送煤系统车轮小轴设计.docx
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送煤系统车轮小轴设计
济源职业技术学院
毕业设计
题目
送煤系统车轮小轴设计
系别
机电工程系
专业
机电一体化技术
班级
机电0901班
姓名
周明露
学号
07550313
指导教师
孙海燕
日期
2011年08月
设计任务书
设计题目：
送煤系统车轮小轴设计
设计要求：
1、对于以前使用的小车轴用材（Q235）不符合实际工作要求而产生的断裂情况进行分析并改进。
2、在原有的小轮基础上进行改进，设计出省材、耐磨、结构合理的小车轮。
3、两端小轮中心距符合轨道要求。
4、拟订加工工艺过程及加工技术要求。
设计进度：
第一周：
领取题目，到图书馆查阅相关方面的资料。
第二周：
形成比较清晰的设计思路及框架结构。
第三周：
查阅资料，与老师讨论相关的设计尺寸、数据。
第四周：
在作业本上初步写出设计结果，与老师讨论。
第五周：
将与老师讨论的结果归纳总结，逐步排查，更正设计。
第五周：
将手抄稿打成电子稿，请老师审阅。
第六周：
对设计过程结果进行熟悉。
第八周：
毕业答辩
指导教师（签名）：
摘 要
某厂用拉煤小车的小车轴在使用过程中经常发生断裂，车轮磨损严重，根据这种情况我对此小轴车轮进行了综合分析改进，使材料满足使用要求，小轴在运行中不发生断裂，提高车轮的耐磨性能，使其结构得以优化，使用寿命得以延长，综合性能得以提高，满足经济性要求。
根据各种机器不同的用途，轴的结构形状、尺寸和材料也有很大的差别，该传动轴选用40Gr钢。
轴盖选用Q235钢，小轮选用45钢。
该传动轴选用以上材料进行生产使用是因为原本使用的Q235进行运行时发生过断裂，现选用40Gr调质处理，这种材料耐磨性好，韧性好，比原来用的Q235的强度高，同时加上调质处理使其综合力学性能得到提高，使小轴在拉煤的过程中得以长时间运行。
45钢经过调质后，仍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，表面硬度可达HRC45～52，耐磨性能得到提高。
轴盖受力较小选用Q235，不需要热处理，满足使用要求即可。
本次送煤系统车轮小轴的设计将按照实际工作需要对产品进行改造，制定出合适的工艺过程，保证产品质量，充分发挥了设备的利用率、降低了生产成本。
关键词：
小车轴，小轮，端盖，标准件，材料选择，图样
目 录
１轴轮类零件的综合分析
1.1轴类零件的结构和特点
1.1.1轴类零件的功用:
为支承传动零件（齿轮、皮带轮等）、传动扭矩、承受载荷，以及保证安装后具有一定的回转精度。
1.1.2轴类零件的分类:
1）按轴的长度和直径的比例可以分为刚性轴（L/d＜12）和柔性轴两类。
2）按轴的类型可以分为心轴、传动轴和转轴。
1.1.3轴类零件的技术要求:
1）尺寸精度
轴颈是轴类零件的主要表面，它影响轴的回转精度及工作状态。
轴颈的精度根据其使用要求通常为IT6～IT9，精密轴的轴颈可达IT5。
2）几何形状精度
轴颈的几何形状精度（圆度、圆柱度），一般应限制在直径公差范围内。
对几何形状精度要求较高时，可在零件图上另行规定其允许的公差。
3）位置精度
主要是指装配传动件的配合轴颈相对于装配轴承的支承轴颈的同轴度，通常是用配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动来表示的；根据使用要求，规定高精度轴为0.001～0.005mm，而一般精度轴为0.01～0.03mm。
此外还有内外圆柱面的同轴度和轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。
4）表面粗糙度
