变速器输出轴制造工艺及其夹具设计.docx

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变速器输出轴制造工艺及其夹具设计

摘要

现代机械加工行业发生着深刻的结构性变化，工艺工装的设计与改良已成为相关企业生存和发展的必要条件。

动力装置行业作为一个传统而富有活力的行业，近十几年取得了突飞猛进的发展。

在新经济时代，这一行业呈现了新的发展趋势，由此对其动力装置的质量、性能产生了新的变化。

输出轴作为动力装置的主要零件，工艺工装的设计与改良直接影响着其质量与性能。

变速器2轴其实就是变速器的输出轴，输出轴零件的主要作用是支撑零件、实现回转运动并传递转矩和动力。

可见它的作用是相当的大，其质量直接影响着变速器的性能，所以输出轴零件的机械综合性能要求较高，因此设计要求也比较高。

此次设计以典型变速器输出轴为题材进行零件的机械加工工艺设计和自动夹具设计。

关键词：

输出轴；工艺；夹具；设计

Abstract

Themodernmachine-finishingprofessionishavingtheprofoundconstitutivechange,thecraftworkclothesdesignandtheImprovementhasbecomethecorrelationenterprisesurvivalandthedevelopmentessentialcondition.Thepowerunitprofessiontakesatraditionbuttherichvigorprofession,intherecentseveralyearshasobtainedthedevelopmentwhichprogressesbyleapsandbounds.Intheneweconomicaltime,thisprofessionhaspresentedtherecentdevelopmenttendency,fromthistoitspowerunitquality;theperformancehashadthenewchange.Theoutputshafttookthepowerunitthemajorparts,thecraftworkclothesdesignandtheimprovementdirectlyisaffectingitsqualityandtheperformance.Thetransmissionofthe2axisisanoutputshaftofthetransmission,themainfunctionofoutputshaftpartsofthesupportingparts,rotarymotionandtransfertorqueandpower.It'sroleisverybig,itsqualitydirectlyaffectstheperformanceofthetransmission,sotheoutputshaftpartsofthecomprehensivemechanicalperformancerequirementshigher,sothedesignrequirementsarerelativelyhigh.Thedesignofthemachiningprocessinatypicaltransmissionoutputshaftasthethemeofthedesignofpartsandautomaticfixturedesign.

Keywords：

Theoutputshaft；technology；fixture；design

1.引言

1.1课题设计的目的和意义

毕业设计是对我们大学所学知识的一次综合性考验。

使我们综合运用所学过的基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。

我们在完成毕业设计的同时，也培养了我们正确使用技术资料、国家标准、有关手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件等方面的工作能力，也为我们以后的工作打下了坚实的基础。

机械加工工艺是实现产品设计，保证产品质量、节约能源、降低成本的重要手段，是企业进行生产准备，计划调度、加工操作、生产安全、技术检测和健全劳动组织的重要依据，也是企业上品种、上质量、上水平，加速产品更新，提高经济效益的技术保证。

然而夹具又是制造系统的重要组成部分，工艺对夹具的要求也会提高，专用夹具、成组夹具、组合夹具和随行夹具都朝着柔性化、自动化、标准化、通用化和高效化方向发展以满足加工要求。

因此，好的夹具设计可以提高产品劳动生产率，保证和提高加工精度，降低生产成本等，还可以扩大机床的使用范围，从而使产品在保证精度的前提下提高效率、降低成本。

当今激烈的市场竞争和企业信息化的要求,企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。

所以对机械的加工工艺及夹具设计具有十分重要的意义。

此次设计的目的和意义在于：

（1）培养综合分析和解决本专业的一般工程问题的独立能力，拓宽和深化所学知识。

（2）培养树立正确的设计思想、设计思维，掌握工程设计的一般程序、规范和方法的能力。

（3）培养正确地使用技术知识、国家标准、有关手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件等方面的工作能力。

（4）培养自己进行调查研究、面向实际、面向生产，向工人和工程技术人员学习的基本工作态度、工作作风和工作方法。

（5）熟悉轴类零件加工工艺过程和掌握夹具设计的方法步骤，为以后从事相关的技术性工作打下坚实的基础。

（6）通过对输出轴零件的机械加工工艺设计，使我们在机械制造工艺规程设计，工艺方案论证，机械加工余量计算，工艺尺寸的确定，编写技术文件及查阅技术文献等各个方面得到一次综合性训练。

