减速器低速轴设计及加工工艺

J20型减速器低速轴的设计及加工工艺

1 设计要求

原始资料：根据成都卡帕特科技有限公司要求，设计一减速器低速轴,传递的功率P=3.42kW，主动轮转速n=60r/min，载荷平稳，单向运转，预期寿命10年（每天按300天计），单班制工作，原动机为电动机。

设计应完成的任务：设计出一个符合上述要求的轴，画出零件图，根据轴的工作条件及性能要求确定轴的加工步骤，并写出轴的加工工艺。

2 轴的结构设计

2.1最小轴径的设计

按扭矩初算最小轴径本轴是属于中、小轴，在减数器重工作时要承受各种负荷和冲击载荷并且要具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，因此该轴材料选用45钢即可满足其要求。所以选用45#调质，硬度217-255HBS.根据文献P26514.4表，取c=118, 又因为设计要求P=3.42,n=60 所以, d≥(P/N)1/3118 =(3.42/60)1/3mm=46mm考虑有键槽，将直径增大5%，则d=46(1+5%)mm=48.3 mm∴选d=50mm

2.2 轴的结构设计

2.2.1轴上零件的定位，固定和装配

单级减速器中可将齿轮安排在箱体中央，相对两轴承对称分布，齿轮左面由轴肩定位，右面用套筒轴向固定，联接以平键作过渡配合固定，两轴承分别以轴肩和套筒定位，则采用过渡配合固定。

2.2.2 确定轴各段直径和长度

为了使计算方便、易懂，现画草图如下（图上的阶梯轴从左到右依次是I段、II段、III段、Ⅳ段、Ⅴ段、Ⅵ段）

2.1 轴的草图

I段：d

1=50mm 长度取L

1

=47mm∵h=2c c=1.5mm

II段:取轴肩高3.5mm，作定位用，∴d

2

=57mm

初选用一对6213型角滚动轴承，其内径为65mm,宽度为23mm.

考虑齿轮端面和箱体内壁，轴承端面和箱体内壁应有一定距离。取套筒长为50mm，通过密封盖轴段长应根据密封盖的宽度，并考虑联轴器和箱体外壁应有一定矩离而定，为此，取该段长为55mm，安装齿轮段长度应比轮毂宽度小2mm,

故II段长：L

2

=85mm

III段直径d

3=65mm， L

3

=55mm

根据轴承安装要求，轴肩高h=2.5 mm

Ⅳ段直径d

4=70mm， L

4

=80mm

Ⅴ段直径d

5=82mm. 长度L

5

=9mm

Ⅵ段直径d

6=65 mm，长度L

6

=23 mm

由上述轴各段长度可算得轴支承跨距L=299mm 2.2.3 按弯矩复合强度计算

1.求分度圆直径：已知d=3×Z

1

=27mm

2.求转矩：已知T

1

=544350N·mm

3.求圆周力：Ft

根据参考文献P267得 Ft=2T

1/d

1

=2×544350/324=3360N

4.求径向力Fr

根据参考文献P267得Fr=Ft·tanα=3360×tan200=1220N

2.2轴的受力图

1)绘制轴的受力图如图a

2）水平面内的弯矩图(图b)，支点反力为：

F HA =F

HB

=Fr/2=1680N

由两边对称，知截面C的

弯矩也对称。截面C在垂直面弯矩为

M H =F

HA

×64=10752(N·mm)

3) 垂直面内的弯矩图

（图c）

F VA = F

HB

=64×Fr/2=534.79(N·mm)

截面处的弯矩为: M

VI=

646.95×64=34226.56(N·mm) 4)绘制合弯矩图（如图d）

M I =(M

H

2+M

V

2)1/2=(1075202+34226.562)1/2=112836.199N·mm

5)绘制扭矩图（如图e）

转矩：aT=0.6×544.35=326610N·mm

6)绘制当量弯矩图（如图f）

转矩产生的扭剪力按脉动循环变化，取α=0.6，截面C处的当量弯矩：Mec=[M

C

2+(αT)2]1/2=[112836.1992+3266102]1/2=345550N·mm

7)校核危险截面C的强度

由式（6-3）d(Mec/0.1[σ

-1])1/3=238594/0.1×551/3=39.5mm

因截面C处开有键槽，故将轴直径加大5%，即为39.5×1.05=41.475mm，结构设计草图该处直径为70mm，强度足够。轴的结构简图如下：

图2.1减速器低速

3零件的工艺过程

3.1 轴的材料

轴的失效多为疲劳破坏，所以轴对材料的要求是：具有足够的疲劳强度，对应力集中的敏感性小，具有足够的耐性，易于加工和热处理，价格合理。

轴的常用材料主要是碳素钢、合金钢和铸钢。

1．碳素钢在轴的材料中常用的有30、35、40、45、和50等优质碳素钢，尤以45纲应用最为广泛。用优质碳素钢制造的轴，一般均应进行正火或调制处理，以改善材料的力学性能。不重要的或受力较小的轴可用Q235A、Q255A，Q275A等普通碳素钢制造，一般不进行热处理。

