机械联接轴加工工艺分析与设计方案.docx

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机械联接轴加工工艺分析与设计方案

典型零件连接轴加工工艺设计

【摘要】连接轴由于加工精度涉及圆柱、圆锥、圆弧、键槽和螺纹，加工精度和难度都很大。

要克服这些问题需要使用多种的机床和不同的复杂的工艺。

特别是细长轴的部分和细长轴上的键槽，要保证加工合格则只能使用数控铣床进行精密加工。

而我就从实践的加工角度对此类加工工艺和加工方法进行具体研究，克服联接轴加工工艺的一系列困难，找到此类加工零件的加工共同点，积累加工工艺和方法。

【关键词】精密加工数控机床定位基准

Designoftheconnecting shaft oftypicalparts processing

【Abstract】Theconnectingshaftduetomachiningaccuracyofcylindrical,conical,relatestothearc,andthreadkeyway,machiningprecisionandgreatdifficulty.Toovercometheseproblemsrequiretheuseofavarietyofmachinetoolsandvariouscomplexprocess.Especiallytheslendershaftportionandanelongatedshaftkeyway,mustguaranteetheprocessingofqualifiedonlyusingaCNCmillingmachineforprecisionmachining.AndI'mfromtheprocessingpointofpracticeofthiskindofprocessingtechnologyandprocessingmethodforspecificresearch,overcomeaseriesofdifficultiesconnectingshaftprocessingtechnology,findcommonsuchprocessingpartsprocessing,theaccumulationprocessandmethodofprocessing.

【Keywords】PrecisionfinishingNumericalcontrolmachinetoolNCmachinetoolThelocatingdatu

1.绪言

连接轴涉及加工的精度和难度在目前的国内加工实践中是不容易的，本论文的目的是从实践的加工角度对此类加工工艺和加工方法进行具体研究，希望能找到此类加工零件的加工共同点，积累加工工艺和方法。

进行零件图的分析

1.1通过原始材料对零件进行工艺分析

该零件为一典型的传递扭矩和动力的联接轴。

一、外表面：

由圆柱、圆锥、圆弧、键槽和螺纹等组成。

其中圆柱直径变化大，且长94mm直径16mm圆柱段为一典型细长轴，而且上面还要加工一难度极大的键槽，加工时易于弯曲变形，难于保证加工质量，另外M4的螺纹公称直径又太小不适宜机加工，给加工带来许多不便。

二、内表面：

由圆柱、圆锥、圆弧及键槽组成而且内圆锥的锥度为15°，普通机床加工难度颇大，两内孔又是内大外小的倒“T”字型盲孔，大孔孔深也只有10mm。

又增加了加工难度。

显然车刀极易与孔底和小孔孔壁发生干涉，不易保证加工质量。

另外，Ø35内孔上的键槽既有尺寸公差，又有位置公差，还有较高的表面粗糙度要求，亦不好加工。

1.2轮廓几何要素的分析

该零件图给定的集合要素是比较充分和合理的，除了几处标注有问题外没有过大的尺寸错误，和加工工艺错误。

它们是：

1、Ø60的上下偏差错误应当是上偏差为“0”，下偏差为“-2”；

2、长度3.3mm的键槽深度偏差缺少下偏差“0”；

3、长度为10的内孔深度偏差缺少下偏差“0”；

4、内键槽的圆弧半径偏差应该按偏差格式书写；

5、A—A剖视图缺少剖面线等五处错误经稍微修改后就没有其它问题了。

1.3精度及技术要求分析

一、精度分析：

1、外表面精度分析

Ø60的外圆柱表面除2mm尺寸公差外没有形位公差也与Ø43外圆柱面无任何公差要求，加工容易。

而Ø16外圆柱面既有尺寸公差要求：

0.018mm；又有Ø35的内孔的同轴度要求；还有表面粗糙度1.6的要求，难度大，而它上面的键槽也既有尺寸公差要求又有粗糙度要求还有相对与Ø35内孔中心线的对称度要求，加工难度也非常大。

