阶梯轴的工艺设计机械制造工艺学课程设计Word文档下载推荐.docx
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24
未注
12.5
轴段3端面
轴段4
轴段4端面
轴段5
17
键槽2
IT7
键槽5
表一
二、设计轴的工艺性
2.1结构工艺
轴类零件为其长度大于直径的回转体类零件，是机器中的主要零件之一。
其主要功能是支承传动件（齿轮、带轮、离合器等）和传递扭矩。
本次设计中的轴为阶梯轴，其主要表面元素为圆柱面及键槽。
该轴轴段2与齿轮配合，通过平键以传递扭矩，轴段1及轴段4与滚动轴承配合，轴段5连接半联轴器，将扭矩输出。
（零件图见图一所示）
2.2加工工艺
（1）该轴采用合金结构钢40Cr，中等精度，转速较高。
经调质处理后具有良好的综合力学性能，具有较高的强度、较好的韧性和塑性。
（2）该轴为阶梯轴，其结构复杂程度中等，其有多个过渡台阶，根据表面粗糙度要求和生产类型，表面加工分为粗加工、半精加工和精加工。
加工时应把精加工、半精加工和粗加工分开，这样经多次加工以后逐渐减少了零件的变形误差。
（3）零件毛坯采用自由锻，锻造后安排正火处理。
（4）该轴的加工以车削为主，车削时应保证外圆的同轴度。
（5）在精车前安排了热处理工艺，以提高轴的疲劳强度和保证零件的内应力减少，稳定尺寸、减少零件变形。
并能保证工件变形之后能在半精车时纠正。
（6）同一轴心线上各轴孔的同轴度误差会导致轴承装置时歪斜，影响轴的同轴度和轴承的使用寿命。
在两端面钻中心孔进行固定装夹可以有效防止径向圆跳动、保证其同轴度。
三、生产纲领的计算与生产类型的确定
机械加工的工艺规程的详细程度与生产类型有关，不同的生产类型由产品的生产纲领来区别。
3.1生产类型的确定
（1）零件的生产类型是指企业生产专业化程度的分类，它对工艺规程的制定具有决定性的影响。
机械制造的生产类型一般分为大量生产、成批生产和单件生产，成批生产分为大批生产、中批生产、和小批生产。
产量越大生产专业化程度越高。
按重型机械、中型机械、和轻型机械的年生产量列出了不同的生产类型的规范如表1
表1各种生产类型的规范
生产类型
零件的年生产纲领/件/年
重型机械
中型机械
轻型机械
单件生产
≤5
≤20
≤100
小批生产
5～100
20～200
100～500
中批生产
100～300
200～500
500～5000
大批生产
300～1000
5000～50000
大量生产
＞1000
＞5000
＞50000
3.2生产纲领的计算
（1）生产纲领是产品的年生产量。
生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺规程起着很重要的作用，它决定了各工序所需的专业化和自动化的程度以及所选用的工艺方法和工艺装备。
（2）零件的生产纲领的计算方式
N=Qn（1+α%+β%）
结合生产实际：
零件的备品率α%和零件的平均废品率β%分别取4%和6%，假定产品的年产量Q要求为200件/年，每台产品中该零件的数量为1件/台。
所以综合以上数据代入上式中得：
N=220件
（3）由零件尺寸可知其属于轻型零件，生产类型为小批量生产。
四、确定毛坯、绘制毛坯图
4.1选择毛坯
零件材料为40Cr钢，要求强度较高，且工件的形状比较简单，毛坯精度低，加工余量大，生产类型为单件小批量生产。
综上考虑，采用锻件，其锻造方法为自由锻，毛坯的尺寸精度要求为IT12以下。
4.2确定毛坯的尺寸公差
1、毛坯尺寸
