十字轴说明书

十字轴的机械加工工艺及工装设计

一、研究本课题的目的与意义

当代机械制造工业正以迅猛的步伐迈向21世纪，加工方法和制造工艺进一步完善与开拓，在传统的切削、磨削技术不断发展，上升到新的高度的同时，各种特种方法也在不断出现，开拓出新的工艺可能性，达到新的技术水平，并在生产中发挥重要作用；加工技术向高精度发展，出现了所谓的“精密工程”、“纳米技术” 。制造技术向自动化方向发展，正沿着数控技术、柔性制造系统及计算机集成制造系统的台阶向上攀登

题目所给定的传动装置的十字轴是个典型实例，在机床、汽车、拖拉机等制造工业中，轴类零件是一类用量很大，且占有相当重要地位的结构件。轴类零件的主要作用是支承传动零件并传递动和动力，它们在工作时受多种应力的作用，因此从选材角度看，材料应有较高的综合机械性能，要求有一定的硬度，以提高其抗磨损能力。为了降低成本，占领市场，要达到高质量，低成本的要求，进而对零部件提高了要求。十字轴零件小，内部需加工的地方多，设计要求严格，工序达几十多道，它是汽车上的关键零件，起着传递动力的作用，是万向联轴器上的重要零件，精度要求高，加工难度大。所以在加工十字轴时要注意尺寸，精度，结构，锻造，车削等方面都要进行更精密的加工。

二、机械加工工艺规程设计

1、工艺规程的作用

(a)工艺规程是生产准备和生产管理的基本依据，是保证产品质量和生产经

济的指导性文件。因此，生产中应严格执行既定的工艺规程。

(b)工艺规程是新建扩建工厂或车间时的基本资料。

(c)工艺规程是工艺技术交流的主要文件形式。

2、工艺规程的设计原则

(a)必须可靠地保证零件图纸上所有技术要求的实现。

(b)在规定的生产纲领和生产批量下，能以最经济的方法获得所要求的生产

率和生产纲领，一般要求工艺成本最低。

(c)充分利用现有生产条件，少花钱，多办事，并要便于组织生产。

(d)尽量减轻工人的劳动强度，保证生产安全，创造良好、文明的生产条件。

3、十字轴零件工艺分析

（1）审查零件的材料的选择是否恰当：

零件材料的选择应该立足于国内，尽量选择我国资源丰富的材料，尽量不要选择贵重金属材料，考虑到零件在工作过程中承受经常性的交变载荷，因此选用锻件，从而使金属纤维尽量不被切断，保证零件可靠工作。该十字轴材料选择20CrMnTi，为低碳合金结构钢，是一种完全满足十字轴的力学性能，价格经济的常见材料，材料选择是恰当的。

