毕业设计论文-轴套类零件加工工艺设计

课题名称：轴套类零件加工工艺设计

姓名：

院系：机电工程系

专业：机制

班级：

指导老师：

二零一七年四月十五日

机电工程系

轴套类零件加工工艺及夹具

目录

第三章轴类零件的加工工艺

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。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，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，主要要求如下：

1 尺寸精度比一般的零件的尺寸精度要求高。轴类零件中支承轴颈的精度要求最高，为IT5～IT7；配合轴颈的尺寸精度要求可以低一些，为IT6～IT9。

2 形状精度高。

3 位置精度高，其一般轴的径向跳动为0.01～0.03，高精度的轴为0.001～0.005。

4 表面粗糙度比一般的零件高，支承轴颈和重要表面的表面粗糙度Ra常为0.1～0.8um，配合轴颈和次要表面的表面粗糙度Ra为0.8～3.2um。

轴类零件一般常用的材料有45钢、40Cr合金钢、轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，还有20CrMoTi、20Mn2B、20Cr等。轴类零件最常用的毛坯是棒料和锻件，只有一些大型或结构复杂的轴，在质量允许时才采用铸件。由于毛坯经过锻造后，能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，可获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。所以除了光轴、直径相差不大的阶梯轴可使用热轧料棒料或冷拉棒料外，一般比较重要的轴大都采用锻件。另外轴类零件的毛坯还需要经过热处理。

轴的结构设计原则：

1 节约材料，减轻重量尽量采用等强度的外形尺寸，或大的截面系数的截面形状。

2 易于轴上零件的精确定位，稳固装配拆卸和调整。

3 采用各种减少应力应用和提高强度的结构措施。

4 便于加工制造和保证精度。

轴类零件中工艺规程的制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。一零件可以有几种不同的加工方法，但只有某一种较合理，在制订机械加工工艺规程中，须注意以下几点：

1 零件图工艺分析中，需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求，且要研究产

2 渗碳件加工工艺路线一般为：下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。

3 粗基准选择：有非加工表面，应选非加工表面作为粗基准。对所有表面都需加工的铸件轴，根据加工余量最小表面找正。且选择平整光滑表面，让开浇口处。选牢固可靠表面为粗基准，同时，粗基准不可重复使用。

4 精基准选择：要符合基准重合原则，尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。符合基准统一原则。尽可能在多数工序中用同一个定位基准。尽可能使定位基准与测量基准重合。选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。

第四章轴类零件实例加工（一）

4.1 实体零件的生成

实体是利用Pro/E软件生成的：首先打开Pro/E软件新建一个零件窗口，然后草绘出来零件的二维零件图，在利用软件中的实体把二维图转换成实体（如图2—1所示）。先保存一下，然后在打开一个制造的窗口，这样会弹出一个对话框，先点装配，有回弹出一个子菜单，再点装配，把刚才保存的零件装配到制造这个窗口上，调一下约束，把零件调到完全约束状态。然后点击完成。点里面的创建按扭，在下面的菜单栏里点定义后会弹出一个窗口，然后在实体零件上选一个与轴长平行的基准面，在选一个与轴垂直的基准面，然后会自动弹出草绘界面，在那上面草绘出一个比实体零件大的圆（Φ70），然后点确定按扭，把生成的毛坯覆盖住零件长度146。这样就完成了毛坯的生成（如图2—2所示）。