由工艺人员手册可查得锻件单边余量厚度方向1.5-2mm，取2mm，水平方向为2.0-2.7mm，取2.5mm.锻件质量小于1kg，长度小于120mm，取其上偏差+0.17mm，下偏差-0.08mm。
锻件厚度尺寸小于40mm，取其上偏差+0.12mm，下偏差-0.04mm。
B/H<
1,故取起偏角为5度。
则锻件毛坯长度尺寸为
，直径尺寸为
2、毛坯公差等级
根据零件图各部分的加工精度要求，锻件的尺寸公差等级为8-12级，加工余量等级为普通级，故取IT=12级。
3、零件表面粗糙度
根据零件图可知该轴各加工表面的粗糙度至少为12.5µ
综上，锻件毛坯图如下所示。
五、拟定轴的工艺路线
5.1定位基准的选择
正确的选择定位基准是设计工艺过程中的一项重要的内容，也是保证加工精度的关键，定位基准分为精基准和粗基准，以下为定位基准的选择。
粗基准的选择
（1）粗基准的选择
应能保证加工面与非加工面之间的位置精度，合理分配各加工面的余量，为后续工序提供精基准。
所以为了便于定位、装夹和加工，可选轴的外圆表面为定位基准，或用外圆表面和顶尖孔共同作为定位基准。
用外圆表面定位时，因基准面加工和工作装夹都比较方便，一般用卡盘装夹。
为了保证重要表面的粗加工余量小而均匀，应选该表面为粗基准，并且要保证工件加工面与其他不加工表面之间的位置精度。
按照粗基准的选择原则，选择次要加工表面为粗基准。
又考虑到阶梯轴的工艺特点，所以选择φ24的外圆及一端面为粗基准。
（2）精基准的选择
根据轴的技术要求，轴的中心线为设计基准，也是测量基准，按照基准重合原则及加工要求，应选轴心线及一端面为精基准，其他各面都能以此为定位，从而也体现了基准统一的原则。
5.2零件表面加工方法的选择
本零件的加工面有外圆、端面、键槽等，材料为40Cr，参考有关资料，加工方法选择如下
24、
17外圆面：
为未注公差尺寸，表面粗糙度为Ra1.6µ
m，需进行粗车、半精车、精车。
外圆面：
公差等级为IT8，表面粗糙度为Ra1.6µ
公差等级为IT6，表面粗糙度为Ra1.6µ
m需进行粗车、半精车、精车、粗磨、精磨。
端面：
本零件端面为回转体端面，尺寸精度都要求不高，表面粗糙度为Ra3.2µ
m，需进行粗车、半精车。
键槽：
槽宽公差等级为IT7，槽深公差等级未注，表面粗糙度为Ra3.2µ
m，需采用三面刃铣刀，粗铣、半精铣
5.3工艺顺序的安排
5.3.1机械加工工序
（1）遵循先基准平面后其他的原则：
机械加工工艺安排是总是先加工好定位基准面，所以应先安排为后续工序准备好定为基准。
先加工精基准面，钻中心孔及车表面的外圆。
（2）遵循先粗后精的原则：
先安排粗加工工序，后安排精加工工序。
先安排精度要求较高的各主要表面，后安排精加工。
（3）遵循先主后次的原则:
先加工主要表面，如车外圆各个表面，端面等。
后加工次要表面，如铣键槽等。
（4）遵循外后内，先大后小原则：
先加工外圆再以外圆定位加工内孔，加工阶梯外圆时先加工直径较大的后加工直径小的外圆。
（5）次要表面的加工：
键槽等次要表面的加工通常安排在外圆精车或粗磨之后，精磨外圆之前。
（6）对于轴右端及中间轴段
加工质量要求较高的表面，安排在后面，并在前几道工序中注意形位公差，在加工过程中不断调整、保证其形位公差。
（7）按照先面后孔的原则：
先加工端面，再铣键槽。
5.3.2热处理工序的安排
在切削加工前宜安排正火处理，能提高改善轴的硬度，消除毛坯的内应力，改善其切削性能。
在粗加工后进行调质处理，能提高轴的综合性能。
最终热处理安排在半精车之后磨削加工之前。
其能提高材料强度、表面硬度和耐磨性。
