孙亚玲工艺课程设计讲解.docx
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孙亚玲工艺课程设计讲解
机械制造工艺学
课程设计
题目：
阶梯轴夹具设计
学号：
32131201048
姓名：
孙亚玲
教学院：
机械工程学院
专业班级：
12级机械本科班
指导教师：
闫化锦
完成时间：
2015年7月10日
教务处制
阶梯轴夹具设计
作者：
孙亚玲专业班级：
12级机械设计制造及其自动化
学号：
32131201048指导教师：
闫化锦
摘要：
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
它在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件，以传递扭矩。
按结构形式不同，轴可以分为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、各种丝杠等轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间；轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。
轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高。
根据零件的结构及其功能，运用定位夹紧的知识完成了夹具设计。
关键词：
轴类零件，轴颈，夹具
目录
摘要：
I
目录II
1、前言-1-
2、工艺规程的设计-1-
2.1、零件的工艺分析及生产类型的确定-1-
2.1.1、技术要求分析-1-
2.1.2、零件的工艺分析-2-
2.2、选择毛坯-2-
2.3、定位基准的选择-3-
2.4、拟定工艺路线-3-
2.5、确定加工尺寸和切削用量-4-
2.6、拟定工艺过程-4-
3、夹具的设计-7-
3.1、确定工件的定位方案，选择定位元件-7-
3.1.1、六点定位原理-7-
3.1.2、应用定位原理几种情况-8-
3.1.3、确定要限制的自由度-8-
3.1.4、计算定位误差-9-
3.2确定其他夹具和装置-11-
3.2.1、铣床夹具-11-
3.3.2车床夹具-12-
参考文献-13-
致谢-14-
展望-15-
1、前言
机械制造工艺学课程设计是在我们学完了大学的全部基础课、技术基础课以及大部分专业之后进行的。
这是我们进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的链接，也是一次理论联系实际训练。
因此，它在我们的大学学习生活中占有十分重要的地位。
就我个人而言，我希望能通过这次课程设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后参加工作打下一个良好的基础。
我也相信通过课程设计能将零碎的知识点都联系起来，系统而全面的做好设计。
本次课程设计是机械制造工艺学这门课程的一个阶段总结，是对课堂中学习的基本理论和在生产实习中学到的实践知识的一个实际应用过程。
由于知识和经验所限，设计会有许多不足之处，所以恳请老师给予指导。
2、工艺规程的设计
2.1、零件的工艺分析及生产类型的确定
2.1.1、技术要求分析
题目所给定的零件车床输出轴，其主要作用，一是传递转矩，使车床主轴获得旋转的动力；二是工作过程中经常承受载荷；三是支撑传动零部件。
零件的材料为45钢，是最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。
综合技术要求等文件，选用铸件。
2.1.2、零件的工艺分析
从零件图上看，该零件是典型的零件，结构比较简单，其主要加工的面有φ20、φ32、φ40、φ25、φ35的外圆柱面，图中所给的尺寸精度高，大部分是IT6级；粗糙度方面表现在键槽两侧面、φ20的粗糙度为Ra0.8，大端端面为Ra0.8um,其余为Ra3.2um，要求不高；热处理方面需要调质处理，到200HBW，保持均匀。
通过分析该零件，其布局合理，方便加工，我们通过径向夹紧可保证其加工要求，整个图面清晰，尺寸完整合理，能够完整表达物体的形状和大小，符合要求。
2.2、选择毛坯
轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。
