(钻床主轴设计)

机械制造技术基础

课程设计

题目：钻床主轴的机械加工工艺规程设计内容：

1、产品零件图 1 张

2、产品毛坯合图 1 张

3、机械加工工艺过程综合卡片 1 张

4、机械加工工序卡 1 张

5、课程设计说明书 1 份

专业：机械设计与制造

学号201003120201

姓名：陆祖干

指导教师：苏庆勇

零件图：

零件—毛坯合图：

锻造后:

生产批量：单件小批生产.

第一章 拟定零件加工工艺路线分析

1.1 零件图样分析

⑴ 轮廓形状

该零件表面由外圆柱面、退刀槽、外螺纹、花键、锥孔、长孔、倒角所构成。

轴的长径比小于5的称短轴，大于20的称长轴。该零件，属细长轴类零件，其

刚性较差。在加工中易弯曲变形，造成较大的加工误差，降低加工精度，包括尺

寸、位子、形状精度和表面粗糙度。

⑵ 精度的要求：

1）φ70mm 外圆柱面对两处φ40外圆轴线所形成的公共轴线的圆跳动公差为

0.01mm 。

2）φ40013.0002

.0++mm 外圆柱面的轴线对两处φ40外圆轴线所形成的公共轴线的同轴度公差为φ0.008mm 。

3）φ40006.0005.0+

+mm 外圆柱面对两处φ40外圆轴线所形成的公共轴线的同轴度公差

为φ0.008mm 。

4）花键轴部份外圆φ32009.0025.0-

-mm 外圆柱面对两处φ40外圆轴线所形成的公共轴

线的圆跳动公差为0.03.mm 。

5）花键轴的齿侧面对花键轴外圆φ32009.0025.0--mm 的轴线，

对称度公差为0.012mm 。 6）在磨削莫氏4号锥孔时，利用基准轴径A 做为支撑部位，用基准轴径B 找

正工件，保证了锥孔与基准轴的同轴度。

7）莫氏4号的内圆锥孔对两处φ40外圆轴线所形成的公共轴线的圆跳动公差

为0.015mm 。

8）φ40013.0002.0+

+mm ×52mm 的左端面对两处φ40外圆轴线所形成的公共轴线的圆跳

动公差为0.02mm 。

9）锥孔接触面涂色检查接解面≥75%。

10）热处理先调质处理28~32HRC ，尺寸φ70mm ×138mm 部分淬火42~48HRC 。

11） φ70外圆表面粗糙度要求为Ra1.6，公差等级为IT7级，查表可知 要粗

车、半精车、精车方能达到要求。但是，应为φ70mm ×138mm 部分淬火42~48HRC ，

硬度比较硬，难以切削，磨损很大，改为磨销加工达到尺寸，所以该段加工为粗

车、半精车、粗磨。

12） φ40外圆表面表面粗糙度为Ra0.8，公差等级为IT5级，查表可知 要

粗车、半精车、粗磨、精磨方能达到要求。

⑶ 材料的性质,特点,及有无热处理要求。

材料为45Cr 钢，硬度比较软要正火调质处理才能有良好的切削性能。热处理先

调质处理28~32HRC ，使钻床主轴有良好的刚性和硬度。尺寸φ70mm ×138mm 部分

淬火42~48HRC ，使伸出钻床主轴箱部分，不易破坏，影响加工精度。

这些要求主要通过选用合理的刀具及几何参数， 正确的粗精加工路线, 合理切

削用量， 冷却液及工序的安排等措施来保证。

通过以上几点的分析措施有：

1）钻床主轴结构比较复杂，又属细长轴类零件，其刚性较差。因此所有表面

加工分为粗加工、半精加工和精加工三次，而且工序分得很细，这样经过多次加

工以后，逐次减小了零件的变形误差。

2）安排足够的热处理工序，也是保证消除零件内应力，减少零件变形的手段。

3）为了保证支撑轴和锥孔的同轴度，加工过程中，配用锥堵使外圆和锥孔的

加工能达到圆跳动公差为0.015mm 要求。

4）无论是车削还是磨削，工件夹紧力要适度，在保证工件无轴向窜动的条件

下，应尽量减小夹紧力，避免工件产生弯曲弯形，特别是在最后精车、精磨时，

