花键轴课程设计.docx
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花键轴课程设计
加工工艺工艺课程设计
花键轴零件加工工艺
教学单位：
机电工程系
班级：
数控加工092班
设计：
徐胜
学号：
200902060224
指导：
彭京城老师
湖南铁道学院机电系机械加工工艺课程设计
湖南铁道职业技术学院
2011年5月7日
课程设计课题任务书,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
3
第一部分
零件工艺分析
花键轴介绍
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5
图样分析
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5
第二部分工艺设计
毛坯选择
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7
材料及热处理
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8
加工方法
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9
加工顺序
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加工方案
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走到路线和对刀点选择
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零件定位基准和装夹方式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
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加工设备
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14
切屑用量的确定（粗车、半精车，粗铣键）
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工时定额计算（粗车、半精车，粗铣键槽）
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加工余量的确定及工序尺寸的计算
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零件加工工艺卡
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2
湖南铁道学院机电系机械加工工艺课程设计
机械加工工序卡,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,21
第三部分
后序
感想
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24
参考文献
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课程设计任务书（数控加工方向）
机电工程系
一、设计课题名称:
_____典型零件的数控加工工艺设计___
二、指导教师:
____彭京城______
三、设计要求
（1）根据所给定的零件，选择合适的加工机床、刀具、切削用量，合理的进给路线，制定经济高效的工艺方案。
（2）工艺过程及工序卡片的编制。
（3）说明书要求格式完整、内容精简、书写清楚。
所有设计内容不得复印和
抄袭。
四、设计依据
零件图
生产纲领：
_______中批量___________
生产设备:
__________________________
五、参考资料
1、《机械加工工艺与夹具设计》顾京主编机械工业出版社出版
2、《机械加工工艺手册》机械工业出版社
六、设计内容及工作量
1、设计内容
（1）确定生产类型，对零件进行工艺分析，并绘制零件图。
（2）选择毛坯种类及制造方法，绘制毛坯图。
（3）拟定零件的机械加工工艺过程，选择各工序加工设备和工艺装备（刀具、
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夹具、量具、辅具），确定各工序切削用量及工序尺寸。
