齿轮轴的数控车削加工工艺分析与编程.docx
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齿轮轴的数控车削加工工艺分析与编程
台州科技职业学院
毕业设计（论文）
（15级）
题目齿轮轴的数控车削加工工艺分析与编程
学习类别
专业数控技术
班级（函授站）数控技术13-2
学号2013251215
学生姓名
指导教师
完成日期2015.6.12
齿轮轴的数控车削加工工艺分析与编程
摘要：
本次毕业设计是做齿轮轴的数控车削加工工艺分析与编程，根据零件的特点，针对其用途，工艺要求等，进行了加工工艺分析。
方案的确定，刀具和切削用量的选择，确定加工顺序和加工路线。
主要是在介绍典型齿轮轴的基础上，初步了解以及掌握轴的基本特点和结构，着重对典型阶的加工方法及其工艺进行了分析，了解了齿轮轴轴数控加工的工艺过程。
齿轮轴零件的主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。
齿轮轴具备传动效率高、结构紧凑和使用寿命长等一系列优点，是通用机械特别是工程机械传动中的重要零件之一。
齿轮轴加工材料、热处理方式、机械加工工艺过程的优化，将对提高齿轮轴的加工质量及寿命有着重要借鉴意义。
关键词：
加工工艺编程车削齿轮轴
一、引言
随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，数控加工技术对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为效率、质量是先进制造技术的主题。
高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
而对于数控加工，无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量，对一些工艺问题（如对刀点、加工路线等）也需要一些处理。
并在加工过程掌握控制精度的方法，才能加工出合格的产品。
轴有多种分类法，按轴的受载情况可分为芯轴、传动轴和转轴三种。
芯轴工作时只承受弯曲载荷而不传递转矩，传动轴工作时只传递转矩而不承受或承受很小弯曲载荷转轴工作时既承受弯曲载荷又传递转矩。
按轴的结构形状不同又可分为直轴与曲轴光轴与阶梯轴、实心轴与空心轴、刚性轴与挠性轴等。
其中齿轮轴在机械中应用广泛，齿轮轴是现代机械中应用最为广泛的一种传动零件，广泛适用于机械、汽车、航空、印刷、仪器仪表及矿山行业。
我国是一个机械大国，但不是机械强国。
尤其是我国很多中小企业用的设备是十年以前、甚至是二十年以前的设备，生产设备相对落后。
齿轮轴的种类多种多样，但是每一种齿轮都有一定的特点，如何在现有设备的条件下，从夹具，刀具，加工工艺等方面综合考虑，针对每一种齿轮轴制造过程编制工艺，从而生产出高质的齿轮，就显得尤为重要。
二、齿轮轴的加工工艺分析
如图2.1齿轮轴的结构图
1.选定设备：
数控车床CA6140数控铣床
齿轮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.齿轮轴的特点和结构的工艺性分析
如图2.1所示的齿轮轴是某型号的输入齿轮轴，属于阶梯轴，由花键，圆柱面，圆弧面，轴肩，齿轮等不同形式的几何实体组成。
齿轮轴的精度要求高，输入齿轮轴加工难度大，必须对齿轮轴加工过程中的一些重要问题，如材料，基准，热处理等做出正确的选择和分析，才能保质保量的完成齿轮轴的加工。
齿轮轴的位置精度要保证轴线的平行度、端面的垂直度以及轴的同轴度。
此零件中涉及两段与基本轴线的同轴度。
轴肩端面与基本轴线的垂直度，还有键槽对所在的轴的对称度。
中间的轴肩起定位作用，且两面与轴承接触，故对其靠近轴承的端面应提出平面度要求，同时需要提出与轴线的垂直度要求，防止产生偏心。
3.材料的选用
传动机械齿轮轴常用的材料可选用优质炭素结构钢中的45钢，合金钢中的40Cr，20MnTi等。
该齿轮轴我们选用45号钢才材料。
由于齿轮轴机械强度要求，各阶梯直径相差较大，为减少材料消耗和机械加工的劳动量，通常选择锻件毛坯。
尺寸大的齿轮轴通常选择自由锻件，中小型齿轮轴可以选择锻件，一些小齿轮轴也可以制成整体毛胚。
若锻件毛胚为锤上钢质自由锻件，其机械加工余量与公差应遵循GB/T15826系列，若毛胚为铜制模锻件，其机械加工余量与公差应遵循GB/T12362系列标准。