更应重视这一点。

1.2 零件图样功能分析

1）钻床主轴靠主轴上的花键轴部：有钻床主轴整体导向和传递机床电机给主轴

转矩部分。花键轴部对外圆φ32009.0025.0-

-mm 的轴线，有圆跳动公差和对称度公差，

此处位置公差是为了保证，钻床主轴的传动精度。

2）φ30的外圆表面：过渡作用，外螺纹M36×1.5和外圆φ32的衔接过度。

3）M36×1.5处的外螺纹：此处和钻床主轴箱的内螺纹配合，为了使主轴紧固在

主轴箱内，与此处相配套使用的退刀槽一起有限位的作用。

4）φ40圆柱外圆：φ40圆柱外圆与轴承想配合。φ40表面粗糙度0.8是为了减

小与轴承配合的摩擦。该处的公差是为了保证传递的转矩不会造成圆跳动。

5）φ50的表面：该处表面与轴承起限位作用。

6）削莫氏4号锥孔：装夹刀具的地方。

第二章拟定零件加工工艺路线

2.1 选择零件各表面的加工方法

Φ70的外圆柱表面：表面粗糙度为1.6属于IT7~IT8级需要经过粗车、半精车、精车才能达到。但是因为该段淬火42~48HRC。查《机械工程材料》第75页淬火可知在淬火时工件会有很大的内应力，往往会引起工件的变形所以在淬火后腰安排磨销以修正变形的外圆。硬度又比较高，所以取消精车改为粗磨。

Φ40的外圆柱表面：表面粗糙度为0.8属于公差等级为IT5级需要经过粗车、半精车、粗磨、精磨才能达到。

M36×1.5—6h外螺纹：该外螺纹在Φ40的外圆柱表面上所以也要经过粗车、半精车、精车这三部才能进行螺纹切削。该处外表面车削要

比图纸M36×1.5—6h的外圆直径小0.2mm，这样便于外螺纹的配合。外螺纹小径= 导程×公称直径×0.62=1.5×36×0.62=33.48mm。

Φ30的外圆柱表面：此外圆没有标注粗糙度要求，也没有长度要求所以安自由公差来切削。

Φ32：表面粗糙度为1.6属于IT7~IT8级需要经过粗车、半精车、精车才能达到。此处还有一个花键，要铣削。

2.2估算毛坯的机械加工余量和毛坯的大小

根据《机械工人切削手册》查询可得如下结果：

Φ70的外圆柱表面：粗糙度Ra1.6 IT 7 粗车 4mm 半精车 4mm 粗磨 0.6mm

Φ40的外圆柱表面：粗糙度Ra0.8 IT7

粗车 6mm 半精车 1.2mm 粗磨 0.8mm

半精磨 0.3 精磨 0.1mm

Φ32：粗糙度Ra1.6 IT6

粗车 6mm 半精车 1.2mm 粗磨 0.8mm

莫氏锥孔粗糙度 IT6

钻孔Φ19的钻头粗镗0.8mm 半精镗0.5mm 精镗0.5mm

粗磨 0.2mm

内孔：粗糙度IT11 钻-扩

Φ300+0.025内孔：粗糙度IT7钻-扩-粗车-精车

通孔两端的600锥角及键槽：粗糙度IT7粗车-半精车-精车

根据各工序加工余量的选定

因中间Φ40和那Φ32段比较长，在锻造过程中会产生的弯曲变形会比较大，要多留些余量来车削修整外圆。所以这两段外圆在加5mm的切削余量。毛坯锻造以后的大小是由Φ79×151和Φ52×462和Φ44×417三个圆柱构成的毛坯。

根据质量守恒定律可以算出毛坯的大小

圆柱的体积=底面积×高

毛坯的长度=（Φ79的体积+Φ40的体积+Φ44的体积）+中心台体积/0.98锻造时的磨耗。/（40×40）π=（π×39.5×39.5×151+π×26×26×462+π×22×22×417）+（π×15×15×17）/0.98锻造时的磨耗。/（40×40）π={π（39.5×39.5×151+ 26×26×462+ 22×22×417）/0.98锻造时的磨耗。/（40×40）π}=π（1560.2×151+676×462+484×417）=π（218435+106420314+201828）