根据零件的表面工作部位的不同，可有不同的表面粗糙度值，例如普通机床主轴支承轴颈的表面粗糙度为Ra1.6～6.3um，配合轴颈的表面粗糙度为Ra2.5～6.3um，随着机器运转速度的加大和精密程度的提高，轴类零件表面粗糙度值要求也将越来越小。
1.2零件的材料选择
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。
一般轴类零件常用45钢，根据不同的工作条件采用不同的热处理规范（如正火、调质、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。
对中等精度而转速较高的轴类零件，可选用40Cr等合金钢。
这类钢经调质后具有较高的综合力学性能。
轴类零件的毛坯最常用的是圆棒料和锻件。
1.3零件的加工
轮类零件在切削加工之前，应对其毛坯进行预加工。
预加工包括校正、切断、车端面和钻中心孔。
1.3.1加工步骤
1）校正：
棒料毛坯在制造、运输和保管过程中易发生弯曲变形，以保证加工余量均匀。
校正可在各种压力机上进行。
2）切断：
当采用棒料毛坯时，应在车削外圆前按所需长度切断。
3）切端面钻中心孔：
中心孔是轴类零件加工最常用的定位基准面，为保证钻出的中心孔不偏斜，应先加工端面后再钻中心孔。
4）荒车：
如果轴的毛坯是锻件或大型铸件，则需要进行荒车加工，以减少毛坯外圆表面的形状误差，使后续工序的加工余量均匀。
1.4零件加工工艺分析
1.4.1类零件加工的工艺分析
外圆加工的方法很多，基本加工路线可归纳为四条。
1）粗车—精车
对于一般常用材料，这是外圆表面加工采用的最主要的工艺路线。
2）粗车—半精车—粗磨—精磨。
对于黑色金属材料，精度要求高和表面粗糙度值要求较小、零件需要淬硬时，其后续工序只能采用磨削加工路线。
3）粗车—半精车—精车—金刚石车。
对于有色金属，用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度，因为有色金属一般比较软，容易堵塞沙粒间的空隙，因此其最终工序多用精车和金刚石车。
4）粗车—半精—粗磨—精磨—光整加工。
对于黑色金属材料的淬硬零件，精度要求高和表面粗糙度值要求很小，常用此加工路线。
1.4.2轴类零件加工的定位基准和装夹
1）以工件的中心孔定位在轴的加工中，零件各外圆表面、螺纹表面的同轴度，端面对旋转轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目，这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，若用两中心孔定位，符合基准重合的原则。
中心孔不仅是车削时的定为基准，也是其它加工工序的定位基准和检验基准，又符合基准统一原则。
当采用两中心孔定位时，还能够最大限度地在一次装夹中加工出多个外圆和端面。
2）以外圆和中心孔作为定位基准（一夹一顶）用两中心孔定位虽然定心精度高，但刚性差，尤其是加工较重的工件时不够稳固，切削用量也不能太大。
粗加工时，为了提高零件的刚度，可采用轴的外圆表面和中心孔作为定位基准来加工。
这种定位方法能承受较大的切削力矩，是轴类零件最常见的一种定位方法。
3）以两外圆表面作为定位基准在加工空心轴的内孔时，不能采用中心孔作为定位基准，可用轴的两外圆表面作为定位基准。
当工件是机床主轴时，常以两支撑轴颈（装配基准）为定位基准，可保证锥孔相对支撑轴颈的同轴度要求，消除基准不重合而引起的误差。
4）以带有中心孔的锥堵作为定位基准在加工空心轴的外圆表面时，往往还采用代中心孔的锥堵或锥套心轴作为定位基准。
零件的加工工艺因其用途、结构形状、技术要求、产量大小的不同而有差异。
而轴的工艺规程编制是生产中最常遇到的工艺工作。