图2-1

图2-2

4.2 加工工艺分析

如图4.2.1-1

4.2.1 分析零件图纸和工艺分析

该轴类零件由圆柱、圆锥、圆弧、螺纹和槽等表面组成。零件材料为45号钢，无热处理要求，该零件进行精加工，图4.2.1-1中Φ70不加工。

通过上述分析，可以采用下面的工艺措施：

选用具有直线、圆弧插补功能的数控车床加工，机床名称：CJK6032A数控机床,如下图:4.2.1-2所示。

如图:4.2.1-2

相关参数如下：

1 零件螺纹外径、圆锥、侧角、外圆和台阶可一次加工，圆弧已大于90°，加工是要

注意保证加工不干涉。

2 为便于装夹，坯件左端预车出加持部分，右端也应先车出并钻好中心孔，毛坯用料为直径70mm棒料。

3 该零件在加工中只需要一次装夹加工，从图纸上进行尺寸标注分析：工件坐标系的工件原点应选择定在零件装夹后的右端面圆心处O（0，0）点，如图4.2.1-1所示。

4.2.2 确定装夹方案

由于夹具确定了零件在数控机床坐标系中的位置，因而根据要求夹具能保证零件在机床的正确坐标方向，同时协调零件与机床坐标系的尺寸。因此数控机床的夹具应定位可靠、稳定，一般采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧夹头。分析本工件为外轮廓加工，外表面可以依次加工，无内孔，可采用一次装夹完成粗、精加工。

为了保证在加工螺纹时确保工件不来回晃动,减少误差,一般以轴线和左端面为定位基准,左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧,右端采用活动顶尖支撑装夹方案。

4.2.3 确定加工路线及进给路线

加工顺序的确定按由内到外、由粗到精、由近到远的原则确定，在一次装夹中尽可能加工出较多的工件表面。因此在本设计中加工路线是按先粗车（给精车留余量1mm），然后再精车，按先主后次的加工原则尽量使“刀具集中”，即用一把刀加工完相应的部位，在换另一把刀加工其他部位。以减少空行程和换刀时间，因此：

1 车外圆：自右向左加工，起加工路线为：先倒角——切削螺纹的实际外圆Φ28——侧角——切削锥度部分——撤消圆弧部分——车削Φ66。

2 切槽：考虑到槽不太宽，可采用一把刀一刀完成，选择刀具宽度与槽宽相等，分多刀步进切削。步进深度为1mm。

3 车螺纹：分析螺纹深度不深，采用两刀完成螺纹加工。

4 切断：零件加工结束后，选择切断刀将工件从棒料上分离出来完成一个零件的加工。

加工路线如下图4.2.3所示（数控自动加工工序卡）：

如图4.2.3

软件职业技术学院数控自动加工工序卡

型

别

车削零件图号零件名称轴类零件3—1

设备名

称

车床设备型号CJK6032A 程序号%0001

基本材料45＃钢硬度HRC26-28 工序名称

区域车

削

工序

号

NC01

工步号工步内容

夹刀具量具

编号名称编号名称

1 粗车外圆01 外圆车

刀

01

游标卡

尺

2 精车槽02 切槽刀02 千分尺

3 精车螺纹03 螺纹刀01 游标卡尺

4 精车外圆03 螺纹刀02 千分尺

4.2.4 刀具的选择

与普通机床相比，数控加工时对刀具提出了更高的要求，不仅要求刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定、耐用度高、断屑和排屑性能好，同时要求安装调整方便，满足数控机床的高效率。因此，刀具的选择是数控车削加工工艺中的重要内容之一,它不仅影响机床加工效率而且直接影响零件的加工质量。在编程时选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、被加工零件材料等因素。数控加工刀具材料要求采用新型优质材料，一般原则是尽可能选择硬质合金精密加工时还可选择性能更好、更耐磨的陶瓷立方氮化硼和金刚石刀具并优选刀具参数。一般来说需将所选定的刀具参数填入表轴承套数控加工刀具卡片中，以便于编程和操作管理。常见的轴套类数控加工刀具如下。

轴承套数控加工刀具卡片

数控车工艺分析实例零件名称轴承套零件图号Lathe-01 产品名称或代

号

序号刀具

刀具规格名称数量加工表面刀尖半径mm 备注号

1 T01 45°硬质合金端面车刀 1 车端面

2 T02 中心钻 1 钻中心孔

3 T03 割槽刀 1 割槽

4 T04 镗刀 1 镗内孔各表面

5 T05 90°外圆车刀 1 车外圆表面

6 T06 大钻头 1 钻底孔

7 T07 60°外螺纹车刀 1 车M45螺纹

编制张忠祥审核批准年月日共1页第1页根据加工要求，选用三把刀具，Ⅰ号刀车外圆，Ⅱ号刀切槽，Ⅲ号刀车螺纹及进行精加工。刀具应正确的选择换刀点，以便在换刀过程中，刀具与工作机床和夹具不会碰撞。此设计中，换刀点为P（100，100）见图4.2.1-1。