在精加工之前安排表面淬火，这样可以纠正因淬火引起的局部变形，提高表面耐磨性。
5.3.3辅助工序的安排
在粗加工和热处理后，安排校直工序。
在半精车加工之后安排去毛刺和中间检验工序。
在精加工之后安排去毛刺、清洗和终检工序。
综上所述，该轴的工序安排顺序为：
下料——锻造——预备热处理
加工工序:
车端面——粗车——调质——半精车——精车——车端面——铣键槽——淬火——磨外圆——精磨——检验
六、加工阶段的划分
该轴精度要求较高，其加工阶段可划分为粗加工、半精加工、精加工阶段。
1、在粗加工阶段，粗车外圆，以高生产效率去除毛坯余量。
2、在半精加工阶段，对外圆进行半精车，铣键槽等，减小粗加工中留下的误差，使加工面达到一定的精度，为精加工做好准备。
3、精加工阶段，
、
17外圆面表面粗糙度要求为Ra1.6µ
m，对其进行精车以达到要求。
而对于
外圆面其公差等级为IT6，表面粗糙度要求为Ra1.6µ
m安排粗磨、精磨。
七、确定工艺路线
根据以上的加工工艺过程的分析确定零件的工艺路线如表三
工序号
工序名称
工序内容
1
自由锻
毛坯锻造加工
2
热处理
正火
3
车端面
车断头及端面保证端面尺寸，钻中心孔；
调头车另一端面，钻中心孔；
4
粗车
粗车轴段3外圆，以其端面为基准面，依次粗车轴段1、2外圆；
调头再以轴段3右端面为基准粗车轴段4、5；
粗车各退刀槽
5
调质
6
半精车
以轴段3外圆为基准依次半精车轴段1、2外圆；
半精车槽深0.5的2个；
调头再以轴段3外圆为基准半精车轴段4、5外圆；
半精车槽深0.5.
7
精车
用调整法找正以顶尖中心线为基准精车轴段1；
精车轴段2;
调头精车轴段4；
精车轴段5；
8
车端面保持长82；
倒角1X45调头车另一端面保持全长80；
倒角1X45度，车槽深0.3
9
粗铣键槽
铣两个宽为5的键槽
10
半精铣键槽
半精铣两个键槽
11
表面淬火
12
粗磨
粗磨轴段1；
调头粗磨轴段4
13
精磨
精磨轴段4；
调头精磨轴段1
14
检验
表三
八、选择加工设备及工艺装备
8.1机床设备的选用
零件轴的生产类型为小批量生产，可以选用较高效率的专用机床和通用机床。
根据该轴尺寸的大小要求，选用卧式车床CA6140，外圆磨床M1412,铣床X083。
8.2工艺装备的选用
1）刀具选择
因为该传动轴为阶梯轴，所以选用90度角外圆车刀（车台阶）材料为YT15
45°
刀（倒角）和切槽刀（切槽）
2）量具选择
因为该轴最大长度为86，所以选用量程0-100，精度0.05游标卡尺。
各工序具体所用工艺设备见下表
机床设备
刀具
量具
游标卡尺
20
30
CA6140
90°
刀
40
50
60
70
80
90
铣床X083
铣刀
100
110
120
M1412
砂轮
130
140
游标卡尺
表四
九、加工工序设计
9.1确定工序尺寸
（1）对轴段3外圆表面，加工工艺路线仅为粗车，由工序40组成。
可得粗车余量为4mm。
取粗车的经济精度公差等级IT11，查表可确认其公差值为0.13mm。
将上面数据填入下表
工序余量（mm）
加工经济精度（mm）
工序基本尺寸（mm）
尺寸、公差（mm）
锻造
IT12
26
IT11
表五
（2）对轴段2外圆表面加工工艺路线为：
粗车——半精车——精车。
由工序40、60、70组成，查表可得工序余量：
精车余量为0.3mm,半精车余量为1.5mm，修正后的粗车余量为6.2mm。
总加工余量为8mm。
计算各项工序尺寸：
精车后达到图纸上的尺寸
，其表面粗糙度为Ra1.6µ
精车前尺寸：
18+0.3=18.3mm
半精车前尺寸：