（2）检查零件的图样是否完整和正确：

经检查视图足够并正确，所标注的尺寸、公差、表面粗糙度、和技术要求合理、齐全并且零件的表面精度、表面质量和技术要求在现有的技术条件和生产条件下能够达到。

在加工过程中先以四轴颈为基准镗孔?46.2+0.20

mm，再车A面并倒角

2mm×45°，A圆面与镗孔共圆；镗孔精度为Ra1.6，A面精度Ra12.5然后以镗孔为基准车四轴颈端面和轴颈外圆，端面精度Ra12.5；

在以镗孔和轴颈外圆为基准车M、N面,M、N面精度要求Ra12.5

最后一四轴颈自身为基准精磨轴颈，轴颈要求比较高为Ra0.4。

（3）毛坯的选择

差速器十字轴的材料选择，根据零件要求要有一定的强度和耐磨性，一般常选用20CrMnTi等低碳合金结构（渗碳材料），此外考虑到生产性质为大批大量，

经渗碳淬火后表面具有高的硬度而轴心部分保持相当的强度和韧性，并且要求的力学性能高，所以采用效率和精度等级都比较高的模锻成型加工工艺。

毛坯尺寸公差和加工余量的确定

1）锻件质量

M锻件估算=2.5kg

2）加工精度

各表面为一般加工精度F1

3）锻件形状复杂系数S

对十字轴零件图进行分析计算，可大致确定锻件外廓包容体的长度、宽度和高度，即l=166mm，b=30mm，h=166mm；由公式可计算出该十字轴锻件的形状复杂系数

S=m t/m N=2.5/(lbhρ)=2.5kg/(166×30×166×7.8×106-kg/mm3)=0.477

由于0.477介于0.32和0.63之间，故该十字轴的形状复杂系数属于S2级。

为S2，属一般级别

4）机械加工余量

中心孔单面余量为2.00mm

十字轴毛胚尺寸如下：毛坯尺寸

表1 十字轴毛胚尺寸

加工面尺寸公差机械加工余量（mm）尺寸偏差（mm）

四轴端面 2.0 4.0 +0.6

-1.4

厚度21 1.8 7.2 -1.2

-0.6

四轴颈 3.0 8.0 +1.5

-1.5

镗孔0.8 4 +0.4

-0.4 （4）基面的选择

基面选择在工艺规程设计中占有很重要的位置，关系到能否保证加工质量和生产效率。基面选择合理可以使加工质量得到保证，生产效率得以提高; 否则，最直接的后果是无法保证加工质量，造成零件大批报废，浪费原材料和劳动力以及能源，降低生产效率。

1）粗基准的选择

考虑到端面对两对轴线的位置度要求，而且四个轴颈外圆是重要加工表面，这样做可保证重要加工表面的加工余量均匀，并防止加工余量不够而导致废品产生，同时选择外圆面作为粗基准定位比较稳定，符合便于装卡的原则，所以选择毛坯外圆为粗基准铣轴端面比较合理。

2）精基准的选择

以中心孔作为加工外圆的精基准，以外圆作为加工四轴端面的精基准。

（5）工艺路线方案设定

根据零件图上的各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，确定加工件各表面的加工方法，如表所示

十字轴零件各表面加工方案

综上所述，该零件工序安排顺序为：基准加工——主要表面粗加工——及一些余量大的表面粗加工——主要表面半精加工——热处理——主要表面精加工。

在综合考虑上述工序顺序的安排原则的基础上，列出如下十字轴加工工艺路线

十字轴工艺路线及装备、工装的选用

工序号工序名称机床设备刀具量具

1 粗镗孔?46mm卧式车床镗刀游标卡尺

2 粗车?162mm四轴颈端

面、倒角卧式车床YT5硬质合

金可转位

车刀

游标卡尺

3 钻四轴端中心孔四面组合钻床复合麻花

钻

游标卡尺

4 粗车一轴线两端

?22mm外圆卧式车床YT5硬质合

金可转位

车刀

游标卡尺

5 粗车另一轴线两端外圆卧式车床YT5硬质合

金可转位

车刀

游标卡尺

6 粗铣、半精铣?126mm平

面、并倒R1圆角立式铣床镶齿圆柱

铣刀

游标卡尺

7 粗铣、半精铣另一个

?126mm平面、并倒R1圆

角立式铣床镶齿圆柱

铣刀

游标卡尺

4、机械加工余量、工序尺寸及公差的确定

通过查表和估算的方法确定加工余量和工序尺寸

加工余量的大小，对零件的加工质量和生产率以及经济性均有较大的影响。余量过大将增加材料、动力、刀具和劳动量的消耗，并使切削力增大而引起工件的较大变形。反之余量过小则不能保证零件的加工质量。

下表是本设计中所确定的机械加工余量和工序尺寸

8 扩孔?46mm 、倒角 四面组合钻床 扩孔钻 游标卡尺 9

半精车、精车一轴线两

端?22mm 外圆

卧式车床

YT5硬质合金可转位车刀

游标卡尺

10 半精车、精车另一轴线两端?22mm 外圆

卧式车床 YT5硬质合金可转位车刀

游标卡尺

11 去毛刺 钳工台 塞规、百分表、卡尺等

12 热处理 淬火机等 13

磨削四轴外圆

磨床

砂轮、游标卡

尺

14 清洗 清洗机 15

终检

塞规、百分表、卡尺等

工序

工序内容

加工余量（mm ）

工序尺寸（mm ）

公差 （mm ）

5、 切削用量的确定

选择切削用量，就是在已经选择好刀具材料和刀具几何角度的基础上确定切

削深度p a ,进给量f 和切削速度v ，选择切削用量应注意以下原则：

(1)在保证加工质量，降低成本和提高生产率的前提下，使p a 、f 、v 的乘积最大，当p a 、f 、v 的乘积最大时，工序的切削工时最小。切削工时的计算公式如下：

p

p m vfa d

lA a A nf l t 1000π=

=

式中：l —每次进给的行程长度(mm);

n —转速(n/min);