45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，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，淬火后表面硬度可达45～52HRC。
40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。
轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。
精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。
这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。
与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。
该传动轴材料为45钢，因其属于一般传动轴，故选45钢可满足其要求。
本例传动轴属于中、小传动轴，并且各外圆直径尺寸相差不大，故选择φ45mm的热轧圆钢作毛坯。
2.3、定位基准的选择
（1）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。
由于该传动轴的几个主要配合表面及轴肩面对基准轴线A-B均有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，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。
（2）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（有时在上工步已车外圆处搭中心架），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。
2.4、拟定工艺路线
对精度要求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。
该传动轴加工划分为三个阶段：
粗车（粗车外圆、钻中心孔等），半精车（半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等），粗、精磨（粗、精磨各处外圆）。
各阶段划分大致以热处理为界。
轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。
对于传动轴，正火、调质和表面淬火用得较多。
该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆之后，半精车各外圆之前。
2.5、确定加工尺寸和切削用量
（1）传动轴磨削余量可取0.5mm，半精车余量可选用1.5mm。
加工尺寸可由此而定，见该轴加工工艺卡的工序内容。
（2）车削用量的选择，单件、小批量生产时，可根据加工情况由工人确定；一般可由《机械加工工艺手册》或《切削用量手册》中选取。
2.6、拟定工艺过程
定位精基准面中心孔应在粗加工之前加工，在调质之后和磨削之前各需安排一次修研中心孔的工序。
调质之后修研中心孔为消除中心孔的热处理变形和氧化皮，磨削之前修研中心孔是为提高定位精基准面的精度和减小锥面的表面粗糙度值。
拟定传动轴的工艺过程时，在考虑主要表面加工的同时，还要考虑次要表面的加工。
在半精加工φ35mm和φ40mm外圆时，应车到图样规定的尺寸，同时加工出各退刀槽和倒角；键槽应在半精车后以及磨削之前铣削加工出来，这样可保证铣键槽时有较精确的定位基准，又可避免在精磨后铣键槽时破坏已精加工的外圆表面。
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。
综上所述，所确定的该传动轴加工工艺过程见下表。
表2-1加工Φ40外圆柱表面
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精车
1
IT6
Φ40
0.8
半精车
1.5
IT7
Φ41.5
3.2
粗车
1.5
IT12
Φ43
3.2
毛坯
Φ45
表2-2加工Φ35外圆柱表面
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精车
1
IT6
Φ35
0.8
半精车
1.1
IT10
Φ36