1.4.3零件加工的主要问题
零件加工的主要问题是如何保证各加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和主要表面之间的相互位置精度。
2小车轴的分析
2.1零件图样分析
图2.1小车轴
零件名称：
轴
零件材料：
40Gr钢
摘自GB/T3078-1988
化学成分
WFe×100
C
0.37-0.44
Si
0.17-0.37
Mn
0.50-0.80
Gr
0.80-1.10
力学性能
σb/Mpa
σs/MPa
σ5×100
ψ×100
Ak/J
980
785
9
45
47
表2.1
图2.1所示零件是送煤系统小轴。
它属于台阶轴类零件，由圆柱面、螺纹、等组成。
螺纹用于安装锁紧螺母。
根据工作性能与条件，该传动轴图样（图2.1）规定了主要轴颈
外圆Φ40，Φ50以及螺纹M20、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，该传动轴的关键工序是轴颈
的加工。
2.2零件的作用
此轴要承受送煤小车的自重和小车所拉煤的重量，所以要有足够的强度防止其在工作过程中发生断裂现象，因此我对原来的轴进行了改进，把原来的Q235钢换成40Gr调质处理提高其强度。
2.3确定毛坯材料及热处理方法
2.3.1毛坯的选择
1）材料
轴的毛坯使用热轧棒料，材料选择40Gr。
2）热处理
选用40Cr合金结构钢，这类钢经调质，具有较高的综合机械性能，调质放在粗车之后、精车之前，以便因粗车产生的内应力得以在调质时消除。
该轴各外圆直径尺寸相差不大，故选择￠50mm的热轧棒料作毛坯，热处理采用调质处理，提高小轴的综合力学性能，硬度可达到HRC45。
2.4确定主要表面的加工方法
轴大都是回转表面，主要采用粗车外圆与精车外圆成形。
由于该轴的主要表面
的公差等级（IT7）较高，表面粗糙度Ra值（Ra=1.6um）较小，故粗车后还需精车。
步骤：
粗车→热处理→精车
2.5工序安排
2.5.1选择定位基准
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。
由于该轴的主要配合表面（
）及对基准轴线
同轴度要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，以保证零件的技术要求。
粗基准采用热轧圆钢的毛坯外圆。
中心孔加工采用三爪自定心卡盘装夹热轧圆钢的毛坯外圆，车端面、钻中心孔。
但必须注意，一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外圆作粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过的外圆作基准，用三爪自定心卡盘装夹，在另一端搭中心架，车另一端面，钻中心孔。
如此加工中心孔，才能保证两中心孔同轴。
2.6划分阶段
粗、精加工应分开，以保证零件的质量。
2.6.1加工阶段的划分
该轴加工过程中的各加工工序和热处理工序均会不同程度地产生加工误差，因此要划分加工阶段。
该轴加工基本上划分为下列三个阶段。
各阶段划分以热处理为界。
一、粗加工阶段
1）毛坯下料。
2）平端面、钻中心孔、粗车外圆等。
二、热处理阶段
调质处理
三、精加工阶段
1）修中心孔
2）车M20螺纹。
3）精车外圆。
2.7工艺路线的选择及确定
在拟定工艺过程时，应考虑检验工序的安排、检查项目及检验方法的确定。
为了改善金属组织和加工性能而安排的热处理工序，如退火、正火等，一般应安排在机械加工之前。
为了提高零件的机械性能和消除内应力而安排的热处理工序，如调质、时效处理等，一般应安排在粗加工之后，精加工之前。