初步具备设计一个中等复杂程度零件工艺规程的能力。

（7）能根据被加工零件的技术要求，运用夹具设计的基本原理和方法，拟定夹具设计方案，完成夹具机构设计，初步具备设计出高效、省力、经济合理并能保证加工质量的专用夹具的能力。

（8）通过零件图、装配图的绘制，使我们进一步熟练绘图软件的使用。

熟悉和掌握我国相关的制图标准和要求。

本次毕业设计的主要内容为：

首先根据老师给定的输出轴进行研究、测量，认真绘出变速器2轴的零件图纸，明确相关技术要求和加工质量要求，然后根据图纸上相关要求等确定该零件的生产类型，经分析本次设计的零件属大批量生产。

其次，对零件进行工艺分析，确定毛坯类型和制造方法，变速器输出轴的材料为45钢。

可采用以锻造的形式进行毛坯的制造，然后根据图纸要求构思输出轴的加工工艺过程，每道工序都选用最佳的工艺方案，最终根据实际生产条件和相关要求确定最佳工艺方案，完成机械加工工序设计，进行必要地经济分析。

最后，对某道加工工序进行自动夹具的设计。

这次自动夹具的设计，我选定的是滚斜锥齿轮这道工序，先对滚齿工序进行了手动夹具的设计，然后在手动夹具的基础上进行修改，再改成自动夹具，并绘制装配图和零件图以及液压回路图等相关图纸。

1.2变速器2轴的现状和发展趋势

新技术新工艺不断得到应用随着全球能源及原材料价格的不断上涨，汽车销售价格的下降，要求汽车变速器向着体积小、质量轻、承载能力大、结构紧凑上发展。

这就要求零件设计结构、机械性能也要相应有所改变，向着小巧紧凑，高强度、高刚性方向改进，进而也要求有新技术、新工艺来保证能够制造出来。

目前的变速器大部分是采用手动换挡型式。

变速器的2轴是制造技术的主要核心零件，涉及生产、装配总成、试验检测等工艺过程。

根据产品设计要求，轴零件加工工艺流程采用的是锻造制坯→正火→车加工→滚/插齿→剃齿→热处理→磨加工→修整，热后齿部不再加工。

这种流程适宜于大批量生产的模式。

了解到国内汽车变速器生产厂家了解到在同等级别的产品中，轴零件加工也基本上是这种模式，如上海汽车齿轮总厂、杭州依维柯汽车变速器有限公司、北京MOBIS变速器有限公司等。

据业内预测，2013年欧洲变速器市场上的统计数据将会改变，配备手动变速器的汽车将占52%，配备自动手动变速器的将占10%，配备无级变速器的将占2%，配备双离合器变速器的将占16%，配备自动变速器的将占20%。

但也有业内专家指出，预测都是根据现有的变速器种类进行的，新变速器产品还在不断研发过程中，因此今后汽车市场的变速器情况可能还会出现一些变化。

目前，许多变速器生产企业正在研发一些燃油经济性更好、换挡性能更高的变速器，以满足市场上的多层次需求。

2.技术背景

2.1轴类零件的特点及技术要求

输出轴零件的主要作用是支撑零件、实现回转运动并传递转矩和动力。

输出轴零件的机械综合性能要求较高。

轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。

它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况，轴承的类型与尺寸，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。

2.1.1轴类零件的功用和结构特点

轴类零件是机械加工中经常遇到的零件之一，在机器中，主要用来支承传动零件（齿轮、带轮，离合器等），以实现运轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。

它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况，轴承的类型与尺寸，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。

动和动力的传递，如机床主轴；有的用来装卡工件，如心轴。

轴类零件是回转体零件，其长度大于直径。

一般由同轴心线的圆柱面、圆锥面、螺纹和相应的端面所组成，有些轴上还有花键、沟槽、径向孔等。

按结构形状的不同，轴可分为光轴、阶梯轴、空心轴和异型轴。

若按轴的长度和直径的比例来分，又可分为刚性轴（L/d≤12）和挠性轴（L/d＞12）两类。

2.1.2轴类零件的主要技术要求

（1）尺寸精度：

支承轴颈与轴承的内圈配合，是轴类零件的主要表面，它影响轴的旋转精度与工作状态，尺寸精度要求较高，通常为IT5~IT7；配合轴颈与各类传动件配合，其精度稍低，常为IT6~IT9。