0.8
粗车
1.9
IT12
Φ37.1
3.2
毛坯
Φ40
表2-3加工Φ32外圆柱表面
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精车
1
IT6
Φ32
0.8
半精车
1.1
IT10
Φ33.1
0.8
粗车
1.5
IT12
Φ34.6
3.2
毛坯
Φ35
表2-4加工Φ25外圆柱表面
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精车
1
IT6
Φ25
0.8
半精车
1.1
IT10
Φ26.1
0.8
粗车
3.8
IT12
Φ27.2
3.2
毛坯
Φ32
表2-5加工Φ20外圆表面
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精车
1
IT6
Φ20
0.8
半精车
1.5
IT10
Φ21.5
0.8
粗车
2.5
IT12
Φ23
3.2
毛坯
Φ25
表2-6铣键槽
工序名称
工序余量
工序公差
工序尺寸公差
表面粗糙度
精铣
IT9
Φ35
0.8
粗铣
IT12
Φ35
3.2
表2-7机械加工工艺过程卡片
加工工艺过程卡
产品型号
图号
零件名称
阶梯轴
文件编号
材料名称
45
数量
材料规格
产品名称
工步号
工序名称
工序内容
车间
工段
设备
1
备料
锻造毛坯
2
热处理
退火（消除内应力）
3
普车
粗车各圆柱面以及右端面，留半精车、精车余量
车床
CA6132A1500三爪卡盘
4
普车
粗精车左端面
车床
CA6132A1500三爪卡盘
5
普车
粗车Φ45外圆柱面，倒角
车床
CA6132A1500三爪卡盘
6
热处理
调制
7
数控车
半精车右端面各圆柱面倒角要求
车床
CJK6140A750三爪卡盘
8
数控车
精车右端面圆柱面，倒角要求
车床
CJK6140A750三爪卡盘
9
数控车
倒角
车床
CJK6140A750三爪卡盘
10
铣
铣键槽
铣床
X51分度头
11
去毛刺
12
检验
3、夹具的设计
3.1、确定工件的定位方案，选择定位元件
除槽宽8
0.018mm由铣刀保证外，本夹具要保证槽底面与Φ35面的距离其它要求未注公差，因此只需计算上述加工要求的定位误：
图3-1所示夹紧装置，要求设计铣槽工序用的铣床夹具。
根据工艺规程，在铣槽之前其它各表面均已加工好，本工序的加工要求是：
槽宽8±0.018mm，槽深3mm，槽底面与轴心线平行。
图3-1夹紧装置
3.1.1、六点定位原理
当工件在不受任何条件约束时，其位置是任意的不确定的。
设工件为一理想的钢体，并以一个空间直角坐标作为参照来观察钢体的位置变动。
由理论力学可知，在空间处于自由状态的钢体，具有六个自由度，即沿着X、Y、Z三个坐标轴的移动和绕着这三个坐标轴的转动，如图所示。
用X、Y、Z和X、Y、Z分别表示沿三个坐标轴的移动和绕着这三个坐标轴转动的自由度。
六个自由度是工件在空间位置不确定的最高程度。
定位的任务，就是要限制工件的自由度。
在夹具中，用分别适当的与工件接触的六个支撑点，来限制工件六个自由度的原理，称为六点定位原理。
3.1.2、应用定位原理几种情况
（1）完全定位
工件的六个自由度全部被限制，它在夹具中只有唯一的位置，称为完全定位。
（2）部分定位
工件定位时，并非所有情况下都必须使工件完全定位。
在满足加工要求的条件下，少于六个支撑点的定位称为部分定位。
在满足加工要求的前提下，采用部分定位可简化定位装置，在生产中应用很多。
如工件装夹在电磁吸盘上磨削平面只需限制三个自由度。
（3）过定位（重复定位）
几个定位支撑点重复限制一个自由度，称为过定位。
A、一般情况下，应该避免使用过定位。
通常，过定位的结果将使工件的定位精度受到影响，定位不确定可使工件（或定位件）产生变形，所以在一般情况下，过定位是应该避免的。
B、过定位亦可合理应用
虽然工件在夹具中定位，通常要避免产生“过定位”，但是在某些条件下，合理地采用“过定位”，反而可以获得良好的效果。
这对刚性弱而精度高的航空、仪表类工件更为显著。
工件本身刚性和支承刚性的加强，是提高加工质量和生产率的有效措施，生产中常有应用。
大家都熟知车削长轴时的安装情况，长轴工件的一端装入三爪卡盘中，另一端用尾架尖支撑。
这就是个“过定位”的定位方式。
只要事先能对工件上诸定位基准和机床（夹具）有关的形位误差从严控制，过定位的弊端就可以免除。