为35度；

（2）切槽选择硬质合金切槽刀，刀尖宽度为5mm；

（3）精车倒角、外圆、圆锥、圆弧。车M28Χ1.5螺纹，应选用硬质合金60°外螺纹刀，取刀尖半径为0.15～0.2mm。

刀具选择完毕、工件装夹方式确定后，即可通过确定工件原点来确定工件坐标系。如果要运行这一程序来加工工件，必须确定刀具在工件坐标系开始运动的起点。程序起始点或起刀点一般通过对刀来确定，所以，该点又称为对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是：

（1）便于数值处理和简化程序编制；

（2）易于找正并在加工过程中便于查找；

（3）引起的加工误差小。

对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具或机床上。

4.3 选择切削用量

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。

4.3.1 主轴转速的确定

主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。根据本次加工的实际情况选择主轴转速为：车直线、圆弧和切槽时其粗车主轴转速为400r/min，精车时，主轴转速900r/min，车螺纹时的主轴转速为400r/min。

4.3.2 进给速度的确定

进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工进度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。一般粗车选用较高的进给速度，以便较快去除毛坯余量，精车以考虑表面粗糙和零件精度为原则，应选择较低的进给速度，得出下表

粗精

外圆0.15min/r 0.08min/r

内孔0.05min/r 0.04min/r

槽0.04 min/r

在本例中选择进给速度为：粗车时，选取进给量为0.14mm/r，精车时，选取进给量为0.08mm/r，车螺纹时，进给量等于螺纹导程，选为1.5mm/r。

4.3.3 背吃刀量确定

背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量(除去精车量)，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2-0.4mm。本例中，背吃刀量的选择大致为如下表4.3.3：

如表4.3.3：

粗精

外圆 1.5-2(mm) 0.2-0.4(mm)

内孔1-1.5(mm) 0.1-0.3(mm)

螺纹随进刀次数依次减少

槽根据刀宽，分两次进行

注意：背吃刀量的选择因粗、精加工而有所不同。粗加工时，在工艺系统刚性和机床功率允许的情况下，尽可能取较大的背吃刀量，以减少进给次数；精加工时，为保证零件表面粗糙度要求，背吃刀量一般取0.l~0.4 mm较为合适。故在本例中粗加工时：切削深度为4mm，精车时切削深度为0.4mm。

4.4 编程

数控机床是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备，是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物。随着数控机床的发展与普及，现代化企业对于懂得数控加工技术、能进行数控加工编程的技术人才的需求量必将不断增加。数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。

4.4.1 编程技巧

数控车床与普通车床相比，一个显著的优点是：对零件变化的适应性强，更换零件只需

改变相应的程序，对刀具进行简单的调整即可做出合格的零件，为节约成本赢得先机。但是，要充分发挥数控机床的作用，不仅要有良好的硬件，（如：优质的刀具、机床的精度等），更重要的是软件：编程，即根据不同的零件的特点，编制合理、高效的加工程序。

数控车床虽然加工柔性比普通车床优越，但单就某一种零件的生产效率而言，与普通车床还存在一定的差距。因此，提高数控车床的效率便成为关键，而合理运用编程技巧，编制高效率的加工程序，对提高机床效率往往具有意想不到的效果。

1 灵活设置参考点

一般来说，数控车床共有二根轴，即主轴Z和刀具轴X。棒料中心为坐标系原点，各刀接近棒料时，坐标值减小，称之为进刀；反之，坐标值增大，称为退刀。当退到刀具开始时位置时，刀具停止，此位置称为参考点。参考点是编程中一个非常重要的概念，每执行完一次自动循环，刀具都必须返回到这个位置，准备下一次循环。因此，在执行程序前，必须调整刀具及主轴的实际位置与坐标数值保持一致。然而，参考点的实际位置并不是固定不变的，编程人员可以根据零件的直径、所用的刀具的种类、数量调整参考点的位置，缩短刀具的空行程。从而提高效率。