2、内表面精度分析

Ø35内孔既有尺寸公差要求,还有表面粗糙度3.2的要求。

加工难度相对于外圆柱面显得异常之大，长10mm的Ø43的内孔它又有R≤1的要求加工相对容易。

而内键槽它既有尺寸公差要求又有形位公差要求还有较高的粗糙度要求难度也相当大。

二、技术要求分析：

本零件为一典型联接轴，除零件材料要求用35钢和零件本身的一些尺寸、形位、粗糙度要求外再无任何热处理及其它辅助技术要求，降低了加工难度，提高了生产效率。

1、工艺措施：

通过上述分析，采取以下几点工艺措施：

（1）车削Ø16细长轴时为防止弯曲变形，采用跟刀架，以便保证加工质量。

（2）加工Ø16细长轴上5mm键槽时为保证轴弯曲采用辅助支撑加工。

（3）加工Ø43长10mm的盲孔为了不使与孔底和Ø35的内壁发生干涉，影响加工质量，选择10°内孔切槽刀加工。

（4）加工宽10mm的内键槽为保证加工质量，不能采用铣削、镗削、车削加工。

只有选择在卧式插床上进行插削加工。

2.确定零件的生产纲领与生产类型

2.1生产纲领

各种生产类型的生产纲领如表2.1所示。

表2.1各种生产类型的生产纲领表

生产类型

零件的年生产纲领（件/年）

重型机械

中型机械

小型机械

单件生产

<5件

<20件

<100件

成批生产

小批生产

5---100件

20---200件

100---200件

中批生产

100-300件

200-500件

500-5000件

大批生产

300-1000件

500-5000件

5000-50000件

大量生产

>1000件

>5000件

>50000件

该零件图明细表中要求的数量为15件、重量为2kg。

参照上边《各种生产类型的规范表》则很容易确定本零件的生产类型为成批生产中的小批量生产。

又因为该零件只有270mm长，最大直径也只有60mm所以适合在小型机械上进行加工，那么该零件加工的生产纲领根据上表适合定位在一年生产100～200件。

具体根据工厂实际情况而定。

2.2确定生产类型

由上反映出不同的生产类型，其生产过程和生产组织、车间的机床布置、毛坯的制造方法、采用的工艺装备、加工方法以及工人的熟练程度等都有很大的不同。

根据生产纲领的大小，生产可分为三种类型：

单件生产、成批生产、大量生产。

而本零件图纸说明它的数量在5～100件的范围内所以他属于成批生产中的小批量生产，产品的种类比较繁多，对工人技术要求高。

3.选择毛坯类型和制造方法

3.1选择毛坯类型

各种生产类型工艺过程的主要特点见表3.1

表3.1各种生产类型工艺过程的主要特点

工艺过程特点

生产类型

单件生产

成批生产

大批量生产

工件的互换性

一般是配对制造，没有互换性，广泛用钳工修配

大部分有互换性，少数用钳工修配

全部有互换性。

某些精度较高的配合件用分组选择装配法

毛坯的制造方法及加工余量

铸件用木模手工造型；锻件用自由锻。

毛坯精度低，加工余量大

部分铸件用金属模；部分锻件用模锻。

毛坯精度中等，加工余量中等

铸件广泛采用金属模机器造型，锻件广泛采用模锻，以及其他高生产率的毛坯制造方法。

毛坯精度高，加工余量小

机床设备

通用机床。

或数控机床，或加工中心

数控机床加工中心或柔性制造单元。

设备条件不够时，也采用部分通用机床、部分专用机床

专用生产线、自动生产线、柔性制造生产线或数控机床

夹具

多用标准附件，极少采用夹具，靠划线及试切法达到精度要求

广泛采用夹具或组合夹具，部分靠加工中心一次安装

广泛采用高生产率夹具，靠夹具及调整法达到精度要求

刀具与量具

采用通用刀具和万能量具。

可以采用专用刀具及专用量具或三座标测量机

广泛采用高生产率刀具和量具，或采用统计分析法保证质量

对工人的要求

需要技术熟练的工人

需要一定熟练程度的工人和编程技术人员

对操作工人的技术要求较低，对生产线维护人员要求有高的素质

工艺规程

有简单的工艺路线卡