由于工件的支撑刚性得以加强，尾架的扶持有助于实现稳定，可靠的定位，所以工件安装方便，加工质量和效率也大为提高。
3.1.3、确定要限制的自由度
按照加工要求，铣通槽时应限制五个自由度，即沿x轴移动的自由度不需要限制，但若在此方向设置一止推支撑，则可起到承受部分铣削力的作用，故可采用完全定位。
3.1.4、计算定位误差
除槽宽8±0.018由铣刀保证外，本夹具要保证槽侧面与轴面的距离，其它要求未注公差，因此只需计算上述两项加工要求的定位误：
（1）加工尺寸12±0.2mm的定位误差采用3-1.1（c）所示定位方案时，轴面既是工序基准，又是定位基准，故基准不重合误差为零。
有由于轴面与长条支承板始终保持接触，故基准位移误差为零。
因此，加工尺寸12±0.2mm没有定位误差。
（2）槽的中心平面与Ф35孔轴线垂直度的定位误差长销与工件的配合去Ф35H7g6，则
Ф35g6=Ф35-0.009-0.025（mm）
Ф35H7=Ф35+0.0250（mm）
由于定位基准与设计基准重合，故基准不重合误差为零。
基准位移误差
△y=2*8tan△a=2*8*0.000625=0.01（mm）
由于定位误差△D=△y=0.01‹0.08/3（mm），故此定位方案可行。
（1）夹紧方案
根据工件夹紧的原则，除施加夹紧力外，还应在靠近加工面处增加一夹紧力，用螺母与开口垫圈夹压在工件圆柱的左端面，而对着支撑板的夹紧机构可采用钩形压板，使结构紧凑，操作方便。
（2）对刀方案
加工槽的铣刀需两个方向对刀，故应采用直角对刀块。
（3）夹具体与定位键
为保证工件在工作台上安装稳定，应按照夹具体的高宽比不大于1.25的原则确定其宽度，并在两端设置耳座，以便固定。
为了使夹具在机床工作台的位置准确及保证槽的中心平面与Ф35孔轴线垂直度要求，夹具体底面应设置定位键，定位键的侧面应与长销的轴心线垂直。
（4）夹具总图上的尺寸、公差和技术要求
下面以拨叉铣槽夹具为例给予说明。
A、夹具最大轮廓尺寸为234mm，210mm，250mm。
B、影响工件定位精度的尺寸和公差为工件内孔与长销10的配合尺寸为Ф35H7g6和挡销的位置尺寸为6±0.024mm及107±0.07mm。
C、影响夹具在机床上安装精度的尺寸和公差定位键与铣床工作台T形槽的配合尺寸14h6。
D、影响夹具精度的尺寸个公差为定位长销10的轴心线对定位键侧面B的垂直度为0.03mm；定位长销10的轴心线对夹具底面A的平行度为0.05mm；对刀块的位置尺寸为9±0.04和13±0.04mm。
本例中，塞尺厚度为2h8mm，所以对刀块水平方向的位置尺寸为
a=12-2=10（mm）（基本尺寸）
对刀块垂直方向的位置尺寸为
b=23-7-2=14（mm）（基本尺寸）
对刀块位置尺寸的公差取工件相应尺寸公差的2/1～1/5。
因此
a=10±0.04mm
b=14±0.04mm
E、影响对刀精度的尺寸和公差；塞尺的厚度尺寸2h8=22-0.014mm。
（5）夹具精度分析
为确使夹具能满足工序要求，在夹具技术要求指定以后，还必须对夹具进行精度分析。
若工序某项精度不能被保证时，还需要夹具的有关技术要求作适当调整。
按夹具的误差分析一章中的分析方法，下面对本例中的工序要求逐项分析；
A、槽宽尺寸8±0.018mm；此项要求由刀具精度保证，与夹具精度无关；
B、槽底面到轴面尺寸31±0.2mm；对此项要求有影响的是对刀块侧面到定位板间的尺寸10±0.04mm及塞尺的精度（2h8mm）。
上述两项误差之和△D+△G+△A+△J+△T=0.094<0.4（vmm）
因此，尺寸12±0.2mm能保证；
C、槽深3mm：
由于工件在Z方向的位置由定位销确定，而该尺寸的设计基准为B面。
因此有定位误差，其中△B=0.2VMM、△y=（＆d+＆D）/2=（0.16+0.025）/2=0.02mm（＆d为销公差，＆D为工件公差）。
△D=△B+△y=0.22mm、另外，塞尺尺寸（2h8mm）及对刀块水平面到定位销的尺寸（13±0.04mm）也对槽深尺寸有影响，△T=0.014+0.08+0.094mm，△J、△G、△A都对槽深无影响，因此
△D+△G+△A+△J+△T=0.314（mm）
尺寸3的公差（按IT14级）为0.36mm，故尺寸3mm能保证；
综上所述，该铣槽夹具能满足铣槽工序要求，可行。
3.2确定其他夹具和装置
3.2.1、铣床夹具
（1）铣床夹具的分类