1 粗镗孔?46mm 3 ?44+0.190 0 0.190 2

粗车162mm 四轴颈端

面、倒角

2

162mm

0.5

4 粗车一轴线两端?22mm 外圆

2.5

?250 -0.3

0.3

5 粗车另一轴线两端外圆 2.5 ?250 -0.3 0.3

6 粗铣、半精铣?126mm

两端平面 2.6 1 230 -0.63 210 -0.5 0.63 0.5 8 扩孔?46mm 2 ?46+0.020 0 0.020 9

半精车、精车一轴线两端?22mm 外圆

1.8 0.9 ?23.20 -0.074 ?2

2.30 -0.046 0.074 0.046 10 半精车、精车另一轴线两端?22mm 外圆

1.8 0.9 ?23.20 -0.074 ?2

2.30 -0.046 0.074 0.046 13 磨削四轴外圆

0.3

?22-0.020 -0.053

0.033

A—每边加工总余量(mm);

d—工作直径(mm)。

(2)提高切削用量要受到工艺装备（机床、刀具）与技术要求（加工精度、表面质量）的限制，所以粗加工时，一般是先按刀具耐用度的限制确定切削用量，之后再考虑整个工艺系统的刚度是否允许加以调整，精加工时，则主要依据零件表面粗糙度和加工精度确定加工余量。

(3)根据切削余量和刀具耐用度的关系可知，影响刀具寿命最小的是

a，其

p

次是f，最大是v。这是因为v对切削温度的影响最大，温度升高，刀具磨损加快，寿命明显下降。所以确定切削用量次序时，应首先选择较大的

a，其次按

p

工艺装备与技术条件的允许选择最大的f，最后根据道以确定切削用量次序时，应首先选择较大的

a，其次按工艺装备与技术条件的允许选择最具耐用度的允

p

许确定v，这样可以在保证一定道具耐用度的前提下，使

a、f、v的乘积最大。

p

工序1粗镗中心孔

工件材料20CrMnTi

机床：车床

刀具：车刀

（1）背吃刀量的选择

由表2-28查得粗镗前直径是?44mm，因此粗镗背吃刀量为0.3mm

（2）进给量的选择

粗镗由表5-29查得粗镗进给量f=0.3～1.0，故选择0.8mm/r。

（3）切削速度的选择

由表5-29查的知切削速度v=20～35，选择v=25m/min

（4）切削速度和进给量的校核

刀具每分钟进给量fm，刀具转速n和进给量f之间的关系fm=nf，由此可以求出镗孔的由由公式（5-1）n=v/∏d×1000可以求出主轴转速n=180r/min，刀具每分钟进给量fm=180×0.3=54mm符合要求。

（5）计算镗孔时间

Tj=l/fn×i=（L+l+l1+l2）/fn×i

其中l1=αp/tankα+（2-3）l2=3～5

所以根据所选数据得tj=（（28.2+31.4+0.2+3）×1）/fn=1.16min

（6）辅助时间tf=0.15×1.16=0.174min

工序2粗车四轴端面 工件材料20CrMnTi 机床：车床 刀具：车刀 (1)确定背吃刀量

p

a ：面总加工余量为2.5mm 一次走刀完成，

p

a =2.5mm 。

(2)确定进给量f ：根据《机械制造技术课程设计指导》表5-2查得f =0.3≈0.4;查5-4表根据机床的横向进给量，取f =0.39。

(3)确定切削速度：根据表5-1和表5-2，查得242v c =，m=0.2，0.15v x =，v y =0.35，

修正系数Kmv =1，hv k =0.8，tv k =1， 1.24Hv K =,0.81r

v

k K =,刀具寿命选60min T =，

故：

v v

c c x y m p v v T a f

=

=min

0.20.150.35

242

(

1 1.240.80.811)60 2.50.39m ???????

103.9min m

=

(4)确定机床主轴转速n ：

min min

10001000103.966150

c r

r w v n d ππ?=

==?