有工艺规程，对关键零件有详细的工艺规程

有详细的工艺规程

参照表2.1、表3.1，结合本零件实际情况考虑选择毛坯的类型为：

由于该零件为35号优质碳素结构钢：

有良好的承受转矩和动力。

而且具有非常好的可塑性，故首先考虑到用锻造的方法获得毛坯；又由于零件为一典型回转体零件本考虑用适合做形状简单零件的锻造毛坯。

3.2选择毛坯的制造方法

参照表2.1、表3.1，结合本零件实际情况确定该零件毛坯的制造方法：

由于零件为一典型回转体零件本考虑用锻造棒料。

但最大直径Ø60，而最小直径仅有Ø16之大相差44mm之多，而且长度又为90mmn。

故加工时刀具的空走刀时间会很长，生产效率太低，有因为内孔要去除去一Ø35的柱体也是得不偿失，而且如果是实心棒料要安排打中心孔、钻孔、扩孔等工序，工序繁杂，加工难度相对于外轮廓来说有大大增加，效率更生显得不高而且是做了许多无用功、为了避免这种失误。

提高生产效率，保证零件加工质量，故采用胎膜锻比较合理。

零件的重量只有2kg，零件的精度等级为IT12。

而最大加工重量为100kg，而它的精度等级可以达到IT14～IT12，毛坯尺寸公差为2.5～0.0004mm，最小壁厚为2.5mm，所以采用10kn夹板锤、高度方向1.25mm误差，水平方向1.25mm误差，锻件公差：

高度方向+0.8～0.5mm，故选择无砧座锤加工的锤上模锻加工的35号钢锻件，单面留2.5mm的加工余量。

4.设计零件的机械加工工艺过程

4.1定位基准的选择

重点考虑：

如何较少误差，提高定位精度。

一、粗基准的选择

由于毛坯为35号优质碳素结构钢的锻件

1、右端Ø16、Ø43外圆柱表面、右端面、右端锥面及其30°锥度的锥面的粗基准都选择不加工表面Ø60外圆柱表面，采用三爪自定心卡盘自动找中心线作为粗基准。

2、左端面Ø60的外圆柱面，以及左端各内孔的粗基准则选择已知已加工表面既无尺寸公差要求也无粗糙度要求的Ø43的外圆柱表面作为粗基准。

二、精基准的选择

1、右端：

考虑到基准的重合原则，以设计基准Ø35的内孔表面采用可胀芯轴作为加工Ø16的定位基准，以及各附带表面的精基准。

2、左端：

考虑基准同意原则，用已加工过的Ø43的外圆柱表面作为粗基准。

能够一次加工Ø60外圆柱面、左端面、以及各内孔、内键槽，精基准亦以Ø43外表面和Ø60右端面作为定位基准。

4.2确定各个表面的加工方法

不同的加工表面选用各不相同，所能达到的精度和表面粗糙度也大不一样。

即使是同一种加工方法，在不同的加工条件下所得到的精度和表面粗糙度也大不一样，这是因为在加工过程中，将有各种因素对精度和粗糙度产生影响：

一、各外圆柱表面采用车削加工方法

各外圆柱表面采用车削加工方法显然比较经济，尤其是粗加工，而精加工和半精加工中以及外圆轮廓上的锥面、圆弧面则采用数控车削。

要节约财力、物力、生产效率高。

由于胎膜锻锻造的毛坯，加工余量小，而要求有较高。

则采用粗车→半精车→精

车的加工方法，进行车削加工，由于孔口为15°锥面则采用数控车床加工尤为重要。

二、采用三坐标数控铣床加工

Ø16外圆柱面上的键槽适合铣床加工，为保证加工质量，节省工时。

宜采用三坐标数控铣床加工。

三、采用卧式插床加工

内键槽由于内孔孔径小，加之槽的长度短，退刀槽仅有10mm宽极易发生干涉，甚至产生事故，故采用卧式插床，分粗、精插插削加工，以便保证加工质量，顺利加工。

四、进行手工攻丝的方法加工

M4螺纹因为螺纹公称直径太小，不宜采用机械加工，故采用钳工在立式钻床上先钻出螺纹底孔，在进行手工攻丝的方法加工，较为简单。

4.3加工顺序的安排

一、机械加工工序的安排

由于机械工序的安排是要保证加工加工质量，所以：

先把基准面加工出来，再以基准面定位来加工其它表面，既先基准面后其它表面；粗、精加工分开，即粗加工在前，精加工在后，粗精分开；如果主要表面是指装配表面、工作表面，次要表面是指键糟、联接用的光孔等，则采用显著要表面后次要表面加工；故机械工序的安排为：

