二级减速器输出轴的设计与加工工艺.docx
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二级减速器输出轴的设计与加工工艺
编号
职业技术学院
毕业论文
题目
减速器输出轴的设计
与加工工艺
学生姓名
学号
院系
专业
班级
指导教师
顾问教师
摘要
轴类零件是机械中常见的典型零件之一，其主要功用是支承传动零件部件（如齿轮，皮带轮，离合器等），传递扭矩和承受载荷。
按其功用可分为主轴、异形轴和其他轴3类。
根据其形状与结构特点可分为光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、十字轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴等。
本次毕业设计主要的内容是减速器输出轴零件的设计与加工工艺。
本次设计采用数控机床的加工方式，设计减速器输出轴传递数控加工工艺规程，并编制数控加工程序。
对减速器输出轴采用数控车床进行粗精加工，并进行热处理。
然后键槽采用铣刀进行加工，并保证各部分的尺寸达到标准。
关键词：
数控加工加工工艺工艺路线
Abstract
Shaftpartsisoneofthetypicalmechanicalpartsincommon,anditsmainfunctionistosupportthetransmissionpartsandcomponents（suchasgears,pulleys,clutches,etc.）,transmissiontorqueandloadbearing.Theirfunctioncanbedividedintospindleshapedshaftaxisandtheotherthreecategories.Accordingtoitsshapeandstructuralfeaturescanbedividedintotheopticalaxis,hollowshaft,axle,steppedshaft,splineshaft,crossshaft,eccentricshaft,crankshaft,camshaft,etc.
Thegraduationprojectisthedesignandcontentofthemainprocessingspeedreduceroutputshaftandothershaftparts.ThedesignusesaCNCmachineprocessingmethods,designreduceroutputshafttopassCNCmachiningprocessplanningandpreparationofCNCmachiningprocess.ReduceroutputshaftontheuseofCNClatheCK6140roughfinishingandheattreatment.Thenusingkeywaymillingprocessing,andensurethatthesizeofeachpartuptostandard.
Keywords:
CNCmachiningProcessRoutings
第一章绪论
1.1制造业与制造技术
制造技术是当代科学技术发展最为活跃的领域，是产品更新、生产发展、国际间经济竞争的重要手段。
制造业国民经济的基础产业，也是各种产业发展的有力支持。
制造技术的发展水平对于制造业的发展有着至关重要的影响。
1.1.1机械制造技术发展方向
向高柔性化和自动化方向发展。
其中以解决中小批量生产自动化问题为主要目标的CNC（计算机数控）、CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）、CIMS（计算机集成系统）等高新技术，越来越受到重视。