铣床夹具按使用范围，可分为通用铣夹具、专用铣夹具和组合铣夹具三类。
按工件在铣床上加工的运动特点，可分为直线进给夹具、圆周进给夹具、沿曲线进给夹具（如仿形装置）三类。
还可按自动化程度和夹紧动力源的不同（如气动、电动、液压）以及装夹工件数量的多少（如单件、双件、多件）等进行分类。
其中，最常用的分类方法是按通用、专用和组合进行分类。
（2）铣床常用通用夹具的结构
铣床常用的通用夹具主要有平口虎钳，它主要用于装夹长方形工件，也可用于装夹圆柱形工件。
机用平口虎钳是通过虎钳体固定在机床上。
固定钳口和钳口铁起垂直定位作用，虎钳体上的导轨平面起水平定位作用。
活动座、螺母、丝杆（及方头的）和紧固螺钉可作为夹紧元件。
回转底座和定位键分别起角度分度和夹具定位作用。
（3）铣床夹具的设计特点
铣床夹具与其它机床夹具的不同之处在于：
它是通过定位键在机床上定位，用对刀装置决定铣刀相对于夹具的位置。
A、床夹具的安装铣床夹具在铣床工作台上的安装位置，直接影响被加工表面的位置精度，因而在设计时必须考虑其安装方法，一般是在夹具底座下面装两个定位键。
定位键的结构尺寸已标准化，应按铣床工作台的T形槽尺寸选定，它和夹具底座以及工作台T形槽的配合为H7/h6、H8/h8。
两定位键的距离应力求最大，以利提高安装精度。
作为定位键的安装是夹具通过两个定位键嵌入到铣床工作台的同一条T形槽中，再用T形螺栓和垫圈、螺母将夹具体紧固在工作台上，所以在夹具体上还需要提供两个穿T形螺栓的耳座。
如果夹具宽度较大时，可在同侧设置两个耳座，两耳座的距离要和铣床工作台两个T形槽间的距离一致。
B、铣床夹具的对刀装置铣床夹具在工作台上安装好了以后，还要调整铣刀对夹具的相对位置，以便于进行定距加工。
为了使刀具与工件被加工表面的相对位置能迅速而正确地对准，在夹具上可以采用对刀装置。
对刀装置是由对刀块和塞尺等组成，其结构尺寸已标准化。
各种对刀块的结构，可以根据工件的具体加工要求进行选择。
由于铣削时切削力较大，振动也大，夹具体应有足够的强度和刚度，还应尽可能降低夹具的重心，工件待加工表面应尽可能靠近工作台，以提高夹具的稳定性，通常夹具体的高宽比H/B≤1～1.25为宜。
3.3.2车床夹具
车床夹具选用普通车床（CA6132）的三爪卡盘，由于阶梯轴长190mm所以不用后顶针，三爪卡盘限制除X轴旋转以外的5个自由度，没有过定位也没有欠定位。
由于是在工件外圆表面定位，所以支承方式用的是定心定位和支承定位两种方式混合使用。
参考文献
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[11]艾兴.切削用量简明手册[M].机械工业出版社，2004
致谢
本次的《机械制造工艺》课程设计让我明白了不论什么时候不管做什么零件一定要多看书本，从书上我们每次都能找得到我们想不到的东西而且很重要。
基础知识永远是在书上的，而基础正是向更深的领域迈进，没有这个基础我们永远都不会享受到成功的喜悦。
通过这次的课程设计使我明白了一个良好的设计思路往往可以省掉一大半的时间，所以我感觉今后不论设计什么，一定要在设计思路上下工夫，哪怕前期很慢很慢，但是一旦有了思路那么后期的制作就会势如破竹，会节省很大一部分的时间的。
这次的设计我基本上是满意的，在绘制各种零件图或毛坯图的时候，一定要细心不能马虎一点。
我认为以后我们应该在这方面多下工夫。
本次的课程设计，老师尽职尽责，要求得很严格，为了辅导我们不厌其烦的把我们不懂的问题讲了一遍又一遍，真的很感谢老师。
我们一定不会辜负老师的期望，一定会努力的学好每一门知识，认真完成课程设计，更加努力的完善和充实自己，为自己的美好明天努力奋斗。
展望
此次课程设计确定了填料箱盖从铸件毛坯到成品在大量成批生产时的工艺过程，同时也设计了其中一道钻孔工序的夹具。
作为本学期的最后一次课程设计，需要我们综合前阶段所学习的机械制图、金属工艺学、金属材料、机械设计基础、互换性与测量技术、机械制造工艺学等多门课程的知识，同时还要运用数学、力学等基础学科知识以及设计手册上的标准。
所以此次课程设计是我们本科阶段学习的知识的巩固，也是一个总结。
这会为我以后的毕业设计和毕业后的就业非常有帮助，做人就要像做设计一样，要先有规划、计划，然后逐步按照计划去做去努力，这样才会有好的结果。
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