锻件毛胚应防止晶粒不均匀，裂纹，龟裂等由于锻造工艺不当所产生的锻造缺陷。
4.热处理工序的安排
预备热处理的目的是改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织。
本设计热处理工艺有退火、正火、时效、调质。
（1）退火和正火：
退火和正火用于经过热加工的毛坯。
含碳量大于0.5%的碳钢和合金钢，为降低其硬度易于切削，常采用退火处理；含碳量低于0.5%的碳钢和合金钢，为避免其硬度过低切削时粘刀，而采用正火处理。
退火和正火尚能细化晶粒、均匀组织，为以后的热处理作准备。
（2）时效处理：
时效处理主要用于消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力。
为避免过多运输工作量，对于一般精度的零件，在精加工前安排一次时效处理即可。
但精度要求较高的零件，应安排两次或数次时效处理工序。
简单零件一般可不进行时效处理。
除铸件外，对于一些刚性较差的精密零件，为消除加工中产生的内应力，稳定零件加工精度，常在粗加工、半精加工之间安排多次时效处理。
（3）调质：
调质即是在淬火后进行高温回火处理，它能获得均匀细致的回火索氏体组织，为以后的表面淬火和渗氮处理时减少变形作准备，因此调质也可作为预备热处理。
5.确定主要表面加工方法和加工方案
轴主要是采用车削和外圆磨削，但是该齿轮轴有键槽，需要在铣床上加工。
由于该轴主要表面公差等级要求不是很高，表面粗糙度值较小，所以不需要磨削加工，。
6.划分加工阶段
该轴加工划分为三个加工阶段，即粗车（粗车外圆、钻中心孔），半精车（半精车各处外圆、台肩和修研中心孔等），即铣键槽。
各加工阶段大致以热处理为界。
7.加工顺序安排
除了应遵循加工顺序安排的一般原则，如先粗后精、先主后次等，还应注意：
（1）外圆表面加工顺序应为，先加工大直径外圆，然后再加工小直径外圆，以免一开始就降低了工件的刚度。
（2）轴上的花键、键槽等表面的加工应在外圆精车或粗磨之后，精磨外圆之前。
轴上矩形花键的加工，通常采用铣削和磨削加工，产量大时常用花键滚刀在花键铣床上加工。
以外径定心的花键轴，通常只磨削外径，而内径铣出后不必进行磨削，但如经过淬火而使花键扭曲变形过大时，也要对侧面进行磨削加工。
以内径定心的花键，其内径和键侧均需进行磨削加工。
（3）轴上的螺纹一般有较高的精度，如安排在局部淬火之前进行加工，则淬火后产生的变形会影响螺纹的精度。
因此螺纹加工宜安排在工件局部淬火之后进行。
8.加工基准的选择
粗基准的选择。
为保证不加工表面与加工表面之间的位置要求应选用不加工表面为粗基准；如果零件上有不需加工的表面，则应选择该面作粗基准；当零件上有几个不需加工的表面时，应选择与加工表面之间相互位置精度要求较高的表面作粗基准；为保证工件某重要表面的余量均匀，选择该表面为粗基准，选择重要表面或加工余量最小的表面作为粗基准；若工件所有表面都需加工，应选择工件上的重要表面或加工余量最小的表面作为粗基准可使各加工表面都有足够的加工余量，并使重要表面的余量均匀；选择较为平整光洁、面积较大的表面作粗基准。
依据以上原则本设计粗车时以外圆和两端面为粗基准
精基准的选择。
用工序基准做精基准，实现基准重合，以免产生基准不重合误差；当用一组精基准定位可以较方便加工其它各表面时，应尽可能多采用此组精基准定位，实现基准统一，减少工装费用，避免基准转换误差；当精基准要求加工余量小而且均匀时，应选择加工表面自身为精基准，实现自为基准原则;为获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可遵循互为基准，反复加工原则；选择定位准确、稳定、夹紧可靠，使夹具结构简单原则。
依据以上原则本设计精车时以两侧端面中心孔为精基准。
选择定位基准：
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。
9.尺寸精度要求
根据图纸上的标注，零件上有很多尺寸要求，有同轴度、圆跳动、表面粗粗糙度等等。
同轴度的误差基本含义是指被测圆柱面轴线对基准线不共轴的程度，根据定位最小包容区的概念，用与基准轴线同轴的圆柱面来包容被测圆柱面的实际轴线，在被测长度内，最小包容圆柱面的直径准就是同轴度误差。
即图纸上的A跟B同轴度为0.03。
圆跳动公差是在被测要素在某一固定参考点基准轴线旋转一周时，指示器值所允许的最大变动量。
即图纸上AB圆跳动值不能大于0.03.