精密加工和超精密加工的应用将日益广泛。
在现代高科技领域中，产品的精度要求越来越高，掌握精密和超精密加工技术，在未来的激烈竞争中具有重要意义，也是一个国家制造水平的重要标志。
发展高速切削、强力切削。
其发展方向包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切削等。
高速切削能够大幅度提高生产效率和单位时间内材料切除率，改善加工表面质量，降低加工费用。
多种加工技术并行发展。
如特种加工：
利用声、光、电、磁、原子等能源实现的物理的，化学的加工方法（超声波加工、电火花加工、激光加工、电子束加工、电解加工等），在一些新型材料、难加工材料的加工和精密机工中取得了良好的效果；表面功能性覆盖层技术通过附着（电镀、涂层、氧化）、注入（渗氮、离子溅射、多元共渗）、热处理（激光表面处理）等手段，使工件表面有耐磨、耐蚀、耐疲劳、耐热、减摩擦等特殊功能。
1.1.2机械制造技术包括
材料（金属与非金属）成型技术：
铸造、焊接、锻造、冲压、注塑、热处理技术，以及无余量或少余量的精密成型技术等。
切削加工技术：
通常指车削、铣削、磨削、镗削、钻削等加工方法，此类技术的应用占机械制造过程总工作量60%以上，是通过刀具和工件的相对运动及在相互力的作用下，切除毛坯上多余部分，形成所需要的零件形状。
特种加工技术对形状复杂的轮廓表面、难加工材料进行加工，避免刀具碰撞等约束条件，在模具制造中有特殊的作用。
机械装配技术是指把加工好的零件按照一定顺序和技术连接到一起，成为完整的机械产品，并且可靠地实现产品对的设计功能的技术。
将零件或部件配合与之连接，使之成为半成品或成品的过程称为装配。
装配是机械制造过程中的最后环节，是最终保证机械产品质量的环节。
装配工作的基本内容有清洗、连接、调整、平衡、试验与验收等。
随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械制造技术的高速发展，如刀具及新材料的发展，主轴伺服和进给伺服、超高速切削等技术的发展，以及对机械产品质量的要求越来越高等，加速了数控加工技术的发展。
本次毕业设计主要运用数控加工技术对减速器输出轴进行加工。
第二章数控加工工艺
1.1
2.1数控加工工艺与分析
数控加工工艺，就是采用数控机床加工零件的一种方法。
工艺分析是数控车削加工的前期工艺准备工作，工艺制定得合理与否，对程序编制、机床的加工效率和零件的加工精度等都有重要影响。
因此，编制加工程序前，应遵循一般的工艺原则并结合数控车床的特点，认真而详细地考虑零件图的工艺分析，确定工件在数控车床上的装夹，刀具、夹具和切削用量的选择等。
制定车削加工工艺之前，必须先对被加工零件的图样进行分析。
数控机床加工工艺与普通机床加工工艺大体相同，只是数控机床加工的零件通常相对于普通机床加工的零件要复杂的多，而且数控机床具备一些普通机床所不可能实现的功能。
为了充分发挥数控机床的优势，必须熟悉其性能，掌握其特点及使用方法，并在编程前正确的制定加工工艺方案，进行工艺设计并优化后再进行编程。
1.2
2.2数控加工的特点
自动化程度高，可以减轻操作者的体力劳动强度。
数控加工过程是按照输入的程序自动完成的，操作者只需起始对刀、装卸工件、更换刀具，在加工过程中，主要是观察和监督机床运行。
但是，由于数控机床的技术含量高，操作者的脑力劳动强度相应提高。
加工的零件精度高，质量稳定。
数控机床的定位精度和重复定位精度都很高，较容易保证一批零件尺寸烦人一致性，只要工艺设计和程序正确合理，加之精心操作，就可以保证零件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量控制。
生产效率高。