18.3+1.5=19.8mm
粗车前尺寸：
19.8+6.2=26mm
按照各工序所得到的经济精度所对应的值
精车的经济精度公差等级IT8，其公差值T1=0.027mm。
半精车的经济精度公差等级IT9，其公差值T2=0.043mm。
粗车的经济精度公差等级为IT11，其公差值T3=0.11mm。
将上面的数据填入下表：
0.3
19
1.5
IT9
18.3
6.2
19.8
表六
用计算法对精车径向的工序量Z2进行分析：
查表Z2=0.3mm，则半精车的基本尺寸为A2=18+0.3=18.3mm。
半精加工工序的经济加工精度等级达到IT9级。
确定公差值为0.043mm,所以A1=（18.3±
0.02）mm。
（3）轴段1、4外圆面。
其加工路线为粗车——半精车——精车——粗磨——精磨。
由工序40、60、70、120、130组成，据查到的加工余量得精磨余量为0.1，粗磨为0.25，精车为0.25，半精车为2.2，经修正后的粗车余量为6.2。
确定总加工余量为9。
计算各工序尺寸：
精磨前：
17+0.1=17.1
粗磨前：
17.1+0.25=17.35
精车前：
17.35+0.25=17.6
半精车之前：
17.6+2.2=19.8
粗车前：
19.8+6.2=26
按照加工方法能达到的经济精度给各工序尺寸确定公差,查工艺手册可知每道工序的经济精度所对应的值为：
取精磨的经济精度公差等级为IT6，其公差值为T1=0.011mm。
取粗磨的经济精度公差等级为IT7，其公差值为T1=0.018mm。
取精磨的经济精度公差等级为IT8，其公差值为T1=0.027mm。
取半精车的经济精度公差等级IT9，其公差值为T2=0.043mm。
取粗车的经济精度公差等级IT11，其公差值为T3=0.11mm。
其数据如下表
工序名称
0.1
0.25
17.1
17.35
2.2
6.4
17.6
锻造
表七
现用计算法对精磨径向的工序量进行分析：
查表得Z1=0.1mm。
则粗磨基本尺寸为A2=17+0.1=17.1mm，粗磨加工工序的经济加工精度等级为IT7级。
可确认其公差值0.018mm，故取A1=（17.1±
（4）对轴段5外圆表面，加工工艺路线为：
由工序40、60、70组成。
查工艺手册得各加工余量：
精车余量为0.3，半精车为1.5，经修正后的粗车余量为8.2。
确定总加工余量为10。
精车前：
16+0.3=16.3
半精车之前：
16.3+1.5=17.8
粗车前：
17.8+8.2=26
取精车的经济精度等级为IT8，公差值为T1=0.027mm。
取半精车的经济精度等级为IT9，公差值为T2=0.043mm。
取粗车的经济精度等级为IT11，公差值为T1=0.11mm。
将以上数据填入表格
16
16.3
8.2
17.8
表八
（5）对于键槽，可确定工艺路线：
粗铣——半精铣。
查工艺手册可知半精铣的加工余量为1.5mm，且总加工余量为6mm，则粗铣余量为4.5mm。
取半精铣的经济精度公差等级为IT7，其公差值为T1=0.039mm。
粗铣的经济精度公差等级为IT11，其公差值为T2=0.16mm。
半精铣
粗铣
4.5
6.5
表九
综合以上可得加工余量表为：
加工表面
工序余量
工序尺寸
精度等级
Φ22
轴段1、4
外圆面
半精磨
Φ17（+0.0055，-0.0055）
Φ17.1（0，-0.018）
Φ17.35（0，-0.027）
Φ17.6（0，-0.043）
Φ17.8（0，-0.11）
轴段2外圆面
Φ19（+0.021，-0.007）
