CA6140车床主轴工艺及夹具设计.docx

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摘 要

在机械领域中，车床是应用最为广泛、使用最为频繁的一种机床，特别是CA6140车床，它的应用非常的普遍。

所以它的加工精度就极其的重要，工件能否达到加工要求就取决于车床本身的精度，而决定CA6140车床加工质量的就是它的主轴。

CA6140车床主轴是把旋转运动及扭矩通过主轴端部的夹具传递给工件和刀具，要求有很高的强度及回转精度。

我在本设计中将主轴设计为空心阶梯轴，外圆表面设有花键、垫键等功能槽及螺纹。

本文设计详细计算了加工余量、切削用量、尺寸公差并阐述了CA6140主轴的加工工艺过程以及生产中所涉及的重要夹具设计方法。

经设计的CA6140主轴较其传统的车床主轴有更高的强度和回转精度。

关键词:

车床；主轴；旋转运动；公差；夹具

I

ABSTRACT

Inmachineryfield,thelatheristhemostextensivelyandfrequentlyusedmachine.EaspeciallytheCA6140lather,itsapplicationisverywidespread.Soitsprocessingaccuracyisveryimportant.Whethertheworkpiececanreachtheaccuracyrequiredisdecidedbythelather.While,thepartdecidingtheprocessingqualityofCA6140latherisitsmainshaft.ThemainshaftoftheCA6140latheristotransmittherovolvemotionandthetorquetotheworkpieceandcutting-toolthroughthefixtureontheendofmainshaft,inwhichhighstrenghandrotatingaccuracyarerequired.

Inthisdesign,myjobcontainsthethingsasbelow.Mainshaftisahollowsteppedshaft.Therearefunctionalslotsandthread,suchasspline,padkeyandsoon.Inthepaper,allowance,cuttingconsumptionandtolerancearecalculated.AlsoelaboratesthecraftprocessesofthemainshaftofCA6140lather,andthedesignofimportantfixture.Afterbeingdesigned,comparedwithtraditionallather,thestrengthandrotatingaccuracyareenhanced.

Keywords:

Lather;Mainshaft;RotatingMovement;Tolerance;Fixture

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1概述 1

1.2车床的发展史 1

1.3本课题研究的内容和设计思想 1

第2章零件的分析 4

2.1零件的作用 4

2.1.1支承轴颈 4

2.1.2头部锥孔 4

2.1.3头部短锥 4

2.1.4装配轴颈 4

2.1.5轴向锁紧 5

2.2零件的工艺分析 5

2.2.1加工阶段的划分 5

2.1.3工序顺序安排 5

2.1.4主轴锥孔的磨削 6

2.3本章小结 5

第3章工艺规程的设计 7

3.1主轴的材料、毛坯与热处理 7

3.1.1主轴的毛坯 7

3.1.2主轴的材料和热处理 7

3.2主轴加工工艺过程 8

3.2.1主轴加工的主要问题和工艺过程设计所应采取的相应措施 8

3.2.2主轴加工定位基准的选择 9

3.2.3主轴主要加工表面加工工序的安排 9

3.2.4各工序工步的排序 11

3.3本章小结 11

第4章机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 12

4.1各工序工步的加工余量的计算 12

4.2各工序工步的切削用量的计算 19

4.3本章小结 49

第5章专用夹具的设计 50

5.1钻床夹具的设计 50

5.2磨床夹具的设计 50

5.3本章小结 51

结论 52

参考文献 53

致谢 54

第1章绪 论

1.1概述

精密机床的关键部件是进给系统和主轴系统，不同类型的机床主轴，对所选用轴承的精度要求既有相同点，也有不同之处。

数控机床和轴承磨床可以归于精密机床一类。

现代精密机床和传统机床的结构，从原理上来说，没有太大的变化，主要还是区别于导轨加工技术的改进和主轴系统精度的提高。

1.2车床的发展史

车床的发展大致可区分成四个阶段，雏型期，基本架构期、独立动力期与数值控制期，底下将针对其发展的过程加以介绍。

车床的诞生不是发明出来的，而是逐渐演进而成，早在四千年前就记载有人利用简单的拉弓原理完成钻孔的工作，这是有记录最早的工具机，即使到目前仍可发现以人力做为驱动力的手工钻床，之后车床衍生而出，并被用于木材的车削与钻孔，英文中车床的名称Lathe（Lath是木板的意思）就是由此而来，经过数百年的演进，车床的进展很慢，木质的床身，速度慢且扭力低，除了用在木工外，并不适合做金属切削，直到工业革命前。

这段期间可称为车床的雏型期。

18世纪开始的工业革命，象征着以工匠主导的农业社会结束，取而代之的是强调大量生产的工业社会，由于各种金属制品被大量使用，为了满足金属另件的加工，车床成了关键性设备，18世纪初车床的床身已是金属制，结构强度变大更适合做金属切削，但因结构简单，只能做车削与螺旋方面的加工，到了19世纪才有完全以铁制零件组合完成的车床，再加上诸如螺杆等传动机构的导入，一部具有基本功能的车床总算开发出来。

但因动力只能靠人力、兽力或水力带动，仍无法满足需求，只能算是刚完成基本架构的建构。

瓦特发明了蒸气机，使得车床可藉由蒸气产生动力用来驱动车床运转，此时车床

的动力是集中一处，再藉由皮带与齿轮的传递分散到工厂各处的车床，20世纪初拥有独立动力源的动力车床（EngineLathe）终于被开发，也将车床带到新的领域。

此期间拜福特公司大量生产汽车所赐，许多汽车零件必须以车床加工，为了确保零件供应充足，供货商必须大量采购车床才能应付所需，即使到今天车床的发展仍受到汽车产业的荣枯所左右。

