阶梯轴的课程设计

《零件的工艺设计与实施》

课程设计任务书

设计题目：传动轴的机械加工工艺设计

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指导教师：

2013-4-19

目录

序言 (2)

一. 零件的分析

1.1 轴的作用 (3)

1.2 轴的工艺分析 (4)

1.3 轴的零件图 (4)

二、工艺规程设计

2.1确定毛坯的制造形式 (5)

2.2定位基准的选择 (6)

2.3拟定轴的工艺路线 (6)

2.4加工工序的设计 (9)

2.5 主要工艺的加工路线图 (10)

2.6确定切削用量及基本工时 (12)

三、机床的设备选择

3.1机床设备选择 (13)

3.2各工序所用机床、夹具、刀具、量具和辅具 (14)

四附录

机械加工工艺过程卡片 (19)

机械加工工序卡片 (20)

数控加工工序卡 (21)

设计总结 (23)

参考文献 (23)

序言

本课程设计是学生在学完机械制造工艺学课程的一个综合性和实践性很强的教学环节，通过课程设计，能综合运用所学基本理论以及在生产实习中学到的实践知识进行工艺及结构设计的基本训练，掌握机械制造过程中的加工方法、加工装备等基本知识，提高学生分析和解决实际工程问题的能力，为后续课程的学习及今后从事科学研究、工程技术工作打下较坚实的基础。

本次机械制造工艺学课程设计不仅仅能帮助我们利用已学的知识进行设计，还培养了我们自己分析，独立思考的能力。这次综合性的训练，我在以下几方面得到锻炼：

（1）提高结构设计能力。通过设计零件的训练，获得根据被加工零件的加工要求，设计出高效，省力，经济合理而能保证加工质量的零件的能力。

（2）学会使用手册以及图表资料。掌握与本设计有关的各种资料的名称，出处，能够做到熟练的运用。

就我个人而言，我希望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，从中锻炼自己发现问题，分析问题和解决问题的能力，为今后参加工作打下良好的基础。

一、零件的分析

1.1 轴的作用

轴的主要作用是支承回转零件及传递运动和动力。按照轴的承受载荷不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴成为转轴，只承受弯矩的轴称为心轴，只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。

1.2 轴的工艺分析

该轴主要采用45钢能承受一定的载荷与冲击。此轴为阶梯轴类零件，尺寸精度，形位精度要求均较高。两个Φ35，以及M20×1.5，M33×1.5的螺纹为主要配合面，其中有些精度均要求较高，需通过磨削得到。轴线圆跳动度要求较高，对于Φ35js5与Φ30js6的外表面需达到52HRC的强度，工过程中须进行滚压加工。

（1）该轴采用碳素结构钢45号钢，中等精度，转速较高。经调质处理后具有良好的综合力学性能，具有较高的强度、较好的韧性和塑性。

（2）该轴为阶梯轴，其结构复杂程度中等，其有多个过渡台阶，根据表面粗糙度要求和生产类型，表面加工分为粗加工、半精加工和精加工。加工时应把精加工、半精加工和粗加工分开，这样经多次加工以后逐渐减少了零件的变形误差。

（3）零件毛坯采用模锻，锻造后安排正火处理。

（4）该轴的加工以车削为主，车削时应保证外圆的圆跳动度。

（5）在精车前安排了热处理工艺，以提高轴的疲劳强度和保证零件的内应力减少，稳定尺寸、减少零件变形。并能保证工件变形之后能在半精车时纠正。

（6）同一轴心线上各轴孔的同轴度误差会导致轴承装置时歪斜，影响轴的同轴度和轴承的使用寿命。在两端面钻中心孔进行固定装夹可以有效防止径向圆跳动、保证其同轴度。

零件图如下图所失去：

图a

零件的基本工艺分析表1

（注：“*”是参数未知。）

二、工艺规程设计

2.1 确定毛坯的制造形式

轴类毛坯常用圆棒料和锻件；大型轴或结构复杂的轴采用铸件。毛坯经过加热锻造后，可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。

根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。

根据上述的工艺分析，和我们自身的生产条件，确定阶梯轴的毛坯。阶梯轴材料为45钢，要求强度较高，且工件的形状比较简单，毛坯精度低，加工余量大，因年产量400件，所以达到中等批量生产水平。综上考虑，采用锻件，其锻造方法为模锻，毛坯的尺寸精度要求为IT12以下。