（4）填写工艺文件：
工艺过程卡、工序卡。
（5）对数控加工工序进行工艺分析确定工步、走刀路线、刃、量具、加工参
数。
（6）填写数控加工刀具调整卡.
（7）撰写设计说明书。
2、设计结果
零件图（手工、电子各一份）
2张
毛坯图
1张
工艺过程卡
1份
机械加工工序卡（非数控加工、重要工序）
1～3道
数控加工工序技术文档（刀具卡、工序卡、）
1套
设计说明书
1份
3、设计进度：
1周
序号
工作阶段
时间安排
1
熟悉零件，画零件图
10％
2
选择加工方案，确定工艺路线，填写工艺卡片
30％
数控加工工序工步、走刀路线、刃、量具、加工
3
45％
参数的确定。
4
整理编写说明书
15％
七、说明书的格式和装订要求
（一）设计封面
（二）设计评阅书
（三）评分标准
（四）设计任务书
（五）目录
（六）设计正文
（七）设计总结
（八）参考资料
（九）设计图纸及工艺规程
注:
说明书用16开纸打印或书写，课程设计正文字数不少于1万（含空格）
八、课程设计课题审批表
审批具体意见审查部门负责人意见
4
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专业负责人
同意实施
时间2010年2月22日
学术负责人
同意实施
时间2010年2月24日
第一部分零件工艺分析
花键轴介绍
花键轴用于各个轴用于轴与轴承配合、螺纹主要用于紧固和传动连接、键与花键用于轴和轴上传动件之间的可拆卸连接，用于传递扭矩，有时也作用轴上传动件的导向。
矩形花键轴能够多齿工作，对中性好，导向性好，齿根较浅，应力集中，轴
与毂强度削弱小加工方便，在机械制造中应用非常广泛。
其中，该矩形花键轴按国家标准，为花键的中系列，经过查表（教材《互换
性与测量技术》表9.3）可得其规格为N*d*D*b=6*26.8*33*8,标注外花键规格和
尺寸代号为6*26.8f6*33a11*8d8。
图样分析
1、组成要素（从左至右）：
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该轴总长为166mm，上偏差为0，下偏差为-0.08；左端为直径Φ20mm，上下偏差各为0.08的轴直径为Φ19mm，宽2mm的退刀槽；
公称直径为24mm,螺距1.5mm普通螺纹；
直径为Φ23mm，宽2mm的退刀槽；
直径为Φ2500.03，上偏差为0，下偏差为-0.03的轴；
直径为Φ24mm，宽2mm的退刀槽；
大径为Φ33mm，小径为Φ26.8mm的6齿外花键；
直径为Φ24mm，宽2mm的退刀槽；
直径为Φ2600.03，上偏差为0，下偏差为-0.03的轴（长30mm宽6mm的键槽）；
直径为Φ19mm，宽2mm的退刀槽；
直径为Φ200.008，上偏差为+0.008，下偏差为-0.008的轴。
2、零件结构分析
根据零件简图分析：
该主轴零件的结构有以下特点：
从形状上看该工件为阶梯结构的花键，由于长度与直径之比L/D5，所以该工件属于钢性主轴。
从表面加工类型看，主要加工表面有圆柱面，花键，单键槽，螺纹，属于典型的加工表面，易加工。
3、图样工艺分析
（1）技术要求
该零件属于轴类零件，主要够成表面主要为外圆、圆柱、螺纹和外花键等；
各轴装配表面粗糙度要求极高，Ra达0.8um，为IT7级；而尺寸精度和位置精度
要求也高（重点保证外圆表面的加工），轴两端Φ20（左右分别为基面A、B）
以及花键大径Φ33（基面C）的加工尤为重要，它们分别与各退刀槽侧面、键槽
宽有圆跳动和对称度要求，外花键键齿与基面A、B有平行度要求。
其中，各个圆柱尺寸精度等级较高，且该工件为有色金属，可以通过精车-
半精车-粗磨-精磨-研磨（或者超精磨、或者镜面磨）获得而圆柱装配表面表面
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粗糙度要求也高，达到Ra=0.8，各退刀槽与花键健齿侧面Ra达1.6；其余则要较低Ra只需6.3，这些表面粗糙度较容易获得，可以通过粗车-半精车-精车达到要求。
各处要倒角、圆角、除毛刺到要求，钳工。
（2）零件技术条件要求分析
①尺寸精度：
两端轴段为Φ200.008，中间段Φ25，Φ26，花键外圆为Φ
33，键齿宽8，键槽宽6，键槽底与外圆母线距离22，花键轴总长166，左端面与花键左端的距离570.3，花键左端与Φ26轴段右端面的距离为950.3。
②位置精度：