2．合金钢合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能。但对应力集中较敏感，价格也较贵，因此多用于重载、高温、要求尺寸小、重量轻、耐磨性好等特殊要求的场合。需要指出的是，合金钢和碳素钢的弹性摸量相差很小，因此在形状和尺寸相同的情况下，用合金钢来替代碳素钢不能提高轴的钢度。此外在设计在设计合金钢轴时，必须注意从结构上减小应力集中和减少其表面粗糙度。

3．铸铁球墨铸铁和高强度铸铁适应于形状复杂的轴或大型转轴。其优点是不需要锻压设备、价廉、吸阵性好，对应力集中不敏感；缺点是冲击韧性低，铸造质量不易控制。

毛坯的形式有棒料和锻造两种，前者应用与单件小批量生产，尤其是适用于光滑轴和外圆直径相差不大的阶梯轴，对于相差较大的阶梯轴则往往采用锻件。锻件还可以获得较高的抗拉，抗弯和抗扭强度。单件小批生产一般采用自由段，批量生产则采用模锻造，大批量生产时若采用带有贯穿孔的无缝钢管毛坯，能大大节省材料和机械加工量

本轴是属于中、小轴，在减数器重工作时要承受各种负荷和冲击载荷并且要具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，因此该轴材料选用45钢即可满足其要求。

根据图样可看出外圆直径尺寸相差不大，故选择￠85mm的热轧圆钢作毛坯。

3.2轴的热处理

锻造是利用锻压机械对金属坯料施加的压力，使其产生塑性变形以获得一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造能消除金属的铸态疏松,焊合孔洞,锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件.常用的锻造有轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、板料冲压。因为轧制比较方便，所以我选择轧制。

在机器制造过程中，为使工件获得良好力学性能，或改善材料的工艺性能，常采用热处理方法。热处理就是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，获得所需组织结构与性能的一种工艺方法。

热处理是强化金属材料、提高产品质量和寿命主要途径之一。通常重要的机器零件大多数要进行热处理。如汽车、拖拉机工业中70%-80%的零件要经过热处理，机床工业中60%-70%的零件要进行热处理，各种工具则几乎100%要进行热处理。因此热处理在机械制造工业中有切削加工十分重要的地位。

根据热处理加热和冷却方式的不同，热处理可分为以下三类：

1. 整体热处理：指对工件整体进行穿透加热的热处理，主要有退火、正火、淬火和回火。

2. 表面热处理：指对工件表层进行热处理，以改变表面组织和性能的热处理，主要有火焰淬火、感应淬火等。

3. 化学热处理：指改变工件表面的化学成分、组织和性能的热处理，主要有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。

热处理的种类和方法很多，但其基本过程都由加热、保温和冷却三个阶段组成。其过程通常用“温度-时间”为坐标的曲线来表示，称热处理工艺曲线，改变加热温度、保温时间和冷却速度等参数，都会在一定程度上发生相应的组织转变，进而影响材料的性能。所以，要掌握钢的热处理规律，就必须研究钢在加热和冷却过程中的组织.综上所述制定主轴制造工艺路线：锻造→正火→切削加工（粗）→调质→（半精）→高频感应加热表面淬火→低温回火→磨削锻造是消除毛坯的铸态疏松，焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件.