此小车轴采用提高其机械性能的调质处理，所以将热处理安排在粗加工之后，精加工之前。
综合上述分析，小车轴的工艺路线如下：
下料→车两端面、钻中心孔、粗车各外圆→热处理→修中心孔→车螺纹→精车各外圆→倒角→检验。
注释：
此工件采用双顶尖对顶加工，同轴度可保证在0.01mm范围内满足
处同轴度要求。
2.8小车轴加工工艺流程图
工序1
下直径φ50mm长590mm的棒料。
工序2
图2.2轴的工艺流程图
加工步骤：
1）三爪自定心卡盘夹持工件毛坯外圆。
2）平轴右端面，全部见光即可。
3）钻中心孔。
4）
粗车￠44mm外圆至55mm。
5）粗车￠34mm外圆至39mm。
各留4mm精车余量。
6）粗车￠24mm外圆至23mm。
7）检验。
工序3
图2.3
加工步骤：
1）三爪自定心卡盘夹持工件毛坯外圆。
2）平轴左端面，全部见光即可。
3）钻中心孔。
4）
粗车￠44mm外圆至55mm。
5）粗车￠34mm外圆至39mm。
各留4mm精车余量。
6）粗车￠24mm外圆至23mm。
7）检验。
工序4
将粗车后的轴进行调质处理。
工序5
图2.4精车外圆
加工步骤：
1）三爪自定心卡盘夹持工件毛坯外圆。
2）平轴端面，全部见光即可。
3）修中心孔。
4）车φ44外圆全部见光即可。
工序6
图2.5轴长
加工步骤：
1）调头以φ44外圆和轴肩定位，装中心架。
2）平轴端面，保证总长580。
修钻中心孔，保证两端轴线重合。
工序7
加工步骤：
1）装夹锥型顶尖。
2）加工圆锥面，保证60o。
说明：
为了保证锥型顶尖的轴线与机床轴线重合，锥型顶尖装夹后不能直接使用，必须加工一刀，以保证零件装夹后的轴线与机床轴线重合。
图2.6夹锥型顶尖
工序8
图2.7倒角
加工步骤：
1）用双顶尖顶上车轮轴，鸡心架夹上φ24轴径。
2）车M20外圆至23处。
3）加工出M20的螺纹。
4）精车
处外圆至39，保证公差。
5）精车φ40处轴径至55处。
6）加工出C1倒角。
7）检验。
工序9
图2.8螺纹
加工步骤：
1）调头。
2）用双顶尖顶上车轮轴，鸡心架夹上φ40轴径。
3）车M20外圆至23处。
4）加工出M20的螺纹。
5）精车
处外圆至39，保证公差。
6）精车φ40处轴径至55处。
7）加工C1倒角。
8）检验。
3小车轮的设计分析
3.1小轮的分析
小轮工作时是直接与道轨接触受力的，外表面承受的挤压力很大，磨损较严重，对轮子的硬度和耐磨性要求较高，针对此要求我选择45号钢进行调质处理使硬度达到HRC40以满足使用要求。
3.2零件的材料及力学性能
零件材料：
45钢
GB/T699-1999
表3.1力学性能
化学成分
WFe×100
C
0.42-0.50
Si
0.17-0.37
Mn
0.50-0.80
P
≤0.035
S
≤0.035
力学性能
σb/Mpa
σs/MPa
σ5×100
ψ×100
Ak/J
≥
600
355
16
40
39
3.3热处理
采用调质的工艺对小轮进行热处理。
45钢为优质碳素结构用钢,这种钢的机械性能很好，属于中碳钢，淬透性不高，45钢可以淬硬至HRC42～46。
硬度不高易切削加工,常用来做销、柱等,但须热处理。
45钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。
实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。
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零部件。
综上所述小轮的材料我选用45钢调质硬度可以达到HRC40满足了使用要求。
3.4零件各主要部分的功能和技术要求
1）￠100mm的外圆表面直接与道轨接触，为了使小车平稳运动粗糙度值设置为Ra3.2μm。