2.2 定位基准的选择

正确的选择定位基准是设计工艺过程中的一项重要的内容，也是保证加工精度的关键，定位基准分为精基准和粗基准，以下为定位基准的选择。

粗基准的选择。

（1）粗基准的选择

应能保证加工面与非加工面之间的位置精度，合理分配各加工面的余量，为后续工序提供精基准。所以为了便于定位、装夹和加工，可选轴的外圆表面为定位基准，或用外圆表面和顶尖孔共同作为定位基准。用外圆表面定位时，因基准面加工和工作装夹都比较方便，一般用卡盘装夹。为了保证重要表面的粗加工余量小而均匀，应选该表面为粗基准，并且要保证工件加工面与其他不加工表面之间的位置精度。按照粗基准的选择原则，选择次要加工表面为粗基准。又考虑到阶梯轴的工艺特点，所以选择φ30的外圆及一端面为粗基准。

（2）精基准的选择

根据轴的技术要求，轴的中心线为设计基准，也是测量基准，按照基准重合原则及加工要求，应选轴心线及一端面为精基准，其他各面都能以此为定位，从而也体现了基准统一的原则。

2.3 拟定轴的工艺路线

2.3.1零件表面加工方法的选择

本零件的加工面有外圆、端面、螺纹、键槽等，材料为45号钢，参考有关资料，加工方法选择如下：

端面：本零件端面为回转体端面，尺寸精度都要求不高，表面粗糙度为Ra3.2μm，需进行粗车、半精车。

M20×1.5 和M33×1.5 的螺纹：为未注公差尺寸，表面粗糙度为Ra3.2μm，需进行粗车、半精车、车螺纹，磨削。

Φ29.295（MorseNO.4）外圆锥面：锥度为莫氏4度，表面粗糙度为Ra0.8μm，需进行粗车、半精车、精车。

Φ35js5外圆面：公差等级为IT5，表面粗糙度为Ra0.8μm需进行粗车、半精车、精车、粗磨、精磨。为达到52HRC的硬度，需进行滚压热处理。

Φ45外圆面：公差等级未知，表面粗糙度为Ra1.6μm需进行粗车、半精车、精车。

Φ35h6外圆面：公差等级为IT6，表面粗糙度为Ra0.8μm需进行粗车、半精车、精车、粗磨、精磨。

Φ30js6外圆面：公差等级为IT6，表面粗糙度为Ra0.8μm需进行粗车、半精车、精车、粗磨、精磨。为达到52HRC的硬度，需进行滚压热处理。

键槽：槽宽公差等级为IT9，槽深公差等级未注，表面粗糙度为Ra3.2μm，需采用三面刃铣刀，粗铣、半精铣

键槽：槽宽公差等级为IT12，槽深公差等级未注，表面粗糙度为Ra3.2μm，需采用三面刃铣刀，粗铣、半精铣

槽：槽宽公差等级未注，槽深公差等级未注，表面粗糙度为Ra3.2μm，需采用三面刃铣刀，粗铣、半精铣

2.3.2 工艺顺序的安排

（一）机械加工工序

（1）遵循先基准平面后其他的原则：机械加工工艺安排是总是先加工好定位基准面，所以应先安排为后续工序准备好定为基准。先加工精基准面，钻中心孔及车表面的外圆。

（2）遵循先粗后精的原则：先安排粗加工工序，后安排精加工工序。先安排精度要求较高的各主要表面，后安排精加工。

（3）遵循先主后次的原则:先加工主要表面，如车外圆各个表面，端面等。后加工次要表面，如铣键槽等。

（4）遵循外后内，先大后小原则：先加工外圆再以外圆定位加工内孔，加工阶梯外圆时先加工直径较大的后加工直径小的外圆。

（5）次要表面的加工：键槽等次要表面的加工通常安排在外圆精车或粗磨之后，精磨外圆之前。

（6）对于加工质量要求较高的表面，安排在后面，并在前几道工序中注意形位公差，在加工过程中不断调整、保证其形位公差。

（7）按照先面后孔的原则：先加工端面，再铣键槽。

（二）热处理工序的安排

在切削加工前宜安排正火处理，能提高改善轴的硬度，消除毛坯的内应力，改善其切削性能。在粗加工后进行调质处理，能提高轴的综合性能。最终热处理安排在半精车之后磨削加工之前。其能提高材料强度、表面硬度和耐磨性。在精加工之前安排表面淬火，这样可以纠正因淬火引起的局部变形，提高表面耐磨性。

