候的切削性能。

在粗加工后安排调质处理。

在粗加工阶段，经过粗车，钻床等工序，主轴的大部分加工余量被切除。

粗加工过程中切削力和发热都很大，在力和热的作用下，主轴产生很大内应力，通过调质处理可消除内应力，代替时效处理，同时可以得到所要求的韧性。

半精加工后，除重要表面外，其他表面均已达到设计尺寸。

重要表面仅剩精加工余量，这时对支承轴颈、配合轴颈、锥孔等安排淬火处理，使之达到设计的硬度要求，保证这些表面的耐磨性。

而后续的精加工工序可以消除淬火的变形。

经过对花键轴的结构及工作条件分析后确定，该轴选用45号钢的锻件毛坯，热处理技术条件如下：

整体调质后的硬度为220～250HBS

花键齿廓部分硬度为45～48HRC

生产过程中，花键轴的加工工艺路线为

备料→锻造→正火→车端面→钻中心孔→粗车各外圆→调质→修研中心孔→半精车各外圆，车槽，倒角→车螺纹→划键槽加工线→粗铣键槽→精铣键槽→磨花键→划花键键槽加工线→铣花键、花键淬火、回火→检验

2.2.7花键轴切削用量的确定

切削用量包括主轴转速、背吃刀量、进给量。

对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并应编入程序单内。

切削用量是否合理，对于能否充分发挥机床潜力和刀具切削性能，实现优质、高产、低成本和安全操作具有十分重要的作用。

合理选择切削用最的原则是：

1.粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本。

2.半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。

具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。

1、背吃刀量

的选择

背吃刀量的选择应根据加工余量和对表面质量的要求决定的。

在数控车削中，粗加工时，一次进给应尽可能除全部余量。

在中等功率机床上，背吃刀量可达8～10mm。

半精加工时，背吃刀量取为0.5～2mm。

精加工时，背吃刀最取为0.2～0.4mm。

在数控铣削加工中：

当工件表面粗糙度值要求为Ra＝12.5～25μm时，粗铣一次进给就可以达到要求。

但是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。

当工件表面粗糙度值要求为Ra＝3.2～12.5μm时，应分为粗铣和半精铣两步进行。

粗铣时背吃刀量或侧刀量选取同前。

粗铣后留0.5～1mm余量，在半精铣时切除。

当工件表面粗糙度值要求为Ra＝0.8～3.2μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。

半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2mm；

精铣时，背吃刀量取0.5～1mm。

所以根据上面的一些数据的参考可以得到：

（1）数控车床背吃刀量

当工艺系统刚性和机床功率允许的情况下，尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数。

当零件精度要求较高时，则应考虑留出精车余量，其所留的精车余量，一般比普通车削时所留余量小，常取0.1～0.5mm。

对于花键轴零件的加工，背吃刀量

的选择情况如下：

粗车外圆时，背吃刀量取3mm

精车外圆时，背吃刀量取0.5mm

车退刀槽时，背吃刀量取2mm或3mm

（2）数控铣床背吃刀量

由于键槽和花键的表面粗糙度值要求为Ra0.8μm，对于铣床来说的表面粗糙度值要求为Ra0.8～3.2μm时，应分为粗铣、精铣二步进行。

粗铣键槽时，背吃刀量取1.5mm

精铣键槽时，被吃刀量取1mm

粗铣花键时，被吃刀量取2mm

精铣花键时，被吃刀量取1mm

2、主轴转速的选择，主要考虑切削加工的经济性，必须保证刀具的经济寿命，同时切削负荷不应该超过机床的额定功率。

原则是主轴转速要根据机床和刀具的切削速度来确定。

n=1000Vc/πD（2-8）

式中，Vc－切削速度，由刀具的耐用度和机床的性能决定；

D－工件直径或刀具直径（mm）。

切削速度高，也能提高生主率，但是应先考虑尽可能采用大的背吃刀量来提高生产率。

因为切削速度Vc与刀具耐用度关系比较密切，随着Vc的加大，刀具耐用度将急剧降低，故Vc的选择主要取决于刀具耐用度。

（1）数控车床主轴转速n的选择

1）光车外圆转速。

在光车外圆时，主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具材料，以及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。

切削速度确定后，用公式计算出主轴转速。

硬质合金外圆车刀切削速度的选用参考表2.1所示。

表2.1硬质合金外圆车刀切削速度的参考值

工件材料

＝0.3～2mm

＝2～6mm

＝6～10mm

f＝0.08～0.3mm/r

f＝0.3～0.6mm/r

f＝0.6～1mm/r

Vc/（m/min）

低碳钢易切削钢

140～180

100～120

70～90

中碳钢

130～160

90～110

60～80

100～130

50～70

合金结构钢

80～110

40～60

工具钢

90～120

灰铸铁

高锰钢

-

10～20

铜及铜合金

200～250

120～180

铝及铝合金

铸铝合金

300～600

200～400

150～200

100～180

80～150

60～100

根据这个表中的背吃刀量ap，我可以找出车刀的切削速度范围。

因为花键轴的材料为45号钢属于中碳钢，所以它的转速范围在100-130m/min和130-160m/min，

在车外圆轮廓时：

粗车外圆轮廓Vc＝80m/min，精车外圆轮廓Vc＝100m/min由于工件的直径为40mm，故代入公式2－8

即粗车时n=1000*80/3.14*40＝636r/min,根据机床的转速范围，取650r/min作为粗车转速。

精车时n=1000*100/3.14*36＝884r/min,根据机床的转速范围，取850r/min作为粗车转速。

2）车螺纹时主轴的转速。

在车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距P的大小、驱动电动机的升降频特性，以及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的主轴转速选择范围。