2 化零为整法

在低压电器中，存在大量的短销轴类零件，其长径比大约为2~3，直径多在3mm以下。由于零件几何尺寸较小，普通仪表车床难以装夹，无法保证质量。如果按照常规方法编程，在每一次循环中只加工一个零件，由于轴向尺寸较短，造成机床主轴滑块在床身导轨局部频繁往复，弹簧夹头夹紧机构动作频繁。长时间工作之后，便会造成机床导轨局部过度磨损，影响机床的加工精度，严重的甚至会造成机床报废。而弹簧夹头夹紧机构的频繁动作，则会导致控制电器的损坏。要解决以上问题，必须加大主轴送进长度和弹簧夹头夹紧机构的动作间隔，同时不能降低生产率。由此设想是否可以在一次加工循环中加工数个零件，则主轴送进长度为单件零件长度的数倍，甚至可达主轴最大运行距离，而弹簧夹头夹紧机构的动作时间间隔相应延长为原来的数倍。更重要的是，原来单件零件的辅助时间分摊在数个零件上，每个零件的辅助时间大为缩短，从而提高了生产效率。为了实现这一设想，我联想到电脑程序设计中主程序和子程序的概念，如果将涉及零件几何尺寸的命令字段放在一个子程序中，而将有关机床控制的命令字段及切断零件的命令字段放在主程序中，每加工一个零件时，由主程序通过调用子程序命令调用一次子程序，加工完成后，跳转回主程序。需要加工几个零件便调用几次子程序，十分有利于增减每次循环加工零件的数目。通过这种方式编制的加工程序也比较简洁明了，便于修改、维护。值得注意的是，由于子程序的各项参数在每

次调用中都保持不变，而主轴的坐标时刻在变化，为与主程序相适应，在子程序中必须采用相对编程语句。

3 减少刀具空行程

在数控车床中，刀具的运动是依靠步进电动机来带动的，尽管在程序命令中有快速点定位命令G00，但与普通车床的进给方式相比，依然显得效率不高。因此，要想提高机床效率，必须提高刀具的运行效率。刀具的空行程是指刀具接近工件和切削完毕后退回参考点所运行的距离。只要减少刀具空行程，就可以提高刀具的运行效率。（对于点位控制的数控车床，只要求定位精度较高，定位过程可尽可能快，而刀具相对工件的运动路线是无关紧要的。）在机床调整方面，要将刀具的初始位置安排在尽可能靠近棒料的地方。在程序方面，要根据零件的结构，使用尽可能少的刀具加工零件使刀具在安装时彼此尽可能分散，在很接近棒料时彼此就不会发生干涉；另一方面，由于刀具实际的初始位置已经与原来发生了变化，必须在程序中对刀具的参考点位置进行修改，使之与实际情况相符，与此同时再配合快速点定位命令，就可以将刀具的空行程控制在最小范围内从而提高机床加工效率。

4 优化参数，平衡刀具负荷，减少刀具磨损

由于零件结构的千变万化，有可能导致刀具切削负荷的不平衡。而由于自身几何形状的差异导致不同刀具在刚度、强度方面存在较大差异，例如：正外圆刀与切断刀之间，正外圆刀与反外圆刀之间。如果在编程时不考虑这些差异。用强度、刚度弱的刀具承受较大的切削载荷，就会导致刀具的非正常磨损甚至损坏，而零件的加工质量达不到要求。因此编程时必须分析零件结构，用强度、刚度较高的刀具承受较大的切削载荷，用强度、刚度小的刀具承受较小的切削载荷，使不同的刀具都可以采用合理的切削用量，具有大体相近的寿命，减少磨刀及更换刀具的次数。