根据表5-4查得相近较小的机床转速为，所以实际的切削速度min

400r n =。

(5)计算基本时间j

T ：切削加工加工长度L=25mm ，端面车刀选用主偏角k=90

，

背吃刀量

p

a =2.5，查表5-138和表5-13得，取1l =4mm ；2(3~5)l mm =，批量生产

30l =。

1

1232d d L l l l -=

+++

=（25+4+4+0）mm

=33mm

Tj=4×L/fn=4×33/103=1.28min

（6）辅助时间tf=0.15×1.28=0.192min=11.52s

工序4粗车四轴外圆

1、加工条件及加工要求

加工要求：工件材料20CrMnTi ，粗车四轴外圆由?30.0+1.5 -1.5mm （由工

艺手册查的毛坯尺寸公差及上下偏差为0.70.31mm +-公差平均分配(1+0.02)/3=0.34）

?28.80.8 -1.54机床：卧式车床C6201-1

刀具：YT5外圆车刀，由于σ=1018Mpa ，加工材料为结构钢，选用前角25°，系统刚性足够，切削深度不大应选用较小主偏角，依据手册主偏角范围10°～15°，由于取较小主偏角可以提高刀具寿命，因此选择10°，根据前角大小，以及加工类型（粗车），查的相应的α=8°，刀杆尺寸为2

1625cm ?。

2、计算切削用量

根据加工尺寸确定背吃刀量为

0.6p a mm

=

工件直径靠近20mm ，刀具材料为硬质合金，背吃刀量0.6mm ，有工艺手册查表得

0.3mm

f r =，

通过查表法确定切削速速，根据纵车外圆的切削速度表，并根据以上得出的切削标准，选出对应的切削速度为

152min m

，

10001861.8min c

s v r n d π=

=，由机床说明书取转速为w n =

1800min r 相应的转速为

147min 1000w w n d

m

v π=

=

3、计算基本时间 本工序为四个相同工步

30

4

413.320.31800w l t s fn ==?=?

4、辅助时间tf=0.15×13.32=1.998s

工序6粗铣?126mm 平面 加工条件： 工件材料20CrMnTi 机床：铣床

刀具：YT15圆柱铣刀，齿数Z=6，依据手册，由切削深度，以及加工类型（不经粗铣的半精铣），选用粗齿。 1、计算切削用量

根据刀具材料以及加工类型，查表z f =0.12mm ，144/min c V r =。 采用硬质合金圆柱铣刀，w d =50mm ，Z=6，则

1000917.2min c

s v r n d π=

=，由机床说明书s n 取

920min r ， 于是

144min c r

v =。

刀具每分钟进给量为z w f f Zn ==662.4mm/min. 2、计算基本时间

Tj=l/fnw=112/（0.12×920）=1.01min 3、辅助时间tf=0.15×1.01min=9.09s

工序8扩孔 工件材料20CrMnTi 机床：车床 刀具：扩孔钻 （1）背吃刀量的选择

由表5-24查得选取扩孔钻直径是?44mm ，因此背吃刀量为2mm （2）进给量的选择

粗镗 由表5-24查得粗镗进给量f=0.4～1.2，故选择0.8mm/r 。 （3）切削速度的选择

由表5-24查的知切削速度选择v=56m/min （4） 计算扩孔时间 Tj=l/fn ×i=（l+l1+l2）/fn ×i

其中l1=（D-d1）/2 cot k α+（2-3） l2=3～5 n=v/∏d ×1000 d=44 n=360r/min fn=0.8×360=288

所以根据所选数据得tj=（（28.6+2+4）×1）/fn=10s （5）辅助时间tf=0.15×10=1.5s 工序10精车四轴外圆 1、加工条件及加工要求

加工要求：粗车四轴外圆由?25.00 -0.30mm 至两端面尺寸为（由工艺手册查的

毛坯尺寸公差及上下偏差为0.7

0.31mm +-公差平均分配(1+0.02)/3=0.34）?23.80 -0.34

mm,

机床：卧式车床C6201-1

刀具：YT15外圆车刀，由于σ=1018Mpa ，加工材料为结构钢，查表得前角范围

12°～15°，由于工件硬度低，前角需大一点，因此选用前角α=15°，15r k =

，

'5r k = ，刀杆尺寸为21625cm ?，刀尖半径取1mm 。 2、计算切削用量 根据切削尺寸及加工要求

0.6p a mm

=。

按表面粗糙度选取切削用量：根据刀具的相关参数，并选择有利于下步磨削最终达到最终的加工要求的表面粗糙度，查的进给量为

0.25mm

f r =。

用查表法确定切削速度，依据表加工工艺手册表（硬质合金外圆纵车削的切削速度）

258min c m

v =。

10003209min c

s v r n d π=

=，根据机床说明书，取

3200min w r n =，计算切削速度

257min 1000w w n d

m

v π=

=

3、计算基本时间

本工序为四个相同工步

30

4

490.253200w l t s fn ==?=?