（三）辅助工序的安排

在粗加工和热处理后，安排校直工序。在半精车加工之后安排去毛刺和中间检验工序。在精加工之后安排去毛刺、清洗和终检工序。

综上所述，该轴的工序安排顺序为：下料——锻造——预备热处理。

该轴的加工工序:车端面——粗车——调质——半精车——精车——车端面——铣键槽——淬火——磨外圆——精磨——检验。

2.3.3 加工阶段的划分

该轴精度要求较高，其加工阶段可划分为粗加工、半精加工、精加工阶段。

1、在粗加工阶段，粗车外圆，以高生产效率去除毛坯余量。

2、在半精加工阶段，对外圆进行半精车，铣键槽、加工螺纹等，减小粗加工中留下的误差，使加工面达到一定的精度，为精加工做好准备。

3、精加工阶段，Φ35js5、Φ35h5、Φ30js6、Φ29.295（MorseNO.4）外圆面表面粗糙度要求为Ra0.8μm，对其进行粗磨、精磨以达到要求。而对于Φ45外圆面，表面粗糙度要求为Ra1.6μm安排精车。

4,、其余表面粗糙度Ra3.2um，对其精车能够达到要求。

5．此阶梯轴的圆跳动度要求较高，加工时应注意保证要求。铣键槽的时候应保证对称度的要求。

2.3.4 确定工艺路线

根据以上的加工工艺过程的分析确定零件的工艺路线如表二

常用加工方法所能达到的精度要求如表三：

加工方法粗车半精车车精车粗磨精磨

精度等级IT10-12 IT9-10 IT7-8 IT8-9 IT6-8

表面粗糙度Ra12.5-25 Ra3.2-6.3 Ra0.8-1.6 Ra1.6-6.3 Ra0.2-0.8

2.4加工工序的设计

2.4.1 加工余量的确定

加工余量见表四

2.4.2毛坯尺寸及公差等级

由工艺人员手册可查得锻件尺寸，根据零件图各部分的加工精度要求，锻件的尺寸公差等级为8-12级，加工余量等级为普通级，故取IT=12级。毛坯如图所示：

图b 2.5主要工艺的走刀路线图

图c

图d

图e

图f

图g

（注：循环点，编程原点，换刀点。）

2．6确定切削用量

确定切削用量的原则：首先应选取尽可能大的背吃刀量，其次在机床动力和刚度允许的条件下，又满足以加工表面粗糙度的情况下，选取尽可能大的进给量。最后根据公式确定最佳切削速度。

1）工序03，粗车轴的左右端面

该工序为两个工步，工步1是以左边定位。粗车右端面；工步2是以右边定位，粗车左端面。由于这两个工步是在一台机床上经一次走刀加工完成的，故其选用的切削用量相同。 ○

1背吃刀量的确定：根据加工余量，工步1和工步2的背吃刀量都为0.5mm ② 进给量的确定：

本设计采用的是硬质合金车刀，工件材料是45钢，查表取进给量f ＝0.5mm/r ③ 切削速度的计算：

硬质合金车刀切削45钢时，取切削速度V 为50m/min ，根据公式d v n π/1000=，可得车床转速n=1000×50/（π×34）r/min=663r/min ，查表CA6140的主轴转速范围为10~1400，1400~1580（r/min ），符合要求。

2）工序04粗车及工序06半精车

① 该工序为工步1粗车和工步2半精车，则背吃刀量依次为

max

a

p1

=4mm ，max a

p2

2=0.8mm

②查表得 粗车 f1=0.81mm/r ，取Vc 为60m/min ，则n=796r/min

③半精车取f2=0.4mm/r ，Vc 为90m/min ，则n=1194r/min (n=1000Vc/πd)

3）工序08车螺纹(M20×1.5 和M33×1.5)，粗车A 、B 段，并精车A 到Φ19.8，精车到32.8，用螺纹车刀加工，公差等级未知。 4）工序10粗铣及半精铣键槽