螺纹M24*1.5的左端面和Φ26的右端面相对于A、B两基面轴线的圆跳动误差为0.04mm，花键齿面相对于A、B两基面轴线的平行度误差为38：
0.03mm，键槽与花键轴线的对称度误差为0.05mm。
③表面粗糙度：
两端轴段Φ200.008外圆和Φ25、Φ26外圆为Ra=0.8μm，
花键齿面及其左端面和Φ26的右端面为Ra=1.6μm，M24*1.5的螺纹及花键右端
面为Ra=3.2μm，花键齿根圆为Ra=6.3μm，其余为Ra=6.3μm
第二部分工艺设计
毛坯选择
1、常见毛坯类型
（1）铸件
铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件，即把冶炼好的液态金属，用浇
注、压射、吸入或其它浇铸方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理
和后处理等，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。
对形状较复杂的毛坯，一般可用铸造方法制造。
目前大多数铸件采用砂型铸造，
对尺寸精度要求较高的小型铸件，可采用特种铸造，如永久型铸造、精密铸造、
压力铸造、熔模铸造成和离心铸造等。
（2）锻件
锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物
件。
这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现。
铸件过程建造了精致的颗粒结
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构，并改进了金属的物理属性。
在零部件的现实使用中，一个正确的设计能使颗
粒流在主压力的方向。
锻件毛坯由于经锻造后可得到连续和均匀的金属纤维组织。
因此锻件的力学
性能较好，常用于受力复杂的重要钢质零件。
其中自由锻件的精度和生产率较低，
主要用于小批生产和大型锻件的制造。
模型锻造件的尺寸精度和生产率较高，主
要用于产量较大的中小型锻件。
（3）型材
型材是铁或钢以及具有一定强度和韧性的材料（如塑料、铝、玻璃纤维等）
通过轧制，挤出，铸造等工艺制成的具有一定几何形状的物体。
型材主要有板材、棒材、线材等。
常用截面形状有圆形、方形、六角形和特
殊截面形状。
就其制造方法，又可分为热轧和冷拉两大类。
热轧型材尺寸较大，
精度较低，用于一般的机械零件。
冷拉型材尺寸较小，精度较高，主要用于毛坯
精度要求较高的中小型零件。
（4）焊接件
焊接件主要用于单件小批生产和大型零件及样机试制。
其优点是制造简单、
生产周期短、节省材料、减轻重量。
但其抗振性较差，变形大，需经时效处理后
才能进行机械加工。
（5）其它毛坯
其它毛坯包括冲压件，粉末冶金件，冷挤件，塑料压制件等。
2、毛坯的确定
因为该零件属于中批量生产（模锻工艺生产效率高，劳动强度低，尺寸精确，加工余量小，并可锻制形状复杂的锻件；适用于批量生产。
但模具成本高，需有专用的模锻设备，不适合于单件或小批量生产），且加工余量小，所以下料选择模锻。
模锻的工序为制坯、预锻和终锻。
在终锻模时，要确定好锻件的尺寸及形状，并初步定好加工余量，避免毛边出现。
3、毛坯余量确定
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查机械制造工艺手册：
单边余量及公差为32.L=170
材料及热处理
40Gr属于合金调制钢。
（合金结构钢的一种。
一般工艺路线为：
下料——
退火——粗加工——调制——精加工——表面淬火、低温回火——装配；该钢属于中碳含量，一般含Mn、Si、Gr、B、V、Mo、W等合金元素。
通过调制处理可得到较好的综合力学性能。
）此钢是冷镦模具钢，加工容易，适当的热处理后可以获得一定的韧性、塑性和耐磨性，正火可以促进组织球化，该进硬度小于160HBS，毛坯的切削性能在温度550℃-570℃进行回火，调制具有最佳的综合力学性能，并且淬透性高于45钢，适于高频淬火、火药淬火等表面硬化处理等。
化学成分
牌号
C
Si
Mn
Gr
Ni
P
S
Cu
40Gr
0.37-0.44
0.17-0.37
0.50-0.80
0.80-1.10
≤0.030
≤0.035
≤0.035
≤0.030[
机械性能：
抗拉强度δb=980mPa，屈服强度δs=985mPa,伸长率δ%=9，断面
收缩率Ψ=45%。