正火的目的是为了消除和改善前一道工序即锻造所造成的某些组织缺陷及内应力，也为随后的切削加工（粗加工）及热处理做好组和性能上的准备。

调质是为以后的表面淬火作预先热处理；调质后的硬度不高，便于为以后的切削加工（半精加工）最好准备。

而高频感应加热表面淬火+低温回火作为最终热处理，高频感应加热表面淬火是为了使轴承处及锥孔表面得到高硬度、耐磨性和疲劳强度；

低温回火是为了消除应力，防止磨削时产生裂纹，并保持高硬度和耐磨性。

3.3确定轴表面的加工方法

轴大都是回转表面，主要采取车削与外圆磨削成形。由于该轴的主要表面的公差等级较高，所以外圆表面的加工方案可为：粗车→半精车→磨削。

先用夹具夹住毛坯的一端。先把￠85的毛坯粗车加工成￠83的外圆。

粗车：粗车外圆￠65mm→￠67mm 粗车外圆￠70mm→￠72mm

粗车外圆￠65mm→￠67mm，调头粗车外圆￠50mm→￠52mm

粗车外圆￠57mm→￠59mm

半精车：半精车外圆￠65mm→￠65.5mm 半精车外圆￠82mm→￠82.5mm

半精车外圆￠70mm→￠70.5mm 调头半精车外圆￠65mm→￠65.5mm

调头半精车外圆￠50mm→￠50.5mm 半精外圆￠57mm→￠57 mm。

磨削：磨各外圆到各设计的尺寸,磨各轴肩到各设计的尺寸。

3.4 确定轴的定位基准

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。

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。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，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。

3.5 划分加工阶段

轴类零件的加工，一般可分为三个阶段：粗加工（包括铣端面打顶尖孔，粗车外圆），半精车和精加工。具体的加工工艺路线取决于轴的主要表面的加工精度和表面粗糙度要求。加工工艺路线通常是：粗车→半精车→精车→研磨→精磨。为了改善机械加工性能和提高硬度，在加工过程中，还要插入必要的热处理工序，例如：粗加工（包括切小头端面，打顶尖孔，粗车外圆，大端端面，钻通孔等）→热处理（调质）→半精加工（包括各外圆，小端。内孔，锥孔的半精车与半精镗等）→热处理（各主轴颈及锥孔高频淬火）→精加工（包括精车小端锥孔，洗键槽，钻大端面各孔，精车各档外圆及螺纹，精磨外圆及大端锥孔等）。插入热处理工序后，主轴的加工过程自然地被分为几个加工阶段。可以说，轴类零件的加工阶段的划分大至以热处理工序为界。

由此可见，整个主轴加工的工艺过程，就是以主要表面的粗加工，半精加工和精加工为主，适当插入其它表面的加工工序而组成的。这就说明，加工阶段的划分起主导作用的是工件的精度要求。对于一般精度的机床主轴，精度是最终工序，对精密机床的主轴，还要增加光整加工阶段，以求获得更高的尺寸精度和更低的表面粗糙度。

该轴加工划分为三个阶段：粗车加工阶段、半精车加工阶段、磨削加工阶段。如表3.1。

表3.1 轴的加工划分阶段表

3.6切削用量的选择

数控车削加工中的切削用量包括被吃刀量、主轴转数、进给量和切削速度，这些参数均应在机床给定的允许范围内选取。车削用量的选择是否合理，对于能否充分充分发挥机床潜力与刀具切削性能，实现优质、高产、低成本和安全操作具有很重要的作用。车削用量的选择是粗车时，首先考虑选择尽可能大的被吃刀量其次选择较大的进给量,最后确定一个合适的切削速度.增大被吃刀量可使走刀次数减少,增大进给量有利于断屑。

精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀，因此选择精车的切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。因此，精车时要选用较小的被吃刀量和进给量并选用性能高的刀具材料和合理的参数，以尽可能提高切削速度。

表3.2 加工各段的切削用量

3.7轴的安装方式

轴类零件的安装方式有以下几种:

1 采用两中心孔定位装夹。

2 以重要外圆表面为粗基准定位加工出中心孔，再以轴两端的中心孔为定位精基准。

3 尽可能基准重合、基准统一、互为基准。

4 采用外圆表面定位装夹。

5 采用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘。

6 采用各种堵头或拉杆心轴定位装夹。

本设计采用最常见的装夹方式:两中心孔定位装夹。

3.8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￠65mm、￠82mm、￠70mm、￠65mm及￠50mm外圆时，应车到图样规定的尺寸，同时加工出各退刀槽、倒角；二个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。

综合上述分析，轴的工艺路线如下：

下料→锻造→正火→车两端面，钻中心孔→粗车各外圆→调质→修研中心孔→半精车各外圆，车槽，倒角→划键槽加工线→铣键槽→修研中心孔→淬火→磨削→检验。

4轴的加工工艺卡

表4.1轴加工工艺卡

目的是为以后的表面淬火作

预先热处理,调制后的硬度

不高,便于为以后的切削加

键槽刀（立铣刀）

5．轴类零件的检验

5.1 精度的检验

精度的检验应按一定的顺序进行，先检验形状精度，然后检验尺寸精度，最后验证位置精度，这样可以判明和排除不同的性质误差之间对测量精度的干扰。轴类零件在加工过程中和加工完了以后都要按工艺规程的要求进行检验。检验的项目主要包括表面粗糙度、表面硬度、尺寸精度、表面形状精度和相互位置精度等。