数控机床加工时能在一次装夹时加工多个表面，一般指检测首件，所以可以省去普通机床时的不少中间工序，如划线、尺寸检测等，减少了辅助时间，而且由于数控加工出的零件质量稳定，为后续工序带来方便，起综合效率明显提高。
便于新产品研制和改型。
数控加工一般不需要很多复杂的工艺装备，通过编制加工程序就可以把形状复杂和精度要求较高的零件加工出来，当产品改型，更改设计时，只要改变程序，而不需要重新设计工装。
所以，数控加工能大大缩短产品研制周期，为新产品的研制开发、产品的改进、改型提供了捷径。
可向更高级的制造系统发展。
数控机床及其加工技术是计算机辅助制造的基础。
初始投资较大。
这是由于数控机床设备费用高，首次加工准备周期较长，维修成本高等因素造成的。
维修要求高。
数控机床是技术密集型的机电一体化的典型产品，需要维修人员既懂机械，又要懂微电子维修方法的知识，同时还要配备较好的维修装备。
1.3
2.3数控加工工艺内容
数控加工的工艺设计是对工件进行的数控加工前期工艺准备工作，必须在程序编制以前完成。
只有在工艺方案合理确定后，编程才有依据。
实践和经验证明，工艺分析设计考虑不周是造成数控加工出错的重要原因之一。
因为工艺设计的差错，往往造成后续工作的困难，有时甚至要推倒重来。
因此编程前，一定要把工艺设计工作做的尽可能细致。
a）分析零件图，制定加工工艺方案。
b）数字处理。
c）编写零件加工程序
d）制备控制介质并输入到数控机床。
e）程序校验和试切。
第三章减速器输出轴的工艺分析
1.1
2.1
3.1加速器输出轴的工作原理
减速机一般适用于低转速、大扭矩的传动设备，把电动机、内燃机或其它高速运转的动力，通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮，啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。
轴的工作原理：
轴套上的两个齿轮一端置于减速箱内，一端置于输出终端，作用是输出转矩，传递动力，所以材料具有较高的抗弯强度、扭转强度。
1.2
2.2
3.2减速器输出轴零件图样的分析
如下图所示减速器输出轴尺寸标注，根据此图制定加工工艺。
图3-1减速器输出轴
a）该输出轴零件轴段的安排呈阶梯状，便于安装于装卸。
其加工精度要求高，要有较高的行位公差，表面粗糙度最高达到了0.8µm。
零件的中心轴度是设计基准和工艺基准。
b）φ55对公共轴线的圆跳动为0.012mm。
c）φ65对公共轴线的圆跳动为0.012mm。
d）φ70对公共轴线的圆跳动为0.012mm。
e）左边16x10x63键槽的同轴度为0.08。
f）右边20x12x6键槽的同轴度为0.06。
g）零件的材料为45钢。
h）正火调制热处理
i）φ65为轴承配合，所以轴表面的精度，配合要求较高，其粗糙度为0.8µm。
j）各轴肩处过渡圆角如图所示，分别为R1.5、R2.5、R2。
k）轴端面加工出45°倒角，为了便于装配。
1.3
2.3
3.3减速器输出轴的工艺分析
1.3.1
2.3.1
3.3.1轴的加工工艺过程
轴类零件的加工工艺过程需要根据轴类零件的技术要领、生产需要、生产纲领，毛坯种类等的不同而制定出不同的工艺规程。
轴类零件的工艺规程具有很大的共性，尤其是在单件小批量生产和维修中，都遵循工序集中原则，工艺过程及其相似。
单件小批量生产中的轴类零件加工的基本工艺路线如下：
下料——校直——车端面、钻中心孔——粗车外圆表面——正火或调制——修研中心孔——粗车、精磨外圆——校验。
图3-2轴的零件图
表3.1轴的工艺路线
序号
工序名称
工序内容
设备
1
下料
45钢
2
车削
三爪卡盘夹持工件，车端面钻中心孔，用尾座顶尖顶住，粗车φ55、φ60、φ65、φ70的4个台阶，直径长度均留2mm余量
车床
调头，三爪卡盘夹持工件另一端车端面，保证总长331cm，钻中心孔，用尾座顶尖顶住，粗车φ78、φ65的台阶，直径长度均保留2mm余量