Φ19.2（0，-0.043）
Φ19.8（0，-0.11）
轴段5外圆面
Φ17
Φ17.2（0,-0.043）
Φ17.8（0,-0.011）
键槽
6（0，-0.01）
6.5（0，-0.075）
表十
9.2确定工序的切削用量
确定切削用量的原则：
首先应选取尽可能大的背吃刀量，其次在机床动力和刚度允许的条件下，又满足以加工表面粗糙度的情况下，选取尽可能大的进给量。
最后根据公式确定最佳切削速度。
1）工序30，粗车轴的左右端面
该工序为两个工步，工步1是以左边定位。
粗车右端面；
工步2是以右边定位，粗车左端面。
由于这两个工步是在一台机床上经一次走刀加工完成的，故其选用的切削用量相同。
背吃刀量的确定：
根据加工余量，工步1和工步2的背吃刀量都为0.5mm
②进给量的确定：
本设计采用的是硬质合金车刀，工件材料是40Cr，查表取进给量f＝0.5mm/r
③切削速度的计算：
硬质合金车刀切削40Cr时，取切削速度V为50m/min，根据公式
，可得车床转速n=1000×
50/（
×
24）r/min=663r/min，查表CA6140的主轴转速范围为10~1400，1400~1580（r/min），符合要求。
2）工序40粗车及工序60半精车
①该工序为工步1粗车和工步2半精车，则背吃刀量依次为
ap1=z=6.2mm，ap2=z=2.2mm
②查表得粗车f1=0.81mm/r，取Vc为60m/min，则n=796r/min
③半精车，取f2=0.4mm/r，Vc为90m/min，则n=1194r/min（n=1000Vc/
d）
3）工序40、工序60的过渡面部分
粗车——半精车尺寸为φ20的轴肩两端面
粗车轴段2与轴段1的过渡端面
其切削用量与上述结论类似，不再计算
4）工序90、100粗铣及半精铣键槽
粗铣取f=2mm/rVc=60m/minn=118r/min
半精铣取f=0.8mm/rVc=74m/minn=200r/min
5）工序120、130粗磨、精磨加工轴段1、4外圆面
查表取粗磨、精磨深度进给量为分别为0.032mm，0.008mm
工件的运动速度为15m/min，18m/min
背吃刀量等于磨削余量0.25mm及0.1mm
6）其余工序
①粗车加工时，取f=0.81mm/rVc=60m/min
②半精车加工时，取f=0.51mm/rVc=90m/min
③精加工时，取f=0.2mm/rVc=120m/min
皆符合要求。
十、参考资料
【1】王先逵.机械制造工艺学［Ｍ］.北京：
机械工业出版社，2010.
【2】陈锡渠.金属切削原理与工具［Ｍ］.北京：
北京大学出版社，2010.
【3】葛金印.机械制造技术基础基本常识［Ｍ］.北京：
高等教育出版社,2008.
【4】马永杰.热处理工艺方法600种［Ｍ］.北京：
化学工业出版社，2010.
【5】邓文英.金属工艺学［Ｍ］.北京：
高等教育出版社，2008.
【6】徐学林.互换性与测量技术基础［Ｍ］长沙：
湖南大学出版社，2009.
十一、心得体会
通过此次课程设计,让我受益非浅,不仅培养了我们发现问题、分析问题、解决问题的逻辑思维能力,更重要的是学会了熟悉运用机械制造工艺学中的基本理论实际知识解决零件在加工中的定位，夹紧，以及工艺路线安排，工艺尺寸确定等问题保证加工质量。
通过这次轴的设计,让我们从机械基础到公差配合、从机械制图、计算机绘图到机床设备应用，把机械制造过程中的各种知识综合整理，又有了更高层次的理解和发现。
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