1.3本课题研究的内容和设计思想

54

保证主轴支承轴颈的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度，主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度以及它们对支承轴颈的位置精度。

主轴支承轴颈的尺寸精度、形状精度以及表面粗糙度要求，可以采用精密磨削方法保证。

磨削前应提高精基准的精度。

保证主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度同样应采用精密磨削的方法。

为了保证外锥面相对支承轴颈的位置精度，以及支承轴颈之间的位置精度，通常采用组合磨削法，在一次装夹中加工这些表面。

主轴加工中，为了保证各主要表面的相互位置精度，选择定位基准时，应遵循基准重合、基准统一和互为基准等重要原则，并能在一次装夹中尽可能加工出较多的表面。

由于主轴外圆表面的设计基准是主轴轴心线，根据基准重合的原则考虑应选择主轴两端的顶尖孔作为精基准面。

用顶尖孔定位，还能在一次装夹中将许多外圆表面及其端面加工出来，有利于保证加工面间的位置精度。

所以主轴在粗车之前应先加工顶尖孔。

为了保证支承轴颈与主轴内锥面的同轴度要求，宜按互为基准的原则选择基准面。

如车小端1∶20锥孔和大端莫氏6号内锥孔时，以与前支承轴颈相邻而它们又是用同一基准加工出来的外圆柱面为定位基准面（因支承轴颈系外锥面不便装夹）；在精车各外圆（包括两个支承轴颈）时，以前、后锥孔内所配锥堵的顶尖孔为定位基面；在粗磨莫氏6号内锥孔时，又以两圆柱面为定位基准面；粗、精磨两个支承轴颈的1∶12锥面时，再次用锥堵顶尖孔定位；最后精磨莫氏6号锥孔时，直接以精磨后的前支承轴颈和另一圆柱面定位。

定位基准每转换一次，都使主轴的加工精度提高一步。

对车床主轴的精确要求，就显示出其加工过程中夹具的重要性。

夹具的主要功能是装夹工件，使工件在夹具中定位和夹紧。

在机械加工中，使用机床夹具的目的主要有以下六个方面：

1.保证加工精度；2.提高劳动生产率；3.改善工人劳动条件；4.降低生产成本；5.确保工艺纪律；6.夸大机床工艺范围。

设计夹具时，应满足下列四项要求：

1.保证工件的加工精度要求；2.保证工人的操作方面安全；3.达到加工的生产率要求；4.满足夹具一定的使用寿命和经济性要求。

第2章零件的分析

2.1零件的作用

CA6140车床主轴是把旋转运动及扭矩通过主轴端部的夹具传递给工件和刀具，要求有很高的强度及回转精度，其结构为空心阶梯轴，外圆表面有花键、电键等功能槽及螺纹。

2.1.1支承轴颈

主轴两主支承轴颈A、B和1：

12锥度与双列向心短圆锥磙子轴承配合，并支承在主轴箱孔上是主轴部件的装配基准。

其圆度和同轴度将引起主轴回转误差，影响被加工工件的精度，必须严格控制。

主支承轴颈圆跳动公差为0.005mm,1:

12锥面接触率

70%，表面粗糙度Ra为0.4µm。

主轴中间辅助支承为单列滚子轴承，用以提高主轴刚性和回转精度。

其径向圆跳动公差为0.01mm；表面粗糙度Ra为0.4µm。

尺寸公差等级为IT6。

2.1.2头部锥孔

主轴头部莫氏6号锥孔是用来安装夹具的定位面的。

可安装顶尖，也可安装刀具。

其对支承轴颈A、B的圆跳动，近轴端公差为0.005mm，离轴端300公差为0.01mm。

锥面的接触率≥70%表面粗糙度为0.4µm，硬度要求HRC52。

主轴锥孔的轴线与支承轴颈线不重合，将使被加工工件产生相对位置误差。

2.1.3头部短锥

主轴头部短锥C和大台阶面D是安装卡盘的定位面。

其圆跳动为0.008µm，表面粗糙度Ra为0.8µm。

头部短锥C对支承轴颈的圆跳动将卡盘产生同轴度误差。

大台阶端面D对支承轴颈轴线跳动将卡盘产生垂直度误差。

2.1.4装配轴颈

主轴上共安装三个齿轮，其中一个空套，一个单键连接，另一个是花键连接。

装配轴颈对支承轴颈径向圆跳动公差为0.015mm～0.9mm。

表面粗糙度Ra为0.4～0.6µm，尺寸公差等级为IT5。

装配轴颈对支承轴颈的同轴度误差，会引起主轴传动齿轮啮合不良，当主轴转速很高时，还会影响齿轮的传动平稳性，产生噪生。

加工工件时，会在工件表面产生重复出现的震纹，精加工是尤为明显。

2.1.5轴向锁紧

主轴外圆上有三段螺纹，用于轴承等铃部件的轴向锁紧。

当主轴螺纹的轴线与支承轴颈歪斜时，会引起主轴上琐紧螺母端面倾斜，造成主轴内圈轴线的同向倾斜，引起主轴的径向跳动。

因此，控制螺纹轴线与支承轴