3
热处理
调制处理硬度HRC24~28
4
钳
俢研两端中心孔
车床
5
车削
双顶尖装夹，半精车φ55、φ66、φ65、φ70的四个台阶，倒角5个
车床
调头，双顶尖装夹，半精车余下的三个台阶，达到尺寸规定，倒角2个
6
铣
铣两个键槽。
键槽深度比图纸大0.25mm，作为外圆磨床的余量
铣床
7
磨
磨外圆φ65，达到图纸规定
磨床
8
检
检验
1.3.2
2.3.2
1.3.2
2.3.2
3.3.2轴的加工工艺特点
车削和磨削是轴类零件的主要加工方法。
一般精度要求低的轴，经过粗车和精车即可；精度要求较高、表面粗糙度值较小或需进行表面淬火的轴，在粗车、半精车或热处理后，还需进行粗磨和精磨。
车削和磨削可以完成轴类零件上的内外圆柱面、螺纹、圆锥面、端面等表面的加工。
需要安排必要的热处理工序。
在轴类零件加工中，安排热处理工序，一是根据轴类的技术要求，通过热处理保证其力学性能；二是按照轴类的加工要求，通过热处理改善材料的可加工性。
若轴类零件毛坯是锻件，大多需要进行正火处理，以消除锻造内应力、改善材料内部金相组织和降低其硬度，使材料的可加工性提高。
普遍采用中心孔定位。
无论是轴类零件加工时采用的顶两头、一夹一顶的定位方法，还是轮盘类零件加工时采用的心轴装夹的定位方式，其定位基准大多为中心孔。
广泛采用通用设备和通用工艺装备。
单件小批量生产轴类零件，大多在卧式车床、外圆磨床等通用设备上进行加工。
所需要的工艺装备主要是卡盘、顶尖、中心架或跟刀架等通用夹具以及普通车刀、砂轮等通用切削工具。
这些加工设备和工艺装备的类型、规格和技术性能应与零件的外形尺寸和精度要求相适应。
1.3.3
2.3.3
3.3.3轴的加工工艺分析的步骤
零件的毛坯材料为45钢。
45钢是优质碳素钢，经调制处理之后会具有良好的力学性能和切削加工性能。
经淬火加高温回火后具有良好的综合力学性能，具有较高的强度、较好的韧性和塑性。
根据表面粗糙度要求，表面加工分为粗加工和精加工。
加工时应把精加工和粗加工分开，经多次加工逐渐减少零件的变形误差。
主要以车削为主，车削时应保证其外圆的同轴度。
精车前应安排热处理工艺，以提高轴的疲劳强度和保证零件的内应力减少，稳定尺寸，减少零件变形，并保证工件在变形之后，能在半精车是纠正。
同一轴线上的各轴孔的同轴度误差会导致轴承装置时歪斜，影响轴的同轴度和轴承的使用寿命。
所以在车削磨削过程中需保证同轴度。
1.3.4
2.3.4
3.3.4轴的表面粗糙度和精度要求
减速箱输出轴的表面粗糙度、形状和位置精度要求与表面粗糙度要求
图3-3轴的零件图
表3.2轴表面精度要求
加工表面
尺寸
公差及精度等级
表面粗糙度
几何公差
轴表面
φ55
IT6
3.2
↗
0.012
φ60
IT6
3.2
φ65
IT7
0.8
↗
0.012
φ70
IT6
3.2
↗
0.012
φ78
IT6
3.2
φ65
IT7
0.8
↗
0.012
16x10x63的键
IT6
1.6
≡
0.08
20x12x6的键
IT6
1.6
≡
0.06
1.3.5
2.3.5
3.3.5零件表面加工方法的确定
典型加工路线轴类零件的主要加工表面是外圆表面，也还有常见的特形表面，因此针对各种精度等级和表面粗糙度要求，按经济精度选择加工方法。
对于普通精度的轴类零件加工，其典型的工艺路线如下：
毛坯及其热处理——预加工——车削外圆——热处理——铣键槽——磨削——终检
根据本次加工零件图各表面得加工要求以及材料性质等各因素，该轴为阶梯轴，应以车削工为主，由于ø65的粗糙度值Ra为0.8µm，所以采用磨削加工。
减速箱输出轴的各表面及其具体的加工方法
表3.3轴表面加工方法
加工表面
尺寸等级
表面粗糙度
加工方法
φ55
IT6
3.2
粗车——半精车
φ60