1、夹未加工的Ø60外圆柱表面，一次装夹车右端面至要求，再依次粗车Ø16外圆柱表面、30°锥面、车Ø43外圆柱表面以及Ø60左端面至要求。

2、调头以Ø43已经车好的外圆柱表面，作为定位基准，采用自定心三爪卡盘夹紧、找正，先粗车出左端面、Ø60外圆柱表面，再依次粗车内孔及孔口15°倒角。

3、夹已加工过的表面依次半精车各外圆柱表面、圆锥面、圆弧面。

4、调头以Ø43已车好的外圆柱面和Ø60的右端面为定位基准，依次半精车各内孔及孔口倒角。

5、以已加工好的Ø35内孔表面作为定位基准，精车Ø16外圆柱面以及右端其余各轮廓表面

6、以Ø43外圆柱面定位铣键槽。

7、夹已经车好的Ø43外圆柱面，粗、精插两内键槽。

8、Ø43外圆柱面定位铣Ø16外圆柱面上的键槽。

二、加工阶段的划分

为了保证零件加工质量（因为工件有内应力变形、热变形和受力变形，精度、表面质量只能逐步提高）利于及早发现毛坯缺陷并得到及时处理、有利于合理利用机床设备、便于穿插热处理工序：

穿插热处理工序必须将加工过程划分成几个阶段，否则很难充分发挥热处理的效果。

特将加工阶段划分为尽量切除大部分余量，主要为了提高生产效率的粗加工阶段和主要为主要表面的精加工做准备，并完成次要表面的终加工（钻孔、攻丝、铣键槽等）的半精加工阶段，和保证加工质量的精加工阶段。

由于联接轴一典型阶梯轴，并且附带有内孔和键槽的特殊零件，切削（去除）开，可划分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。

1、Ø16的外圆柱面；15°、30°、45°的各锥面；

2、Ø32右端面；

3、各键槽以及各内孔。

三、热处理工序安排

由于本零件设计时无其它技术要求，降低了加工难度，故安排热处理工序则考虑：

1、毛坯锻造出来以后，为了消除它的锻造内应力、细化晶粒、降低硬度，改善切削性能安排回火热处理工序。

2、由于粗加工完成以后要安排探伤工序检查毛坯是否合格，所以在探伤工序以后要安排一次时效热处理工序。

四、辅助工序的安排

辅助工序的安排（检验、划线、去毛刺、清洗、防锈等）.由于该零件为回转体类零件，可以采用三爪自定心卡盘找正，不需安排划线，辅助工序就安排以下几点：

1、零件表层或内腔的毛刺对机器装配质量影响甚大，切削加工之后，应安排去毛刺工序。

2、在进入装配之前，一般都应安排清洗工序。

3、为保证零件制造质量，防止产生废品，需在

（1）粗加工全部结束之后；

（2）送往外车间加工的前后；

（3）工时较长和重要工序的前后；这些场合安排检验工序。

除了安排几何尺寸检验工序之外，有的零件还要安排探伤、密封、称重、平衡等检验工序。

5.机床及工艺装备的选择

5.1选择该零件加工机床应考虑的因素

结合表2.1、表3.1选择该零件的加工机床机床需要考虑以下因素：

1、机床的加工尺寸范围是否与工件的轮廓尺寸匹配；

2、机床的精度是否与工序精度要求相适应；

3、机床的生产率是否与工件的生产类型相适应。

5.2工艺装备的选择

一、机床的选择

由于该零件为一回转体零件，既有外圆柱面又有内孔、锥面和圆弧面，则最适合在车床上加工，而外键槽则选择铣床加工。

考虑到内键槽的结构、尺寸及技术要求则选择插床加工。

另外M4螺纹底孔则应用立式台钻钻削加工。

1、普通机床的选择：

由于普通机床生产成本低，节约资金，所以粗加工和一道工序可完成的表面加工，均采用普通机床加工。

（1）普通车床的选择：

由于该零件为典型回转体零件，长度仅为270mm，最大直径60mm，而C616A普通车床的最大回转直径为400mm，在床身上320mm，在刀架上210mm，可加工工件的最大长度为500mm，刀架最大纵向行程为500mm，横向行程为195mm，采用的刀杆横截面为20×20mm，刀架最大回转角度为±45°，机床的外形尺寸为长×宽×高：