1 形状精度的检验

圆度为轴的同一横截面内最大值与最小值的误差。一般用千分尺按照测量直径的方法即可检测，也可将工件放在精密测量平板上用千分表来检验，或用千分表借助V形块来测量，精度高的轴需用比较仪或圆度仪来检验。

圆柱度是指同一轴最大直径与最小直径之差，同样可用千分尺检测。弯曲度可以用千分表检验，把工件放在平板上工件转动一周，千分表读数的最大变动量就是弯曲误差值。

2 尺寸精度的检验

在单件小批量的生产中，轴的直径一般用外径千分尺检验。精度较高时，可用杠杆卡规测量，台肩长度可用游标卡尺，深度游标卡尺和深度千分尺的检验。

大批大量生产中，常采用界限卡规检验轴的直径。长度不大而精度高的工件，也可用比较仪检验。

为了减少精密量具的磨损，缩短检验时间，可采用卡规检验轴的直径与台肩长度。

3 位置精度的检验

一般用两支承轴颈作为测量基准面，可使测量、装配及设计基准都重合，避免因基准不重合而引起的测量误差。

为提高检验精度和缩短检验时间，位置精度检验多采用多用检具，检验时将主轴的两支承轴颈放在同一平板上的两个V型架上，并在轴的一端用挡铁，钢球和工艺锥堵挡住，限制主轴沿轴向稳定，两个V型架中有一个的高度是可调的，测量时先用千分表调整轴的中心线，使它与测量平面平行，平板的倾斜角一般为15度，使工件轴端靠自重压力钢球。

在主轴前锥孔中插入检验心棒，按测量要求放置千分表，用手轻轻动主轴，从千分表读数的变化既可测量各项误差，包括锥孔及有关的表面相对支承轴颈的颈向跳动与端面跳动。

锥孔的接触精度用专用锥度量规涂色检验，要求接触面积在70%以上，分布均匀而大端接触较“硬”，即锥度只允许偏小，这项检验应在检验锥孔跳动之前进行。

6刀具的选择

机械加工中常用的刀具材料主要有高速钢、硬质合金、立方氮化硼(CBN)、陶瓷等。由于重型切削的特点(切削深度大，余量不均，表面有硬化层)，刀具在粗加工阶段的磨损形式主要是磨粒磨损。由于切削温度高，尽管切削速度处于积屑瘤发生区，但高温可以使切屑与前刀面的接触部位处于液态，减小了摩擦力，抑制了积屑瘤的生成，所以刀具材料的选择应要求耐磨损、抗冲击，刀具涂层后硬度可达80HRC，具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。硬质合金涂层具有较低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可以大大提高刀具耐用度(涂层硬质合金刀片的耐用度至少可提高1倍)等优点，但由于涂层刀片的锋利性、韧性、抗剥落和抗崩刃性能均不及未涂层刀片，故不适用高硬度材料和重载切削的粗加工。只有硬质合金刀具适合于重型切削的粗加工。硬质合金分为钨钴类(YG)、钨钴钛类(YT)和碳化钨类(YW)。加工钢料时，由于金属塑性变形大，摩擦剧烈，切削温度高，YG类硬质合金虽然强度和韧性较好，但高温硬度和高温韧性较差，因此在重型切削中很少应用。与之相比，YT类硬质合金刀具适于加工钢料，由于YT类合金具有较高的硬度和耐磨性，尤其是具有高的耐热性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力也很好，在加工钢料时刀具磨损较小，刀具耐用度较高，因此YT类硬质合金是重型加工时较常用的刀具材料。因此，本次车加工选用YG类硬质合金材料的刀具。

根据加工需要选择用45外圆车刀和用90右偏刀

用45外圆车刀车端面（是利用主刀刃进行切削的。切削条件较好，粗糙度较高，适合车削有端面，倒角的外圆工件

用90外圆车刀一般适用于车削有台阶的工件，车削时，通常由外向中心进刀，是用副刀刃进行切削的条件较差。在实际切削时，在副刀刃上磨出前角使之成为主刀刃进行切削。

对于铣键槽因为轴上的键槽的轴径较小，可在键槽铣床上利用自定心虎钳夹持加工键槽，为了保证槽的尺寸精度、一般用立铣刀。