IT6
3.2
粗车——半精车
φ65左
IT7
0.8
粗车——精车
φ70
IT6
3.2
粗车——半精车
φ78
IT6
3.2
粗车——半精车
φ65右
IT7
0.8
粗车——精车
16x10x63的键
IT6
1.6
粗铣——半精铣
20x12x6的键
IT6
1.6
粗铣——半精铣
左端面
IT12
12.5
粗车
右端面
IT12
12.5
粗车
第四章减速器输出轴加工阶段的划分
1.1
2.1
3.1
4.1加工划分的原因
对于较复杂的零件，通常应考虑划分加工阶段。
由于输出轴是多阶梯的零件，切除大量的金属后会产生残余应力，因此在安排工序时，应该将粗、精加工分开，主要表面的精加工放在最后进行。
各阶段的划分大致以热处理为界。
整个输出轴加工的工艺过程，就是以主要表面的粗加工、半精加工和精加工为主线，穿插其他表面的加工工序而组成的。
要保证加工质量合理，划分加工阶段能合理地使用机床设备，便与热处理工序的安排，便于及时发现毛坯的缺陷，保护精加工过后的表面。
1.2
2.2
3.2
4.2毛坯的选择、尺寸确定与设计
轴类零件的毛坯通常采用棒料、锻件和铸件等毛坯形式。
一般光轴或外圆直径相差不大的阶梯轴采用棒料；外圆直径相差较大或较重要的轴常采用锻件；某些大型的或结构复杂的轴（如曲轴）可采用铸件。
一般轴类零件，用低碳钢（如45钢），经正火、调制及部分表面淬火等热处理，得到所要求的强度、韧性和硬度。
对于中等精度而转速转速较高的轴类零件，一般采用合金钢（如20Cr等），经过调制和表面淬火处理，使其具有较高的综合力学性能。
对于在高转速、重载荷等条件下工作的轴类零件，可采用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金钢，经渗碳淬火处理后，使其具有很高的表面硬度，心部则获得较高的强度和韧性。
对于高精度和高转速的轴，可选用38CrMoAl钢，其热处理变形较小，经调制和表面渗氮处理，可达到很高额心部强度和表面硬度，从而获得优良的耐磨性和耐疲劳性。
1.2.1
2.2.1
3.2.1
4.2.1毛坯的选择
轴类零件的毛坯有棒料、锻件和铸件三种。
锻件适用与零件强度较高,形状较简单的零件。
尺寸大的零件因受设备限制，故一般用自由锻；中、小型零件可选模锻；形状复杂的刚质零件不宜用自由锻。
铸件适用于形状复杂的毛坯。
钢质零件的锻造毛坯，其力学性能高于钢质棒料和铸钢件。
根据该轴零件的结构形状和外轮廓尺寸，所以采用锻件。
1.2.2
2.2.2
3.2.2
4.2.2选择毛坯要综合考虑以下几个方面的问题：
考虑零件材料的工艺性及对材料组织和力学性能的要求。
考虑零件的结构形状和尺寸。
对于阶梯轴，如果各台阶直径相差不大，可直接采用棒料作为毛坯，使毛坯准备工作简化；当阶梯轴各台阶直径相差较大，宜采用锻件作为毛坯，以节省材料和减少机械加工的加工量。
考虑生产类型。
大批、大量生产时，宜采用精度高和生产率比较高的毛坯制造工艺，如模锻、压铸等。
考虑现有生产条件。
选择毛坯应考虑毛坯制造车间的工艺水平、设备状况、技术状况，同时应考虑采用先进工艺制造毛坯的可行性和经济性。
在此次设计中，因为减速箱输出轴在工作过程中要承受冲击载荷、扭转力矩。
且载荷比较大。
为增强它的抗扭强度和冲击韧度，毛坯应选用优质低碳钢。
1.2.3
2.2.3
3.2.3
4.2.3根据减速器输出轴的零件图，可得的毛坯尺寸如下图所示
图4-1轴的毛坯尺寸
1.3
2.3
3.3
4.3毛坯的尺寸公差及加工余量的分析
加工余量是指在机械加工过程中从加工表面上切除的金属层厚度。
加工余量的大小直接影响着生产率和加工成本的高低。
若毛坯的余量过大，一是浪费材料，二是增加机械加工的劳动量，从而使生产率下降，产品成本增加；反之，若余量过小，一方面提高了对毛坯的要求使加工困难，另一方面会因余量过小使安装困难，甚至造成废品。