大多数经济型数控车床推荐车螺纹时的主轴转速n为

n≤1200/p-K（2-9）

式中P－被加工螺纹的螺距或导程，mm；

K－保险系数，一般取80。

M25×

1.5的螺距P＝1.5mm，将这数据代入公式2-10得：

n≤1200/1.5-80

n≤1120r/min

所以车螺纹时n=450r/min，切槽时n=400r/min。

（2）数控铣床主轴转速n的选择

由于切削速度跟主轴转速的关系，所有在铣削的切削速度与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀具、侧吃刀量及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。

其原因是fZ、ap、ae和Z增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加、刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。

为提高刀具耐用度，允许使用较低的切削速度。

铣削加工的切削速度可从表中选取。

表2.2铣削加工切削速度参考值

硬度/HBS

Vc/（mmin-1）

高速钢铣刀

硬质合金铣刀

钢

＜225

18～42

66～150

225～325

12～36

54～120

325～425

6～21

36～75

从理论上讲，

的值越大越好，因为这不仅可以提高生产率，而且可以避免生成积屑瘤的临界速度，获得较低的表面粗糙度值。

但实际上由于机床、刀具等的限制，综合考虑：

粗铣时

=80m/min

精铣时

=100m/min

代入2－8公式：

即粗铣键槽时n粗=1000*80/3.14*20＝1200r/min

精铣键槽时n粗=1000*100/3.14*20＝1600r/min

粗铣花键时n粗=1000*80/3.14*36＝707r/min

精铣键槽时n粗=1000*100/3.14*36＝885r/min

3、进给量f的选择

刀具在进给运动方向下相对于工件的位移量，称为进给量，用刀具或工件每转或每行程的位移量f来表示，其单位用mm/r表示。

进给量f的选择应该与背吃刀具和主轴转速相适应。

在保证工作加工质量的前提下，可以选择较高的进给速度（2000mm/min以下）。

在切断、车削深孔或精车时，应选择低的进给速度。

但刀具空行程，特别是远距离“回零”时，可以设定尽量高的进给速度。

粗车时，一般取f＝0.3～0.8mm/r；

精车时，常取f＝0.1～0.3mm/r；

切断时，取f＝0.05～0.2mm/r。

表2.3为硬质合金车刀粗车外圆、端面的进给。

量参考值和按工件表面粗糙度的要求选择进给量的参考值

表2.3硬质合金车刀粗车外圆及端面的进给量

刀杆尺寸B×

H/（mm×

mm）

工件直径dw/mm

背吃刀量

/mm

≤3

＞3～5

＞5～8

＞8～12

＞12

进给量f/（mm·

r-1）

碳素结构钢

耐热钢

16×

25

20

40

60

100

400

0.3～0.4

0.4～0.5

0.5～0.7

0.6～0.9

0.8～1.2

－

0.4～0.6

0.7～1.0

0.3～0.5

0.5～0.6

0.6～0.8

20×

30

25×

0.8～1.0

1.2～1.4

0.7～0.9

1.0～1.2

0.4～0.7

铸铁

铜合金

0.5～0.8

1.0～1.4

0.5～0.9

0.9～1.3

1.2～1.8

1.2～1.6

1.0～1.3

0.9～1.1

注：

1.加工断续表面及有冲击工件时，表中进给量应乘系数k=0.75～0.85。

2.在无外皮加工时，表中进给量应乘系数k=1.1。

3.在加工耐热钢及合金钢时，进给量不大于1mm/r。

4.加工淬硬钢时，进给量应减小。

当钢的硬度为44～56HRC时，应乘系数；

当钢的硬度为57～62HRC时，应乘系数k=0.5。

根据上述表5.3中所示可以查出：

粗车每转进给量f为0.3mm/r，精车每转进给量f为0.1mm/r，最后根据公式Vf=nf计算粗车、精车进给速度分195mm/min和85mm/min。

车螺纹时，粗车进给速度为450mm/min，精车进给速度为450mm/min。

切槽刀的进给速度为45mm/min。

对于铣刀等多齿刀具，通常规定每齿进给量fz（mm），其含义是刀具每转过一个齿，刀具相对于工件在进给运动方向上的位移量。

进给量与每齿进给量的关系为：

F=

·

Z·

N（2－10）

每齿进给量fz的选取，主要依据工件材料的力学性能、刀具材料的力学性能、工件表面粗糙度等因素。

工件材料强度和硬度越高，fz越小；

反之则越大。

硬质合金铣刀的每齿进给量，高于同类高速钢铣刀。

工件表面粗糙度要求越高，fz越小。

每齿进给量的确定可参考表2.5选取。

工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。

表2.5铣刀每齿进给量参考值表

fz/mm

粗铣

精铣

0.10～0.15

0.10～0.25

002～0.05

0.12～0.20

0.15～0.30

综合选取：

粗铣

=0.15mm/z

精铣

=0.1mm/z

铣刀齿数z=2

上面计算出：

=1200r/min

=1600r/min

将它们代入式子2-10计算。

粗铣时：

F=0.15×

2×

1200=360mm/min

精铣时：

F=0.1×

1600=800mm/min

2.2.8花键轴的刀具选择

刀具的选择是数控加工工序设计的重要内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。

另外，数控加工主轴转速比普通机床高1－2倍，且主轴输出功率大，因此与传统加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。

不仅要求精度高、强度大、刚度大、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。

这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并合理选择刀具结构、几何参数。

刀具的选择应考虑工件材质、加工轮廓类型、机床允许的切削用量和刚性以及刀具耐用等因素。

一般情况下应优先选用标准刀具，必要时也可采用各种高生产率的复合刀具及其他一些专用刀具。

刀具的类型、规格和精度等