该零件材料为40Gr，进行加工时易变形，为了提高它的加工性能，在加工
锻造前该零件时，要进行正火；由于该零件的花键加工精度高，使它的耐磨性高，
因此要进行局部淬火。
加工方法
市场经济的前提下，一切都是为能创造出更多的财富和提高劳动率为目的，
同样的加工方法的选择一般考虑的是在保证工件加工要求的前提下，提高工件的
加工效率和经济性，而在具体的选择上，一般根据机械加工资料和工人的经验来
确定。
由于方法的多种多样，工人在选择是一般结合具体的工件和现场的加工条
件来确定最佳的加工方案。
该零件的主要结构为旋转体零件，故以车（粗车、半精车、精车）加工为主，
辅以其他加工方法如：
铣、磨以及热处理等加工方式完成整个零件的加工。
根据各表面加工要求和各种加工方法所能达到的经济精度，查表选择零件主
要表面的加工方法
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举例：
1.008
Φ200.008外圆
加工方案：
粗车、半精车——精车——磨削
公差等级：
IT12、IT9——IT8——IT7
粗糙度：
3.2、1.61.60.8
600..015065键槽宽：
加工方案：
粗铣（精铣）——磨削
公差等级：
IT12————IT9
粗糙度：
3.21.6
Φ260
0.03、Φ25
0.03外圆：
加工方案：
粗车、半精车——
精车——磨削
公差等级：
IT12
、IT9
——IT8——IT7
粗糙度：
3.2
、1.6
1.6
0.8
加工顺序
模锻下料——退火处理——车端面、钻中心孔——粗、半精车各外圆——调
质处理——研磨中心孔——精加工（各外圆）——车螺纹——铣花键——铣键槽
——磨各外圆、台阶面与键槽——表面热处理——钳——检验
加工方案
按先主后次、先粗后精的加工原则确定加工路线，采用固定循环指令进行粗
加工，再精加工，加工螺纹、花键、键槽，最后技术处理到要求。
走刀路线和对刀点选择
走刀路线包括切削加工轨迹，刀具运动到切削起始点、刀具切入、切出并返
回切削起始点或对刀点等非切削空行程轨迹。
由于半精加工和精加工的走刀路线
是沿其零件轮廓顺序进行的，所以确定走刀路线主要在于规划好粗加工及空行程
的走刀路线。
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合理确定对刀点,对刀点可以设在被加工零件上，但注意对刀点必须是基准
位或已精加工过的部位，有时在第一道工序后对刀点被加工毁坏，会导致第二道
工序和之后的对刀点无从查找，因此在第一道工序对刀时注意要在与定位基准有
相对固定尺寸关系的地方设立一个相对对刀位置，这样可以根据它们之间的相对
位置关系找回原对刀点。
这个相对对刀位置通常设在机床工作台或夹具上。
零件定位基准和装夹方式
为保证花键轴各圆柱面的同轴度和其他位置精度，半精车、精车和磨削时应该选择基准轴线为定位基准（左右Φ20基准圆柱、花键外径Φ33），轴两端钻中心孔，用两顶尖装夹。
两端中心孔相关尺寸和位置精度以及粗糙度是影响加工精度的重要因素，因此工件在调质等热处理后要安排修磨中心孔的工序。
（1）粗基准的选择原则
a.相互位置原则；b.余量最小原则；c.重要表面原则；d.不重复使用原则；e.
便于装夹原则；
（2）精基准的选择原则
a.基准重合原则；b.余量最小原则；c.自为基准原则；d.互为基准原则；e.便
于装夹原则；
总结：
根据相关的技术要求，定位基准确定如下：
1）选择精基准：
以两中心孔为精基准，采用两顶装夹定位，便于位置精度
的保证，为后续加工提供精基准。
2）选择粗基准：
以外圆柱面为粗基准。
粗车时为了保证工件装夹刚性，常采用一夹一顶的装夹方法，左端采用三爪自定心卡盘夹紧、右端采用活动顶尖支顶。
装夹图
夹外圆，粗车、半精车左端面，打中心孔
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夹外圆，粗车、半精车右端面，打中心孔
粗车、半精车左端端外圆各段及倒角
粗车、半精车左端端外圆各段及倒角
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车螺纹
铣花键
铣键槽
磨花键
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磨各轴段及外圆
加工设备
该类零件生产批量大，精度等级要求较高，选择普通车床加工，即可满足零
件尺寸精度要求，又可提高生产效率节省时间。