（2）形状精度：

主要指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度，一般为6~9级，形状精度的选择要和尺寸精度相适应。

（3）位置精度：

包括内、外表面、重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等，一般为5~10级。

（4）表面粗糙度：

轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确定。

支承轴颈常为0.2~1.6μm，传动件配合轴颈为0.4~3.2μm。

（5）平衡：

对于回转速度较高的零件或异形回转体，还要对其进行静、动平衡。

2.2轴类零件的毛坯和材料

（1）轴类零件的毛坯

轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。

对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。

根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。

中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。

（2）轴类零件的材料

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。

45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。

2.3零件的相关加工机床

在金属切削机床中，普通车床是使用广泛的一种，它适用于加工各类轴类、套筒类和盘类零件中的回转表面，能完成钻中心孔、车外圆、车端面、钻孔、镗孔、铰孔及切断、车螺纹、滚花、车锥体、车特形表面攻丝等。

因此输出轴的主要机床就是车床。

（1）普通车床普通车床的加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。

这种车床主要由工人手工操作，生产效率低，适用于单件、小批生产和修配车间。

如CA6140、CA6240、CA6132、CA6232等。

（2）转塔车床和回转车床转塔车床和回转车床具有能装多把刀具的转塔刀架或回轮刀架，能在工件的一次装夹中由工人依次使用不同刀具完成多种工序，适用于成批生产。

（3）自动车床自动车床能按一定程序自动完成中小型工件的多工序加工，能自动上下料，重复加工一批同样的工件，适用于大批、大量生产。

（4）多刀半自动车床多刀半自动车床有单轴、多轴、卧式和立式之分。

单轴卧式的布局形式与普通车床相似，但两组刀架分别装在主轴的前后或上下，用于加工盘、环和轴类工件，其生产率比普通车床提高3～5倍。

（5）仿形车床仿形车床能仿照样板或样件的形状尺寸，自动完成工件的加工循环，适用于形状较复杂的工件的小批和成批生产，生产率比普通车床高10～15倍。

有多刀架、多轴、卡盘式、立式等类型。

（6）立式车床立式车床的主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横梁或立柱上移动。

适用于加工较大、较重、难于在普通车床上安装的工件，一般分为单柱和双柱两大类。

（7）铲齿车床铲齿车床在车削的同时，刀架周期地作径向往复运动，用于铲车铣刀、滚刀等的成形齿面。

通常带有铲磨附件，由单独电动机驱动的小砂轮铲磨齿面。

（8）专门车床专门车床是用于加工某类工件的特定表面的车床，如曲轴车床、凸轮轴车床、车轮车床、车轴车床、轧辊车床和钢锭车床等。

    联合车床主要用于车削加工，但附加一些特殊部件和附件后，还可进行镗、铣、钻、插、磨等加工，具有“一机多能”的特点，适用于工程车、船舶或移动修理站上的修配工作。

该设计中主要运用的车床为CA6140型卧式车床。

2.4零件在产样品、厂商

　重庆青山工业有限责任公司系中国兵器装备集团公司所属的国有大型工业企业。

公司始建于1965年1月，经过40余年的发展，资产总额逾27亿元。

公司专业从事各类汽车变速器的研发、生产和销售。

经过多年的发展建设，逐步形成了重庆、成都、柳州、郑州四大生产基地,年产能力达220万台，搭建了MT-AMT-DCT-新能源四大产品平台，是迄今中国产销规模最大、产品谱系最全的乘用车变速器专业企业。

公司技术力量雄厚，自主研发能力强，拥有多项国家专利，创建了目前行业内唯一一家国家级技术中心，具备国内领先、国际同等水平的设计、分析、试制、试验、匹配五大能力，自主研发出国内第一款AMT自动变速器并实现产业化，代表行业制定并发布了多项行业标准。