1.3.1
2.3.1
3.3.1
4.3.1影响工序余量的因素
前道工序的表面质量：
前一道工序形成的表面粗糙度、轮廓最大高度和表面缺陷层深度，应在本工序加工中切除。
上道工序的公差：
上道工序尺寸公差的大小对本工序余量有着直接的影响，也就是说，上道工序的公差越大，本工序余量变化就越大。
前道工序的形状和位置公差：
当工件上有些形状和位置偏差不包括在尺寸公差的范围内时，这些误差就必须在本工序的加工中纠正，本工序加工余量中必须包括形状和位置偏差，否则加工后必然为废品。
本工序的安装误差：
安装误差包括工件的定位误差和夹紧误差，由于这部分误差要影响被加工表面和刀具的相对位置，依次也应该计在工序余量中。
1.3.4
2.3.4
3.3.4
1.3.2
2.3.2
3.3.2
4.3.2公差等级
根据零件图个部分的加工精度要求，锻件的尺寸公差等级为8-12级，加工余量等级为普通级，故取IT=12级。
图4-2轴的零件图
表4.1轴的表面粗糙度
加工表面
尺寸
公差及精度等级
表面粗糙度
几何公差
轴表面
φ55
IT6
3.2
↗
0.012
φ60
IT6
3.2
φ65
IT7
0.8
↗
0.012
φ70
IT6
3.2
↗
0.012
φ78
IT6
3.2
φ65
IT7
0.8
↗
0.012
16x10x63的键
IT6
1.6
≡
0.08
20x12x6的键
IT6
1.6
≡
0.06
1.3.3
2.3.3
3.3.3
4.3.3零件表面粗糙度
根据表4.1可知该轴各加工表面的粗糙度为0.8µm、1.6µm、3.2µm、12.5µm.。
4.3.4毛坯加工余量的确定
（1）对轴左端φ55mm与φ60mm的外圆粗糙度为3.2µm,对其加工方案为粗车——半精车。
查数控加工工艺手册得：
半精车的加工余量为1.5mm，粗车的加工余量为4.5mm，总的加工余量为6mm。
φ55的轴表面精车后工序的基本尺寸为55mm，其他各工序的基本尺寸为：
半精车：
55+1.5=56.5mm；粗车：
56.5+4.5=61mm。
φ60的轴表面精车后工序的基本尺寸为60mm，其他各工序的基本尺寸为：
半精车：
60+1.5=61.5mm；粗车：
61.5+4.5=66mm。
由数控加工工艺手册查得，半精车后为IT8，粗糙度Ra为3.2µm；粗车后为IT11，粗糙度Ra为16µm。
（2）对轴左端φ65mm（左/右）的外圆粗糙度为0.8µm,对其加工方案为粗车——半精车——精车。
查数控加工工艺手册的：
精车的加工余量为1.1mm，半精车的加工余量为1.5mm，粗车的加工余量为4.5mm，总的加工余量为7.1mm，修正粗车加工余量为5.4mm，所以修正后的总的加工余量为8mm。
φ65mm的轴表面精车后工序的基本尺寸为65，其他各工序的基本尺寸为：
精车：
65+1.1=66.1mm；半精车：
66.1+1.5=67.6mm；粗车：
67.6+5.4=73mm。
由数控加工工艺手册查得，精车后IT7，粗糙度Ra为0.8µm；半精车后为IT8，粗糙度Ra为3.2µm；粗车后为IT11，粗糙度Ra为16µm。
（3）对轴左端φ70mm的外圆粗糙度为3.2µm,对其加工方案为粗车——半精车。
查数控加工工艺手册查得，半精车的加工余量为1.5mm，粗车的加工余量为4.5mm，总的加工余量为6mm。
φ70mm的轴表面精车后工序的基本尺寸为70mm，其他各工序的基本尺寸为：
半精车：
70+1.5=71.5mm；粗车：
71.5+4.5=76mm。
由数控加工工艺手册查的：
半精车后为IT8，粗糙度Ra为3.2µm；粗车后为IT11，粗糙度Ra为16µm。
（4）对轴左
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