表面粗糙度原称表面光洁度，是指加工表面上所具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，通俗的讲，就是指零件表面经加工后遗留的痕迹，在微小的区间内形成的高低不平的程度用数值表现出来，作为评价表面状况的一个依据。
即图纸上零件表面粗糙度值为1.6。
其余的为3.2
10.切削用量的选择
根据零件“齿轮轴”的使用性能、劳动强度确定采用棒料，材料45号钢，结合加工工艺分析，分别确定加工余量、工序尺寸及主尺寸如下：
（其中2Z为直径上的加工余量）
1.外圆表面轮廓只需粗车、半精车、精车可达到要求。
外圆加工余量的确定：
外圆加工直径余量（mm），粗车1.5~4mm，半精车0.5~2.5mm。
粗车：
加工余量2Z=3mm；半精车：
加工余量2Z=1.5mm。
2.外圆表面轴向长度方向的加工余量：
总长余量2Z=5mm。
12工艺路线的安排：
退火（正火）——粗车——半精车——调质（硬度200——250HB）——铣键槽——精加工（外圆、螺纹）
13.加工工工艺卡
机械加工工艺过程卡片
产品型号
项目一
零件图号
产品名称
轴类类零件
零件名称
齿轮轴
材
铁块
毛坯种类
锻件
毛坯外形尺寸
备注
工序号
工序名称
工序内容
车间
设备
刀具
夹具
1
下料
直径45长度150mm的铁块
机加工实训车间
2
粗车
三爪卡盘夹住工件一半，车平一个端面，以这个端面为基准，x轴车50mm进去。
直径40，留一个毫米的余量。
CA6140
90°的车刀
三爪自定心卡盘
33
粗车
车直径为16的，保留一个毫米的余量，车到直径为17，x轴向里走17mm。
CA6140
90°的车刀
4
精车
精车直径39的外圆，转速调快，上下偏差为0.025~0.050
CA6140
90°的车刀
5
粗车
工件调头，加紧直径40的大圆，车削一个端面，然后车直径16的小圆，保留一个毫米的余量，长度保证100mm。
CA6140
90°的车刀
6
粗车
以直径16的端面为基准，x轴车36mm进去，直径保证在15.
CA6140
90°的车刀
7
粗车
车x轴进去100mm的，退刀槽。
宽度2mm.深度1mm.