　　公司管理运作规范，品质保证体系完善，精益制造和精益管理体系健全。

先后通过了ISO/TS16949质量管理体系认证和GB/T24001、GB/T28001环境与职业健康安全管理体系认证；在全行业率先实施了精益制造和ERP系统，拥有精益的装配生产线和国际领先水平的加工、检测、理化、计量仪器等设备。

2.5相关专利解释说明

本实用新型提供一种轴，包括轴心杆；一个或多个异型套，所述异型套均具有一个与所述轴心杆相适配的套孔，所述异型套紧固在所述轴心杆上。

采用轴心杆和异型套的分别加工，使得加工零件结构简单，易操作，而且能同时加工，加快轴的制作时间。

轴，其特征在于：

包括轴心杆；一个或多个异型套，所述异型套均具有一个与所述轴心杆相适配的套孔，所述异型套紧固在所述轴心杆上。

.根据权利要求1所述的轴，其特征在于：

所述异型套有三个，包括一个六边形筒体异型套、一个圆筒体异型套和一个侧面由平面和弧面形成的不规则筒体异型套。

根据权利要求1或者2所述的轴，其特征在于：

所述异型套通过过盈配合或者焊接固定在所述轴心杆上。

3.变速器2轴的机械加工工艺设计

3.1零件的作用

变速器是将发动机的转速一定的情况下，输出不同的转速，并且可以控制转向。

本设计所设计的零件是变速器的输出轴，它是动力输出的主要零件。

该轴在工作中需要承受一定的冲击载荷和较大的扭矩。

因此，该轴应具有足够的耐磨性和抗扭强度，其工艺工装的设计与改良直接影响着其质量与性能。

该轴应具有足够的耐磨性和抗扭强度。

设计中一定要注意表面热处理。

因为它是动力输出的关键零件之一，它的加工质量对汽车的安全性和稳定性都有很大的影响。

各部分尺寸零件图中详细标注如下：

图3.1变速器2轴零件图

3.2零件的工艺分析

通过对变速器2轴零件图的绘制，该零件的基本工艺状况已经大致掌握。

主要工艺状况如下叙述：

零件的材料为45号钢，45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工。

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。

根据对零件图的分析，该零件需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求如下：

φ40、φ38、φ32、φ26、φ24。

这些表面加工要求比较高，表面粗糙度为1.6，是输出轴的重要部位。

还有一个是斜锥齿轮，该工艺须用到格里森滚齿机加工，不是一般的滚齿机能加工出来的，但是该轴是阶梯轴并没有复杂的加工曲面，属于较为简单的零件，所以根据各加工表面的技术要求采用常规的加工工艺均可保证。

3.3确定零件的生产类型

零件的生产类型是指企业生产专业化程度的分类，一般可分为大量生产、成批生产和单件生产三种类型，在实际生产中一般分为单件小批生产、中批生产、大批大量生产。

不同的生产类型有着完全不同的工艺特征，它对工艺规程的制订具有决定性的影响。

零件的生产类型是按零件的年生产纲领和产品特征来确定的。

生产纲领是指企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。

年生产纲领是包括备品和废品在内的某产品年产量。

零件的生产纲领N可按下式计算：

式中：

N----零件的生产纲领

Q----产品的年产量（台、辆/年）

m----每台（辆）产品中该零件的数量（件/台、辆）

a%---备品率，一般取2%-4%

b%---废品率，一般取0.3%-0.7%

根据本零件的设计要求，Q=10000台，m=1件/台，分别取备品率和废品率3%和0.5%，将数据代入生产纲领计算公式得出N=10351件/年，零件质量为6kg左右，根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》表1-3，表1-4可知该零件为轻型零件，本设计零件变速器输出轴的生产类型为轻型大批量生产。