（1）机床的选择：
CA6140车床，M131W（万能磨床）、X52K铣床。
①CA6140：
是普通车床，C表示车床，A表示第一次重大改进，6表示落地及普通车床，1表示普通车床，40是机床主参数，回转直径为400毫米。
②M131W是万能磨床，主要对花键槽，中心孔，各轴段外圆进行研磨，加强其零件精度。
③X52K；是小型立式铣车，X=铣车，5=立式，2=工作台面200mm，K=改进次数，X52K的工作台面横向移动距离为30mm，纵向移动距离为200mm，垂直升降
为200mm，电机功率为3或4kw，立铣头可以转角度为30°或-30°，*52K可以
铣平面，铣侧面，铣沟槽等。
（2）夹具选择：
车床专用夹具、铣床专用夹具、三爪卡盘、活动顶尖支顶、分度头、V型块。
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（3）刀具及刀位号选择：
①粗车、半精车使用同一把90°合金外圆车刀（硬质合金YT15），安装在刀
架的1号刀位上，并定为基准刀。
车退刀槽使用两把车槽刀，一把主切削刃宽
2mm，另一把主切削刃宽1.36mm，刀位点都取在左刀尖。
分别安装在刀架的2、3号刀位上。
车螺纹使用60°外螺纹车刀，刀尖角取为59°30′，安装在刀架的
4号刀位上，用试切对刀法测定各刀具的刀位偏差值，并在程序运行前输入数控系统。
产品名称或代号
零件名称
花键轴
零件图号
序号
刀具号
刀具规格
数量
加工表面
刀具半径
备注
名称
/mm
90°外圆
左端外圆
8
T01
1
表面的半
车刀
精加工
90°外圆
右端外圆
9
T01
1
表面的半
车刀
精加工
8
T02
韧宽为2的
1
左端各退
切槽刀
刀槽
9
T02
韧宽为2的
1
左端各退
切槽刀
刀槽
车M24×
10
T03
螺纹车刀
1
1.5的螺
纹
编制
徐胜
审核
彭京城
批准
彭京城
共
页
第
页
②铣花键用矩形齿花滚刀。
（4）量具选择
该零件属于中批量生产，一般情况下尽量采用通用夹具，根据零件表面的精度要求和形状特点，参考有关资料选择如下：
外圆便面的公差等级为IT7级，在粗车、半精车使用读数值0.02测量范围0—500游标卡尺，在精车中因为批量较大，为提高测量效率，故采用专用卡规测量。
切削用量的确定
1、粗车
（1）选择切削深度：
单边总余量为5，粗车工序中ap=3留下3给半精车，
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0.7给粗铣，0.3给磨。
（2）选择进给量：
考虑刀杆尺寸，工件直径及一定的切削深度。
查表3-13
可选取f=0.6mm/r。
（3）选择切削速度：
根据工件材料40Gr热处理及选定切削深度和进给量，
查表3-19可取u=1.48（85m/min）。
（4）确定机床主轴转速：
n=1000v/3.14*43=630r/min
从表4.3-1机床主轴箱牌上可查得实际主轴转速可取710r/min
故实际切削速度v=3.14dn/1000=3.14*43*710/1000=1.6m/s（95.8m/min）
2、半精车
（1）选择切削深度：
ap=1mm。
（2）选择进给速度：
根据工件材料及选定切削深度和进给量查表
3-19可取
v=1.7m/s。
（3）选定机床主轴转速：
n00*1.7/3.14*43（43-6）=877.9r/min
3、粗铣键槽
（1）定铣削深度：
由于加工余量不大，故可一次走刀完成，则ae=ab=0.7mm
（2）每齿进给量：
af=0.1mm
（3）计算切削速度：
根据表3-27选刀具耐用度t=7.8*1000
（4）选定机床主轴转速
N=1000v/3.14*d=1000*81.68/3.14*1000=260
根据机床说明书选n=255
实际切削速度为：
N=1000v/3.14*d=1000*255/1000=80.07m/min
表1切削用量选择
主轴转速s/（r/min）
进给量f/（mm/r）
背吃刀量ap/mm
粗车外圆
300
0.4
3.0
半精车外圆
460
0.15
0.4
16
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车螺纹300
切槽4600.1
注：
螺纹M24×1.5车削时大径去直径为Φ23.8（Φ-0.1P）mm，总背吃刀
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