≈478.15+2.44 ≈481

毛坯的大小为Φ80×481

2.3拟定零件加工工艺路线

机械加工中，加工路线对零件的加工精度，表面质量以及加工效率有着直接

的影响。因此，确定好的加工路线是保证加工精度、表面质量、提高效率的工艺措施之一，其确定与工件要求的零件表面质量、机床进给机构间隙、刀具耐用度

以零件轮廓形状有关。以下便是针对本零件的结构确定其工艺路线。

1、划分加工阶段

为能保证零件的技术要求及尺寸精度，可分为：

粗加工-半精加工粗加工-半精加工-精加工，并用到车，铣和钻三个工种，完成其全部加工过程。

2、拟定工艺路线

机械加工中，加工路线对零件的加工精度，表面质量以及加工效率有着直接的影响。因此，确定好的加工路线是保证加工精度、表面质量、提高效率的工艺措施之一，其确定与工件要求的零件表面质量、机床进给机构的间隙，刀具耐用

度以及零件轮廓形状有关。以下便是针对本零件的结构确定其工艺路线。

1)工艺路线一：

准备毛坯——正火——调质——把小端深入主轴孔，夹住台阶处——平端面，钻中心孔——粗车、半精车这头外圆——调头——夹大端托小钻中心孔——粗车半精车小端端各处外圆——铣，用分度头夹大端顶小端，铣两长孔，至图样要求——热处理φ70mm×138mm部分淬火42~48HRC——夹大端顶小端，精车小端各段外圆，倒角——分度头夹端、顶小端、粗铣、半精铣花键——夹小端，顶大端（活顶尖），粗磨各段外圆——夹小端，中心架托大端φ70mm处，粗磨锥孔——车螺纹M36×1.5~6h至图样要求————磨内圆锥孔——修中心孔

2）工艺路线二：

准备毛坯——正火——夹小端托大端钻中心孔——粗车这头外圆——调头——夹大端托小钻中心孔——粗车小端端各处外圆——调质

——半精车各处外圆——铣，用分度头夹大端顶小端，铣两长孔，至图样要求——夹大端托小端精车各处外圆——分度头夹端、顶小端、粗铣、半精铣花键——车螺纹M36×1.5~6h至图样要求——热处理φ70mm×138mm部分淬火42~48HRC ——夹小端，顶大端，粗磨大端外圆——夹小端，中心架托大端φ70mm处，粗磨锥孔

方法一与方法二相比较，方法一要用到大型车床，大型车床的每小时的能耗比小型车床的能耗高，经济效益就相对的低了不符合任务书的要求设计方案必须注重经济性，尽量选用通用工装及设备，减少实际生产加工中的外委加工。调质后进行粗车，磨耗会比较高，刀具的磨损也会提高，零件的尺寸误差就会提高。

综合以上所说采用方案二比方案一好些。

第三章零件的毛坯类型及其制造方法

3.1 零件毛坯类型

在制订机械加工工艺规程时，正确选择合适的毛坯，对零件的加工质量、材料消耗和加工工时都有很大的影响。显然毛坯的尺寸和形状越接近成品零件，机械加工的劳动量就越少，但是毛坯的制造成本就越高，所以应根据生产纲领，综合考虑毛坯制造和机械加工的费用来确定毛坯，以求得最好的经济效益

零件毛坯类型

铸件：铸件适用于形状较复杂的零件毛坯。其铸造方法有砂型铸造、精密铸造、金属型铸造、压力铸造等。较常用的是砂型铸造，当毛坯精度要求低、生产批量较小时，采用木模手工造型法；当毛坯精度要求高、生产批量很大时，采用金属型机器造型法。铸件材料有铸铁、铸钢及铜、铝等有色金属。

锻件：锻件适用于强度要求高、形状比较简单的零件毛坯。

锻件又可以分为两种形式

①自由锻件：利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。

自由锻的特点：工具简单、通用性强，生产准备周期短。自由锻件的质量范围可由不及一千克到二、三百吨，对于大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，这使得自由锻在重型机械制造中具有特别重要的作用，例如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆、重要的齿轮等零件在工作时都承受很大的载荷，要求具有较高的力学性能，常采用自由锻方

法生产毛坯。

②模锻件：是有模具的锻造件，利用模具锻出精度要求比叫高，比较复杂的锻件。模锻件的特点应该是针对于自由锻来谈才会好一点，自由锻基本上不会有模具，只能锻轴、环等极其简单的东西，而模锻就可以锻出很多结构的产品，且可以控制产品的尺寸公差，减少车加工量