2340×821×900mm，所以此机床加工该零件从零件形状结构和外形尺寸上完全达到要求，又普通车床只用于该零件的粗加工，表面质量要求不高，故选用C6162普通车床。

（2）普通钻床的选择：

由于该零件Ø60外圆柱表面上的M4螺纹底孔须先在普通钻床上加工，而Z515型台式钻床可加工的最大孔直径为15mm，重140kg的零件孔加工，它的主轴行程有100mm主轴端面到工作台的最大距离为430mm，主轴中心线与主轴表面距离为190mm，该机床的外形尺寸长×宽×高：

782×440×823mm；而零件的外形尺寸则主要为最大直径尺寸60mm，选择此机床可以完全达到要求。

（3）插床的选择：

零件Ø35内孔上的两对称、宽10mm、仅有10mm退刀槽的键槽加工，难度特大。

因为不能选择普通的车、铣、刨、磨、镗等传统加工方法，但是此键槽既有尺寸公差要求还有对称度要求和表面粗糙度要求，所以只能采用卧式插床分粗、精插的插削方法进行加工。

B5020型插床：

它的最大插削长度为200mm，可插削的工件最大尺寸为485×200mm，工件最大重量为400kg，滑枕行程为25-220mm，滑枕最大回转角度为8°，工作台最大移动量为纵向500mm、横向500mm，机床的外形尺寸为长×宽×高：

1916×1305×1995mm，选择此机床就可以完全达到加工要求。

二、数控机床的选择：

1、数控车床的选择：

由于该零件上的外圆弧面、外圆锥面、内圆柱面、内圆锥面以及一些尺寸精度，和表面粗糙度要求都较高的零件部位加工。

用普通机床加工难度太大，甚至是无法加工或不能保证加工质量，难以达到图纸要求。

所以必须选择数控车床，有因为该零件外形尺寸不大，而CK6140型数控车床的各项技术指标为：

可加工的工件的最大直径为400mm；可加工的工件最大长度为900mm；主轴转速级数为无级变速。

脉冲当量：

Z轴为0.0001、X轴为0.0001；加工工件精度：

圆柱度可达到0.025、圆度可达到0.008、平面度可达到0.015、粗糙度也能达到1.6；外形尺寸为长×宽×高：

5030×1900×2214mm；控制系统为：

FANUC—3T（日本）。

选择此机床加工该零件操作系统简单，很容易控制机床优质、高效的加工出来。

2、数控铣床的选择：

为了要在轴上加工键槽，本选择普通铣床完全就可以加工，还比较经济，然而由于该键槽一个是槽宽比较窄，槽长又那么短，表面粗糙度、尺寸精度、位置精度要求都比较高，选择普通机床是要分好多工步，才能加工出来，而且不易保证质量、比较浪费工时、相对还没有数控机床加工经济，而J220三坐标数控铣床最大移动距离纵向为700mm、横向为300mm、垂直方向为130mm；矩形工作台为250×1120mm；定位精度可达到±0.02μm，重复定位精度可达到±0.013；可控制三轴运动。

加工键槽相当容易，大大提高了生产效率。

二、夹具的选择：

该零件为典型的回转体零件，最适合于在车床上进行车削加工，所以工件的外圆柱面作为定位基准车削加工时则采用三爪自定心卡盘自动定心找正夹紧；以工件的内孔表面作为定位基准加工该零件时则采用自动可胀芯轴定位夹紧来车削工件。