2）
内孔表面与轴承配合精度要求较高Ra1.6μm。
3）￠54处留2mm的台阶是防止轴承滚动体接触工件平面。
3.5工艺分析
该轮要求较高的表面是外圆φ100mm和孔
根据工件材料及热处理和具体尺寸精度、粗糙度要求可采用粗车-调质-精车的工艺来满足。
3.6小车轮的加工工艺流程图
表3.2工艺流程
车轮工艺过程
序号
工序名称
工序内容
加工简图
设备
1
锯
下φ135长115的料。
锯床
2
粗车
1）装夹φ135毛坯外圆。
2）平A端面见光即可。
车床
3
粗车
1）装夹φ135毛坯外圆。
2）平A端面见光即可。
3）加工出中心孔。
车床
4
车
1）装夹任意棒料。
2）在三爪自定心卡盘上加工出如右图所示的卡台。
车床
5
粗车
1）用刚车出的卡台装夹工件并用顶尖顶上右端面。
2）车出如右图所示尺寸。
车床
6
钻
1）去顶尖换φ30的钻头。
2）钻出φ30的通孔。
车床
7
粗车
1）换内孔刀，
2）粗加工出如右图所示的尺寸。
车床
8
热处理
调制处理
车床
9
精车
1）调头。
2）平右端面。
3）精车出φ130外圆。
4）加工出C1倒角。
车床
10
精车
1）调头。
2）平右端面保证总长。
3）精车如右图所示各尺寸并保证
部分内圆公差。
车床
11
钻孔
1）小端在钳工处画出φ85的圆平分成四分冲出标记。
2）在摇臂钻上钻出φ8深20的盲孔。
摇臂钻床
12
攻丝
在钳工处攻出4个M10的螺纹，深20mm。
钳工
13
检
按图纸要求检验
说明：
加粗部分为本工序加工部位。
4端盖的设计分析
4.1零件图
图4.1端盖
4.2零件材料选用及分析
由于压盖只起固定轴承的作用，防止滚轮在工作中轴承滑落，受力比较小，因此对压盖的材料要求比较低，用一般的材料就行，为了节约成本，故采用Q235A做为压盖的材料。
以下是Q235A的化学成分、力学性能及一般应用。
牌号中Q表示“屈”的汉语拼音，后面的235表示屈服力的值为235MPa，A、B、C、D表示质量等级，它反映了碳素钢中有害杂质（S、P）质量分数的多少，C、D级硫磷质量分数最低，质量最好，可作重要焊接结构件。
Q235各级化学成分（摘自GB700-88）
表4.1零件材料
质量等级
化学成份WFe×100
C
Mn
Si
S
P
不大于
A
0.14~0.22
0.30~0.65
0.3
0.05
0.045
B
0.12~0.20
0.30~0.67
0.3
0.045
0.045
C
0.18
0.35~0.80
0.3
0.04
0.04
D
0.17
0.35~0.80
0.35
0.04
0.035
Q235的机械性能：
σs/Mpa（不小于）
σb/Mpa
σ5×100（不小于）
钢材厚度（直径）/mm
钢材厚度（直径）/mm
≤16
＞16-40
＞40-60
>60-100
≤16
＞16-40
＞40-60
>60-100
235
225
215
205
375-460
26
25
24
23
Q235A表示屈服强度为235MPa的一种碳素结构钢，原来的叫法是A3，它的主要成分为碳、锰、硅、硫、磷等，这种碳素结构钢的塑性好，有一定的强度，用于制造力不大的零件，如螺钉、螺母、垫圈、焊接件、冲压件及桥梁建筑等金属结构件。
4.3零件各主要部分的功用和技术要求
尺寸
处用于顶紧轴承内圈应保证其尺寸在其公差范围内，防止轴承在工作时产生轴向窜动。
4.4工艺分析
该端盖用于顶紧轴承，总体尺寸要求不高，但对
尺寸有公差要求，加工时保证其尺寸合格。
4.5加工路径的拟定
工序1
下Ф105×100的料芯。
图4.2加工路径图
工序2
1）平右端面。
2）车出φ100的外圆。
图4.3加工路径图
工序3
1）调头。
2）平右端面，保证总长62mm。
3）加工出中心孔。