型材：型材有热轧和冷拉两种。热轧适用于尺寸较大、精度较低的毛坯；冷拉适用于尺寸较小、精度较高的毛坯。

根据任务书可知零件属于单件小批生产类型，查《数控机床加工工艺》第55页表3-4可知该生产类型的毛坯的制造方法，用铸件用木模手工型，锻件用自由锻。铸件适用于形状较复杂的零件，可本零件外形不怎么复杂。铸件由于多种因素影响，常常会出现气孔、针孔、夹渣、裂纹、凹坑等缺陷。自由锻的特点：工具简单、通用性强，生产准备周期短。锻造的质量范围比较广不及一千克到二、三百吨，这两点很适合本次零件的毛坯锻造。从合理选择毛坯，以求得最好的经济效益。综合零件工艺特性，生产纲领大小及其经济性，确定为自由锻件经过锻造后进行正火处理以消除锻件在铸造过程中产生的内应力，提高材料性能。

3.2热处理

金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可

区分为若干不同的热处理工艺。

热处理是对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的加工方法。整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，获得需要的金相组织，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

退火：是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。

正火：是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

淬火：是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。

为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。

在本设计中，由于零件有热处理要求，45Cr的材料硬度不适合切削，所以在毛坯切削以前先把毛坯进行正火处理改善材料的切削性

能并改善毛坯的内应力。将毛坯加热至某一适当温度（AC线以上30——50℃），保温一定时间后，再在空气中缓慢冷却。得到细化金属组织晶粒，消除在锻、轧后的组织缺陷，改善毛坯的机械性能（强度、韧性和塑性）。

第四章选择零件的定位基准和加工装备

4.1零件的定位基准选择

1、基准：指零件上用来确定其它点、线、面所依据的点、线、面。

在选择基准时应要遵循以下几个原则：

2、基准分类：

分为两大类：设计基准和工艺基准

其中，工艺基准又可分为：

①工序基准：是工序图上用来确定本工序所加工表面加工后应达到的尺寸、形状、位置所用的基准。

②定位基准：是在加工中确定工件位置所用的基准。

③测量基准：测量时所采用的基准。

④装配基准：是装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准。

3、定位基准的选择

粗基准：用未加工过的表面所作的定位基准。

精基准：用已加工过的表面所作的定位基准。

（1）粗基准的选择原则

选择粗基准时，主要考虑的问题是如何使各道工序均有足够的加工余量以及工件安装的稳定性。

选择原则为：

①为了保证加工面与不加工面之间的位置要求，应选不加工面为粗基准；

②合理分配各加工表面的余量

③尽量选用面积大而平整的表面为粗基准，以保证定位准确、夹紧可靠。

④粗基准一般不重复使用，同一尺寸方向的粗基准一般只能使用一次。

（2）精基准的选择原则

选择精基准时，主要考虑的问题是如何保证零件的加工精度以及安装可靠。

选择原则为：

①基准重合原则。

即选择设计基准作为定位基准，以避免基准不重合误差。

②基准统一原则

即尽可能选用统一的定位基准加工各个表面，以保证各表面间的位置精度。

③自为基准原则

当精加工某些重要表面时，常用其加工表面本身为定位基准。可以提高加工面本身的尺寸和形状精度，但不能提高加工面的位置精度。

④互为基准

对于有位置精度要求较高的表面，采用互为基准反复加工，更有利于精度的保证。

⑤保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便的原则。

在粗车的时候为了保证加工面与不加工面之间的位置要求，应选不加工面为粗基准；粗基准一般不重复使用，同一尺寸方向的粗基准一般只能使用一次。在半精加工和精加工的时候即选择设计基准作为定位基准，以避免基准不重合误差。即尽可能选用统一的定位基准加工各个表面，以保证各表面间的位置精度。对于有位置精度要求较高的表面，采用互为基准反复加工，更有利于精度的保证。

4.2加工装备的选择

1.机床的选择

根据工件的性能，通过查阅《机械制造工艺与装备》选择如下的机床

车床选用C620、万能铣床X62W、磨床M2110A。其机床主要参数在附录中可以查询。

1.夹具的选择：

按专门化程度可分为以下几种类型的夹具：

1）通用夹具：通用夹具是指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。例如，车床上三爪卡盘和四爪单动卡盘，铣床上的平口钳、分度头和回转工作台等。这类夹具一般由专业工厂生产，常作为机床附件提供给用户。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：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。

1、本设计中以车削加工为主，又是小批量生产类型，根据任务书的要求设计方案必须注重经济性，尽量选用通用工装及设备，减少实际生产加工中的外委加工。所以选用组合夹具和通用夹具，由于零件的装夹用到车床上三爪卡盘卡盘、车床附件中心架，铣床上的平口钳、分度头和回转工作台等。