4、辅助时间Tf=0.15×9s=1.35s

工序精磨四轴外圆

1、加工条件及加工要求

加工要求：磨削外圆由Φ0.020.0425.6mm --至Φ0.02

0.0425mm --

机床：外圆磨床120M 。

磨轮：由表14-22（磨轮的选择）确定砂轮材料为白刚玉，粒度为46，粘结剂

为陶瓷的平型砂轮，砂轮直径d=250mm,厚度h=6mm 。 2、确定切削用量

由加工要求

0.3p a mm

=。

由于加工类型是直接精磨，且粗糙度为0.63a R =，可直接磨削

三、工艺装备设计

（1） 定位方案

工件以四轴圆面和内孔作为定位基准，采用圆面与菱形销、支撑钉组合定位方案。其中两个半圆孔限制了工件Y 方向的移动、Y 方向的转动、Z 方向的移动、Z 方向的转动、另外大端面上的支撑钉限制了X 方向的转动、中间菱形销限制了Y 方向的移动，保证十字轴的加工要求，四轴圆面定位尺寸为?22-0.020 -0.053 mm ，半圆孔定位尺寸为?220 -0.015 mm ，工序要求的圆轴孔的中心对称度公差为0.2 mm ，

其定位误差值△d=（0.023+0.015+0.020）mm=0.058mm<（0.2×1/3）=0.067mm 因此定位方案合理

（2）夹紧机构

采用半圆孔夹紧机构，通过拧紧螺母使上半圆孔与工件表面接触同时压紧工件，实现夹紧。

（3）对刀装置

采用直角对刀块及平塞尺对刀。确定对刀块的对刀面与定位元件定位表面之间的尺寸，水平方向尺寸为[126/2+1]=64mm，其公差取工件相应尺寸公差的三分之一，由于宽度尺寸为自由公差，取公差值IT14为0.36mm，则水平尺寸公差为（1/3×0.36）mm=0.12mm，对称度标为（640.06

±）mm，同理确定垂直方向尺寸为（11.58

±）mm。

.0

（4）夹具与机床联接元件

采用两个标准定位键，固定在夹具体底面同一直线位置的键槽中，用于确定铣床夹具相对于机床进给方向的正确位置，保证定位键的宽度与机床工作台T型槽相匹配的要求。

（5）夹具体通过夹具体把夹具各部分连接起来，并将联接部分剖视。

设计夹具图如下：

结束语

在这次历时两个礼拜的课程设计中，发现自己在理论与实践中有很多的不足，自己知识中存在着很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论到实践的能力还急需提高。

在设计的过程中，我感觉到了自己的不足之处，学到了不少东西，使我对以前学习过的东西有了加深理解和熟练操作。课程设计是机械专业学习的一个重要的、总结性的理论和实践相结合的教学环节，是综合运用所学知识和技能的具体实践过程。

首先根据已知工件的需要，然后工件主要定位部分为以四轴圆面和内孔作为定位基准，采用圆面与菱形销、支撑钉组合定位方案。其中两个半圆孔限制了工件Y方向的移动、Y方向的转动、Z方向的移动、Z方向的转动、另外大端面上的支撑钉限制了X方向的转动、中间菱形销限制了Y方向的移动，保证十字轴的加工要求。这样将工件稳固的夹紧在机床上，能更方便，准确的进行钻孔加工。通过精度验算可知，此项机床夹具可施行。工件的定位、夹紧符合要求。

在设计中要注意：夹紧力的方向要有利于工件的定位，并注意工件的刚性方向，不能使工件有脱离定位表面的趋势，夹具体一般设计成平板式，保证具有足有的刚性，视图要完整清楚的表示出夹具的主要结构及夹具的工作原理，并视所有工件为透明体，用双点划线画出主要部分，并画出定位元件，夹紧机构和导向装置的位置。

两周的课程设计，让我丰富了自己的专业知识，明白还有许多知识等待自己去汲取，所以在今后的学习中，我要不断鞭策自己进取，完善自己的专业知识，迈出崭新的一步。