4.4.2 编程特点

1)在一个程序段中，根据图样上标注的尺寸，可以采用绝对值编程、增量值编程或二者混合编程。

2)由于被加工零件的径向尺寸在图样上和测量时，都是以直径值表示。所以直径方向用绝对值编程时，X以直径值表示，用增量值编程时，以径向实际位移量的二倍值表示，并附上方向符号(正向可以省略)。

3)为提高工件的径向尺寸精度，X向的脉冲当量取Z向的一半。

4)由于车削加工常用棒料或锻料作为毛坯，加工余量较大，所以为简化编程，数控装置常具备不同形式的固定循环，可进行多次重复循环切削。

5)编程时，常认为车刀刀尖是一个点，而实际上为了提高刀具寿命和工件表面质量，车刀刀尖常磨成一个半径不大的圆弧，因此为提高工件的加工精度，当编制圆头刀程序时，需要对刀具半径进行补偿。大多数数控车床都具有刀具半径自动补偿功能(G41、G42)这类数控车床可直接按工件轮廓尺寸编程。对不具备刀具半径自动补偿功能的数控车床，编程时，需先计算补偿量。

4.4.3 编程方法

数控编程方法有手工编程和自动编程两种。手工编程是指从零件图样分析工艺处理、数据计算、编写程序单、输入程序到程序校验等各步骤主要有人工完成的编程过程。它适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件的加工，以及计算较简单，程序段不多，编程易于实现的场合等。但对于几何形状复杂的零件，以及几何元素不复杂但需编制程序量很大的零件，由于编程时计算数值的工作相当繁琐，工作量大，容易出错，程序校验也较困难，用手工编程难以完成，因此要采用自动编程。所谓自动编程即程序编制工作的大部分或全部有计算机完成，可以有效解决复杂零件的加工问题，也是数控编程未来的发展趋势。

4.4.4 编程步骤

拿到一张零件图纸后，首先应对零件图纸分析，确定加工工艺过程，也即确定零件的加工方法，加工路线及工艺参数。其次应进行数值计算。绝大部分数控系统都带有刀补功能，只需计算轮廓相邻几何元素的交点（或切点）的坐标值，得出各几何元素的起点终点和圆弧的圆心坐标值即可。最后，根据计算出的刀具运动轨迹坐标值和已确定的加工参数及辅助动作，结合数控系统规定使用的坐标指令代码和程序段格式，逐段编写零件加工程序单，并输入CNC 装置的存储器中。

4.4.5 实例分析

数控车床主要是加工回转体零件，典型的加工表面不外乎外圆柱、外圆锥、螺纹、圆弧面、切槽等。由于该零件的加工路线、切削用量、刀具选择在上文已分析完毕，在此不在做重复分析。

走刀路线图：

编写程序单，确定O为工件坐标系的原点（见图 4.2.1-1 ）并将A点作为换刀点，即程序的起点。

五机床夹具

5.1.1机床夹具的分类

1通用夹具在一定范围内可用于加工不同工件的夹具.其特点是适应性广，生产效率低，主要适用于单件、小批量的生产中.

2专用夹具是指专为某一工件的某道工序而专门设计的夹具。其特点是结构紧凑，操作迅速、方便、省力，可以保证较高的加工精度和生产效率，但设计制造周期较长、制造费用也较高。当产品变更时，夹具将由于无法再使用而报废。只适用于产品固定且批量较大的生产中。

3通用可调夹具和成组夹具其特点是夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。用于相似零件的成组加工所用的夹具，称为成组夹具。通用可调夹具与成组夹具相比，加工对象不很明确，适用范围更广一些。

4组合夹具组合夹具是指按零件的加工要求，由一套事先制造好的标准元件和部件组装而成的夹具。由专业厂家制造，其特点是灵活多变，万能性强，制造周期短、元件能反复使用，特别适用于新产品的试制和单件小批生产。

5随行夹具随行夹具是一种在自动线上使用的夹具。该夹具既要起到装夹工件的作用，又要与工件成为一体沿着自动线从一个工位移到下一个工位，进行不同工序的加工。

6机床的分类

（1）按用途可分：车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、齿轮机床夹