2.刀具的选择：

1)车削加工选用整体式外圆车刀，刀片材料选YT类硬质合金

YT类硬质合金的特性如下：硬度高、韧性较差、难锋利、切削温度可达900度，因其具有红硬性，一般不适用冷却液。

2）刀具的角度：

A.前角的作用：使刀刃锋利，便于切削加工和切屑流动。

B.后角的作用：减小主后刀面与过渡表面的弹性恢复层之间的摩擦，减轻刀具磨损。

C.主偏角的作用: 主要影响刀具耐用度、以加工表面粗糙度及切削力的大小。

D.副偏角：.主要影响加工表面的粗糙度，影响副切削刃与已加工表面之间的摩擦和刀具的强度。

E.刃倾角：主要控制切屑的流动方向。

2）铣削加工时，立铣刀。

立铣刀的主要参数：刀具直径为φ12 圆角半径 R0 总长80mm

刃长12.1mm 切削刃数 2 前倾角零度材料硬质合金

3．量具的选择

通常把没有传动放大系统的测量工具称为量具。根据零件图样，

在设计中选用： a 游标卡尺-------------------量取轮廓的基本尺寸

b 千分尺----------------------量取轮廓的基本尺寸

c 莫氏4号圆锥量规-------检查机床与量具圆锥孔和圆锥

柄长刀锥度和尺寸的准确性（莫式4号锥度：内圆锥的最大直径D=31.267，锥度C=1：19.254=0.05194，外圆锥锥角α=2058＇31＇＇0+52，内圆锥锥角α=2058＇31＇＇0-52）

d 偏摆仪-----------------------测量轴类零件径向跳动误差

e 对称度量规----------------检验键槽的对称度

4 切削用量

切削用量包括切削速度,背吃刀量和进给量.对于不同的加工方法需要选择不同的切削用量。粗加工时一般以加工效率为主通常选择较大的背吃刀量和进给量,采用较小的切削速度 .精加工时通常选择较小的背吃刀量和进给量采用较高的切削速度，镗孔时考虑刀杆刚性，背吃刀量和进给量也应相应的减小。对于原材料45#，零件一粗加工时ap取2㎜，f取0.2mm/r;零件二粗加工外轮廓时ap取0.5㎜，f取0.2mm/r。精加工时ap取0.1㎜，f取0.1㎜/r。粗镗f取0.12mm/r, 精镗f取0.1 mm/r。

车螺纹时ap分别取0.8 mm，0.6 mm，0.3，0.16 mm；F取1.5 mm/r

为了抑制积屑瘤的产生，提高工件表面质量，用硬质合金车刀精车时，一般多采用较高的切削速度（>80m/min）;用高速钢车刀精车时时，选用较低的切削速度（<5 m/min）。此次设计采用硬质合金车刀，粗加工外轮廓Vc取70 m/min,零件一精加工Vc取94 m/min，零件二精加工外轮廓Vc取100 m/min，主轴的转速是由切削刃上选定点相对于工件的主运动的线速度

主运动速度 n=1000Vc/πd 单位为r/min

零件φ70外圆表面粗加工 n=1000x70/( πx70)=318.4r/min,取300r/min

零件φ40外圆表面粗加工 n=1000x70/( πx40)=557.3r/min,取550r/min

零件φ32外圆表面粗加工 n=1000x70/( πx32)=696.7r/min,取700r/min

零件φ70外圆表面半精加工 n=1000x82/( πx70)=373r/min,取350r/min

零件φ40外圆表面半精加工 n=1000x82/( πx40)=652.9r/min,取650r/min 零件φ32外圆表面半精加工 n=1000x82/( πx32)=816r/min,取800r/min

零件φ70外圆表面精加工 n=1000x94/( πx70)=427.7r/min,取420r/min 零件φ40外圆表面精加工 n=1000x94/( πx40)=748.4r/min,取750r/min 车螺纹时取主轴速度n≤1200/p计算，n≤1200/1.5=800

所以取主轴转速n=800r/min，因为工件螺纹比较短，人员一下反应不过来比较容易发生撞刀。因此转速因人而异，根据每人反应在确定转速。

参考文献

1．黄云清：公差配合与技术测量，北京：机械工业出版社 2007.9 2．陈文凤、张旭：机械工程材料，北京：北京理工大学出版社 2008.1 3. 黄健求：机械制造技术基础，北京：机械工业出版社 2005.11