CA6140
宽2mm的切槽刀
8
精车
车直径15的端面，长度保证在32mm，x轴慢慢车进4毫米
CA6140
90°的车刀
9
精车
车螺纹刀的退刀槽，宽2.5mm，深为2mm
CA6140
宽2mm的切槽刀
10
精车
车M12的螺纹，长度为15.5.转速调慢。
CA6140
螺纹刀
11
精车
车直接16的小圆，上下偏差为0.016~0.034mm
CA6140
90°的车刀
12
精车
调头精车装夹直径39的外圆，车直径为16的小圆，上下偏差0.016~0.034.倒角C1
CA6140
90°的车刀
13
粗车
车退刀槽，深度为1
CA6140
宽2mm的切槽刀
14
粗车
根据图纸上的要求，倒角为c1
CA6140
45°的车刀
15
铣床
在铣床上，铣出键槽，长度12mm，宽度4mm
数控铣床
铣刀
夹头
三、程序编制齿轮轴的加工
1.数控车削加工过程
（1）工件安装与校正：
采用三爪自定心卡盘进行装夹。
根据加工要求，完成工件的正确装夹，并用百分表进行找正。
（2）程序输入、编辑、保存。
（3）数控车床电源的启动，做好检查工作。
（4）返回参考点（回零）。
（5）设置编程原点（建立工件坐标系）。
（6）设置刀具刀尖圆弧半径补偿。
（7）数控车床试运行。
（8）自动加工。
（9）工件检测。
（10）数控车床关机。
2.编写程序
左边一头先车（程序如下）毛胚φ40X140mm;
O0001
G98G40G21G90G54
G28U0W0
M3S500T0101（外圆车刀）;
G0X42Z2
G1Z0F150
X-1
G0X42Z2
G71U2R1
G71P1N2U0.2W0.1S1000F100
N1G1X14
Z0
X16Z-1
Z-17
X37
X39Z-18
N2Z-50
G70P1Q2
G0X100Z100
T0202S150（切槽刀刀宽为2mm）
G0x41z-17
G1x12F100
G0X100
Z100
G28
M30
右边带螺纹一头程序
O0002
G98G40G21G90G54
G28U0W0
M3S600T0101
G0X42Z2
G1Z0F150
X-1
G0X42
Z-1
G1X-1（保证总长138mm）
G0X42
Z-1.98
G1X-1
G0X42Z2
G71U2R1
G71P3N4U0.2W0.1S1000F100
N3G1X8.98
Z0
X11.98Z-1.5
Z-18
X14
Z-32
X13
X16W-1.5
Z-96
N4X42
G70P3Q4
G0X100Z100
M3S450T0202（切槽刀，刀宽为2mm）
G0x16z-18
G1X9.5F80
G0X16
W0.5
G1X9.5
G0X18
Z-95
X42
Z-96
G1X15
G0X100
Z100
M3S600T0303（螺纹车刀）
G0X14Z2
G92X11Z-17F1.5
X10.6
X10.4
X10.2
X10.02
X10.02
G28U0W0
M30
3.仿真与实验
为了验证以上程序，我们在实训中心进行了仿真实训，通过实际仿真，发现经我们数控车床加工出来的阶梯轴，零件的表面的的光泽度明显提高，相对与普车加工，效果更加的明显。
图3.1实际加工阶梯轴零件
4.加工注意事项
（1）在程序的输入、编辑、保存过程中，必须做到字母、数字和符号输入正确。
（2）数控车床必须进行回零操作。
（3）要检查程序中的刀位号和车刀安装的位置是否一致。
（4）螺纹加工时，两端应设置升速进刀段和降速退刀段。
（5）螺纹加工宜采用恒转速控制功能。
（6）严格按照数控机床安全操作规程进行操作
四、总结
通过对于阶梯轴的加工工艺分析，很好的认识了工艺对于零件的加工很有重要意义。
了解了轴的基本分类，阶梯轴的普车加工和数控加工。
在这几天的设计过程中很好的认识了工艺的重要性和自身的对于加工工艺的不足，同时这次的加工工艺分析很好的补充了这一点缺憾，给自己的专业知识很好的补充，同时也使我自己认识到自己还有很多东西都不知道，需要进一步努力。
感谢老师和同学的大力支持。
五、致谢
在这次的毕业设计中，让我深深地体会到阶梯轴的加工看似简单，但需要较好的完成也十分不容易，它需要具有全面的专业知识、缜密的思维、严谨的工作态度和吃苦耐劳的精神以及较高的分析问题、解决问题的能力，还要多问多看。
在这里我要衷心地感谢我的指导老师俞红梅老师，我从她身上学到了很多东西。
她认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我受益匪浅。
尤其是认真负责的工作的态度，让我感到她是一位对我无私奉献的老师。
无论在理论分析上，还是在实践指导中，她都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高，这对于我以后的工作和学习都有很大的帮助。
感谢他耐心的辅导与帮助，使我能够及时、顺利地完成此次的毕业设计。
2015年5月15日
参考文献
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[5]吴晓蓉,张晓燕,许惠良.浅谈机械阶梯轴的特点和基本结构[J].江中国科技信息,2006.
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