在铣床上为了加工技术要求较高的键槽时则采用V型铁配合平口虎钳（QH80：

此类型的平口虎钳可回转180°使用主要用于各种铣床和钻床等。

）来限制它的自由度从而定位夹紧工件铣削加工；插削两对称内键槽以及钻削M4螺纹底孔时也是采用V型铁配合平口虎钳（QH80）来限制它的自由度来加工的。

三、刀具的选择：

1、刀具材料的选择：

刀具切削部分的材料性能直接影响着加工效率、刀具耐用度、刀具消耗、加工成本、加工精度和表面质量等，因此刀具材料的硬度必须膏腴工件材料的硬度、要耐磨、有良好的强度和韧性，能够承载较大的负荷还能在冲击条件下工作、它还应当有较高的耐热性。

而本零件为锻造出来的35号毛坯。

故最好适合用硬质合金刀具进行加工；而YT15质合金刀具它的硬度、耐磨性、强度、韧性都比较好。

适合碳素钢与合金钢的加工中，零件连续切削时的粗车、半精车及精车；间断切削加工时的小断面精车、旋风车丝；连续面的半精铣与精铣以及孔的粗扩与精扩。

故选择而YT15硬质合金作为刀具材料。

2、车刀、铣刀、插刀以及钻削刀具的选择：

此零件加工材料为35钢属于优质碳素结构钢，所以它的前角应当选择在10°～15°之间；后角应当选择在6°～8°之间；主偏角在系统钢性较差的车削内孔以及阶梯表面的连续加工时选择在60°～75°之间，在系统钢性较好的条件先加工时则选择10°～30°的后偏角。

副偏角精车时选择在5°～10°之间，粗车时采用10°、-15°的角度。

刃倾角粗车时选择0°～5°的角度，主偏角为90°的车刀的车削则选择0°刃倾角。

刀尖圆弧半径的选择则是外圆车刀，以及端面车刀，单调刀杆的截面为16×20时的粗精加工采用0.4～08mm的圆弧半径。

所以选择以下刀具形状极其各项指标：

考虑到车削外圆柱表面的几何形状既有半径仅为2mm的外圆弧面、

有锥面为防止刀具与工件发生干涉、又考虑到切削力、切削速度、以及表面加工质量，故采用90°偏刀进行外轮廓加工。

图5.190°外圆车刀

加工内孔为一内大外小的倒“T”字型盲孔，而且两孔的半径方向只差4mm，为了工序集中所以都采用车削加工完成，但它是盲孔刀头又极易与孔底发生干涉，增加了车削难度故采用45°弯头内孔车刀进行加工Ø35内孔；

图5.2端面车刀

为了防止车刀面与工件端面发生摩擦，影响加工表面质量所以采用有角度的端面车刀进行车削加工。

图5.345°弯头内孔车刀

为了方便、灵活、高效的加工而Ø43倒“T”字型内盲孔，不至于发生干涉碰撞而损坏工件，甚至发生人身或机器伤害事故，则采用10º偏角的弯头内孔切槽刀加工较好。

图5.410°弯头内孔切槽刀

图5.5插刀

专门为了加工内键槽而选择用插削方法加工其中粗插时采用B=9mm、H=20mm、L=250mm的插刀进行加工。

精插时则采用B=10mm、H=20mm、L=250mm的插刀进行加工。

图5.6锥柄键槽铣刀（GB1112—85）

加工键槽则采用标准键槽铣刀加工，它的各项指标为：

D=5mm、L=50mm、l=14mm、d=8mm。

图5.7锥柄麻花钻

锥柄麻花钻（莫氏5号、GB1441—85）

钻削底孔的麻花钻则采用d=3.99mm、L=50mm、l1=20mm的标准麻花钻。

四、量具的选择：

粗测外圆柱、测量时长度时选单位长度0.02mm、测量范围为300mm以内的游标卡尺（JB1087—67）。

精测外圆柱面用单位长度0.01mm的外径千分尺。

测量内孔用单位长度0.01mm的内径千分尺。

测量深度用（JB1083—67）深度游标卡尺。

6.工艺的分析计算

6.1确定加工余量

为了保证加工质量，考虑到前道工序的表面质量、位置关系误差、尺寸公差、热处理变形以及本工序的安装误差等来合理确定总加工余量和工序加工余量。

毛坯余量的确定：

35钢属于易切削钢轴类零件则根据零件的基本尺寸直径60mm，车削的长度与基