图4.4加工路径图
工序4
1）用卡台装夹工件，并用顶尖顶上。
2）车出如左图所示各尺寸，保证
的公差。
图4.5加工路径图
工序5
1）去顶尖。
2）装φ50钻头，钻出如左图所示的孔。
图4.6加工路径图
工序6
换内孔刀车出如左图所示的尺寸
留如图所示3×3的台阶以便加工R3圆弧。
图4.7加工路径图
工序7
用圆弧刀加工出R3圆弧。
图4.8加工路径图
工序8
1）以大端圆为圆心，画出φ85的圆，并四等分。
2）在等分线上冲点。
3）在摇臂钻上钻出φ12的4个光孔。
图4.9加工路径图
完成端盖的加工检验。
5标准件的选用
本次设计选用标准件如下表：
表5.1标准件
标准件清单
序号
名称
数量
规格
GB
1
轴承
2
206
GB276-64
2
螺母
2
M20
GB41-86
3
弹簧垫
2
20
GB93-87
4
弹簧垫
8
10
GB93-87
5
平垫片
2
20
GB95-85
6
螺栓
8
M10
GB5781
6送煤系统车轮小轴装配图
图6.1装配图
结 论
大学三年转瞬即逝，三年里我们学到了很多东西,从一个以前对机械制造技术一无所知的高中生,到对机械制造技术有了一定的认识和了解的大专生,这都是老师们栽培的结果.
三年专业课的学习,使我对本专业的知识体系有了一定的认识.而毕业设计是我们对三年的专业知识有一个系统的总结和复习,同时也是对我们三年的学习一个考验和训练,使我们对理论和实际的结合铺就了一个接轨点。
毕业设计是我们在校期间最后一个重要的综合性实践教学环节，是我们全面运用所学基础理论、专业知识和基本技能，对实际问题进行设计（或研究）的综合性训练。
通过毕业设计，可以培养我们运用所学知识解决实际问题的能力和创新精神，增强工程观念，使我们端正态度，树立严肃认真、实事求是和刻苦钻研的工作作风，为我们步入社会的第一步打下了坚实的基础,以便更好地适应工作的需要,从而为即将走入社会的我们做一个铺垫.
经过长时间的努力关于设计工作已经初步完成，在这期间我付出了很多同时也收获了许多。
付出的是汗水，收获的是知识，是辛勤劳动后幸福的微笑。
在送煤系统车轮小轴的设计过程中我的心灵经历了痛苦、迷茫、毫无头绪，工作进度受到阻碍，但在张老师的帮助下最终获得了圆满成功。
现将此次设计的心得体会总结如下：
运用自身所学知识，增添设计经验。
在送煤系统车轮小轴的设计过程中，综合运用了在校三年来所学习的专业基础知识及专业知识，将以前所学习的各个碎片一片片的叠加综合起来为这次所做的设计所用，使得我们温故而知新，牢固了所学知识。
例如材料的选择、结构及加工方法的确定及各个所需图样的绘制等一些工作，分别用到本专业所学习的《机械设计》、《工程力学》，《机械制造》、《机械制图》等课程的知识。
由于我们的设计机会较少所以此次设计在一定程度上增添了设计经验。
这次设计工作让我了解到了不少关于机械制造方面的知识，机械制造专业是一个专业面宽、通用性强的专业，为国民经济建设培养合格的、并能适应二十一世纪科技发展需要的机械设计人才，是本专业的使命。
为此，本专业培养的学生必须具有深厚的基础和较宽的专业知识面。
机械设计是一门系统性学科，力求从机械设计工程学学科的高度总结和归纳机械设计系统的基本理论、方法和技术。
本课程的任务是使学生在掌握机械设计基础知识的同时，进一步了解和掌握机械产品整机设计中较系统、较完整的基本知识、基本原理和工作要点，使学生从整机的角度和系统的观点掌握机械产品设计的规律和特点，力求使学生具有初步的进行整机设计和能提出创新构思并能尽快将其转化为有竞争力的产品的能力，使学生能适应二十一世纪科技发展和我国国民经济建设对设计工作的需要。
这次设计有很大的
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