3.4选择毛坯种类，绘制毛坯图

3.4.1选择毛坯种类

机械加工中毛坯的种类有很多种，如铸件、锻件、型材、挤压件、冲压件、焊接组合件等，同一种毛坯又可能有不同的制造方法。

为了提高毛坯的制造质量，可以减少机械加工劳动量，降低机械加工成本，但往往会增加毛坯的制造成本。

选择毛坯的制造方法一般应当考虑一下几个因素。

（1）材料的工艺性能

材料的工艺性能在很大程度上决定毛坯的种类和制造方法。

例如，铸铁，铸造青铜等脆性材料不能锻造和冲压，由于焊接性能差，也不宜用焊接方法制造组合毛坯，而只能用铸造。

低碳钢的铸造性能差，很少用于铸造；但由于可锻性能，可焊接性能好，低碳钢广泛用于制造锻件、型材、冲压件等。

（2）毛坯的尺寸、形状和精度要求

毛坯的尺寸大小和形状复杂程度也是选择毛坯的重要依据。

直径相差不大的阶梯轴宜采用棒料；直径相差较大的宜采用锻件。

尺寸很大的毛坯，通常不采用模锻或压铸、特种铸造方法制造，而适宜采用自由锻造或是砂型铸造。

形状复杂的毛坯，不宜采用型材或自由锻件，可采用铸件、模锻件、冲压件或组合毛坯。

（3）零件的生产纲领

选择毛坯的制造方法，只有与零件的生产纲领相适应，才能获得最佳的经济效益。

生产纲领大时宜采用高精度和高生产率的毛坯制造方法，如模锻及熔模铸造等；生产纲领小时，宜采用设备投资少的毛坯制造方法，如木模砂型铸造及自由锻造。

根据上述内容的几个方面来分析本零件，零件材料为45号钢，首先分析45号钢材料的性能，45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工。

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；其次，观察零件图知，本设计零件为轴类零件，毛坯选为棒料，各直径尺寸相差较小，且该轴在工作过程中要承受冲击载荷和扭矩，是变速器主要的动力输出元件，故为增强其强度、刚度和冲击韧性，毛坯选择锻件；再者，前面已经确定零件的生产类型为大批量生产。

因此，本零件的毛坯种类以模锻方法获得。

3.4.2绘制毛坯图

本次设计选择的毛坯种类是圆棒料，变速器2轴的最大直径是φ56，总长度为264毫米，留加工余量4毫米，圆棒料取270×60

图2.2毛坯图

3.5选择加工方法，拟定工艺路线

3.5.1定位基准的选择

拟定工艺路线的第一步是先择定位基准。

为使所选的定位基准能保证整个机械加工工艺过程顺利进行，通常考虑如何选择精基准来加工各个表面，然后考虑如何选择粗基准把作为精基准的表面先加工出来。

在轴类零件加工中，为保证各主要表面的相互位置精度，选择定位基准时，应尽可能使其与装配基准重合并使各工序的基准统一，而且还要考虑在一次安装中尽可能加工出较多的面。

轴类零件加工时，精基准的选择通常有两种：

首先方案是采用顶尖孔作为定位基准。

这样，可以实现基准统一，能在一次安装中加工出各段外圆表面及其端面，可以很好的保证各外圆表面的同轴度以及外圆与端面的垂直度，加工效率高并且所用夹具结构简单。

所以对于棒料毛坯，在粗加工之前，应先打顶尖也，以后的工序都用顶尖孔定位。

根据上述定位基准的选择原则，分析本零件，选取顶尖孔作为定位精基准。

当零件外圆加工完毕以后，可以以外圆为精基准加工内孔，由于前面的工序使用中心孔精加工出来的输出轴外圆同轴度非常高，并且表面粗糙度等各项性能指标都很高，故使用加工后的外圆作为精基准而加工出来的孔和外圆的同轴度也非常高。

本零件选择两中心孔和φ25作为精基准，选择φ47和φ23作为粗基准来加工两中心孔。

3.5.2零件表面加工方法的选择

根据本零件图上所标注的各加工表面的技术要求，查《机械制造工艺设计简明手册》表1.4-7，表1.4-8，通过对各加工表面所对应的方案的选择，最后确定本零件各加工表面的加工方法如下表3.5：

需加工表面

尺寸精度等级

表面粗糙度Ra/um

加工方案

φ46外圆

IT7

6.4um

粗车→半精车

φ40外圆

IT6

1.6um

粗车→半精车→精车

φ38外圆

IT6

1.6um

粗车→半精车→精车

φ32外圆

IT6

1.6um

粗车→半精车→精车

φ26外圆

IT6

1.6um

粗车→半精车→精车

φ24外圆

IT6

1.6um

粗车→半精车→精车

φ56伞齿

IT7

6.4um

滚齿机

φ39φ36φ30花键

IT7

6.4um