粗铣 取f=2mm/r Vc=60m/min n=118 r/min 半精铣取f=0.8mm/r Vc=74m/min n=200 r/min 5）工序12、13粗磨、精磨加工轴段B 、C 、E 外圆面 查表取粗磨、精磨深度进给量为分别为0.032mm ，0.008mm 工件的运动速度为15m/min ，18m/min 背吃刀量等于磨削余量0.25mm 及0.1mm 6）其余工序

①粗车加工时，取f=0.81mm/r Vc=60m/min ②半精车加工时，取f=0.51mm/r Vc=90m/min ③精加工时，取f=0.2mm/r Vc=120m/min 皆符合要求。

三、机床设备的选用

3.1 机床设备的选用（参考见表四）

很据加工工艺的要求，和自身成本的选择机床。我选择了如下的机床：

1.普通车床CS6140

床身上最大回转直径Φ400mm, 床鞍上最大回转直径Φ220mm, 最大工件长度1000 mm；主轴通孔直径Φ52 mm，主轴头型式CS6140:ISO 702/III NO.6卡口型；其余:ISO 702/II NO.8凸轮锁紧型，主轴转速范围24级 9-1600rpm，主轴电机功率7.5KW；套筒直径/行程Φ75/150mm，顶尖锥度5MT；3、刀位数/刀方尺寸4 / 25X25； X、Z向最大行程145 mm、320 mm，X、Z向进给范围93种 0.028-6.43mm/r、93种 0.012-2.73 mm/r，公制螺纹范围48种 0.5-224mm，英制螺纹范围48种 72-1/4 t.p.i，模数螺纹范围42种 0.5-112 πmm，径节螺纹范围42种。

2数控车床CAK6136V/750

CAK6136V/750,床身上最大回转直径：ф360MM，滑板上最大回转直径：ф180MM，滑板上最大切削直径：ф180MM，最大加工长度： 650MM，主轴通孔直径：ф53MM，主电机功率：变频5.5KW，主轴转速范围：200-3000 R/MIN， X轴最大行程： 220 MM， Z轴最大行程： 660MM，机床重复定位精度：X轴：0.007， Z轴：0.01，加工精度： IT6，粗糙度： RA1.6，机床净重/毛重：2030*3170KG，包装箱尺寸：（长*宽*高）：2500*1640*2145MM.

3数控铣床 XK713

工作台面积mm 1000×320 T型槽(槽数/槽宽/间距) mm 3/14/80 X轴行程mm 600 Y轴行程mm 320 Z轴行程mm 450 主轴端面至工作台台面距离mm 100～550 工作台最大载重kg 300 主轴锥孔ISO 7:24 锥度No.40 主轴轴径/扭矩mm/Nm Φ60/108Nm 主轴电机kW 5.5Kw 主轴转数rpm 30～4000或6000（无级）快速移动速度(X、Y、Z轴) rpm 8000 切削进给速度mm/min 10～4000 伺服电机输出扭矩N·m 6 齿轮润滑电机功率kW 0.04 刀具最大直径/长度/重量Φ110mm/400mm/18kg 电源容量KVA 15 机床外观尺寸mm 2200×1700×2000 机床重量(净重/毛重) kg 3000/4000 定位精度mm 0.02 重复定位精度mm 0.016

5.内圆磨床MZ203A

3.2各工序所用夹具、刀具、量具和辅具（表五）

1）刀具选择因为该传动轴为阶梯轴，所以选用90度角外圆车刀（车台阶）材料为45钢，45°刀（倒角）和切槽刀（切槽）。

2）量具选择因为该轴最大长度为285，所以选用量程0-300，精度0.05游标卡尺。各工序具体所3）夹具选择

机床夹具的作用及分类：○1保证加工精度夹具可准确确定工件、刀具和机床之间的相对位置，可以保证加工精度。○2提高生产效率夹具可快速地将工件定位和夹紧，减少辅助时间。○3减轻劳动强度采用机械、气动、液压等夹紧机构，可以减轻工人的劳动强度。○4扩大机床的工艺范围采用机床夹具可使机床的加工范围扩大。机床夹具按应用范围分为：通用夹具、专用夹具、组合夹具。

以工序40选择夹具，根据零件的功用、特点及材料，可选择三爪卡盘进行零件的夹紧，定位基准选轴的一个端面，定位元件选择浮动顶尖即可定位。

普通机床的主要参数

表四：

表五

表六：

四：根据加工的工艺，零件的机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡，如图所示

表七

表八