齿轮轴的机械加工工艺与工装设计.docx

1、齿轮轴的机械加工工艺与工装设计摘 要 本设计是刮板运输机减速机齿轮轴的机械加工工艺与工装设计（年生产1000件、备品率3%、废品率0.5%）。全篇共五章，主要部分由：零件的加工工艺分析、材料与毛坯的选择 、定位基准的选择、加工工艺过程分析、设备与工装选择。 齿轮轴为转轴，齿轮轴通过连接连个零件，主要起支撑作用，由两端轴承支撑。中间安装轴承，一般起连接作用。用来支撑传动零部件，传递扭矩和承受载荷，因此该零件应该具有足够的刚度、强度及韧性，以保证安装在主轴上的工件或刀具具有一定的回转精度。一般轴类零件常用45号钢，根据不同的工作条件采用不同的热处理方法（如正火、调质、淬火等），以获得一定的强度、韧

2、性和耐磨性。淬火后表面硬度可达4552HRC。生产纲领是指某种产品（或零件）包括备品或废品在内的年产量。根据生产的产品特征，如产品的尺寸外形、质量等。以及生产纲领中年产量的不同，其生产可以分为单件生产、成批生产和大量生产三种生产类型。根据设计题目知：Q=1000台/年，齿轮轴重量为13Kg，齿轮轴属于轻型零件。m=1件/台。备品率a=3%，废品率b=0.5%。代入公式N=Qm（1+a）*（1+b），求得N=1035.15件/年。查表得知该主动齿轮的生产类型为大批量生产。关键词：齿轮轴；零件；毛坯；加工工艺；刀具目 录摘要 2 第一章 零件的加工工艺分析 31.1零件的作用 31.2零件的结构特

3、点及技术要求 31.3零件材料分析 41.4确定生产类型 4第二章 材料与毛坯的选择 62.1材料选择 62.2毛坯的确定 62.3毛坯外圆表面直径的确定 62.4加工余量 72.5 绘制锻件零件图 8第三章 定位基准的选择 93.1 基准的概念 93.2 定位基准的选择 9第四章 加工工艺过程分析 114.1零件表面加工方法的选择 114.2加工工序安排 114.3热处理工序安排 124.4工序的划分 124.5加工余量及工序尺寸的确定 134.5.1加工余量的概念 134.5.2加工余量的确定方法 134.6加工顺序的确定 134.7加工阶段的划分 154.8工序的划分 154.9工序顺序

4、的安排 16第五章 设备与工装选择 175.1设备选择 175.1.1.齿轮轴的加工精度要求不是很高，回转面加工选择普通机床CA6140 175.1.2.有两个键槽要用铣床X6132 185.2刀具选择 195.3量具选择 195.4夹具选择 19参考文献 21致 谢 22第一章 零件的加工工艺分析本设计零件为齿轮轴，它属于台阶轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹和键槽等组成。轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用是使零件装配时有一个正确的位置，并传递转矩，螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。1.1零件的作用本设计齿轮轴为转轴，齿轮轴通过连接连个零件，主要起支撑作用，由两端轴承支撑。

5、中间安装轴承，一般起连接作用。用来支撑传动零部件，传递扭矩和承受载荷，因此该零件应该具有足够的刚度、强度及韧性，以保证安装在主轴上的工件或刀具具有一定的回转精度。1.2零件的结构特点及技术要求该齿轮轴用轴承来支撑，与轴承配合的轴段称为轴颈。轴颈是轴的装配基础，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来制定，为保证支撑轴颈本身的尺寸精度、几何形状精度、两个支撑轴颈之间的同轴度、支承轴颈与其他表面的相对位置精度和表面粗糙度。同时根据其结构和精度要求，在制定加工工艺规程时，通常有以下几项： （1）尺寸精度为了确定轴的位置，起支撑作用的轴颈通常对其尺寸精度要求较高（I

6、T5IT7）。装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6IT9）。 （2）几何形状精度轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。 （3）相互位置精度轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用来决定的。通常应保证装配传动件的轴颈对支撑轴的同轴度的要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。普通精度的轴，其配合轴段对支撑轴颈的径向跳动一般为0.010.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.0010.05mm。 （4）表面粗糙度一般与传动件相配合的轴径表面粗

7、糙度为Ra0.632.5m，与轴承相配合的支撑轴颈的表面粗糙度为Ra0.160.63m.而本设计齿轮轴要求表面粗糙度为Ra1.6m。1.3零件材料分析一般轴类零件常用45号钢，根据不同的工作条件采用不同的热处理方法（如正火、调质、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。淬火后表面硬度可达4552HRC。对中等精度而转速较高的轴类零件，可选用40Cr等合金钢。这类钢经调质和表面淬火处理后，具有较高的综合力学性能。精度较高的轴，有时还用轴承钢GCr15和弹簧钢65MnT等材料，它们通过调质和表面淬火处理后，具有较高耐磨性和耐疲劳性能。表面硬度可达5058HRC。对于高转速、重载荷等条件下工作的轴

8、，可选用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金或38CrMoAlA氮化钢。精密机床的主轴(例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴)可选用38CrMoAl氮化钢，这种钢经调质和氮化后，不仅能获得较高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好，与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形小、硬度更高的特点。因为刮板输送机齿轮轴属于一般轴类，45钢具有良好的机械性能，经调质和正火处理后，可以提高其力学性能，并且价格低廉，所以选用的材料为45钢。1.4确定生产类型生产纲领是指某种产品（或零件）包括备品或废品在内的年产量。根据生产的产品特征，如产品的尺寸外形、质量等。以及生产纲领中年产量的不同，其生产可以

9、分为单件生产、成批生产和大量生产三种生产类型。根据设计题目知：Q=1000台/年，齿轮轴重量为13Kg，齿轮轴属于轻型零件。m=1件/台。备品率a=3%废品率b=0.5%代入公式N=Qm（1+a）*（1+b）求得N=1035.15件/年查表得知该主动齿轮的生产类型为大批量生产。第二章 材料与毛坯的选择2.1材料选择该齿轮轴零件采用综合性能良好的45钢，其原因如下：（1） 轴用于刮板运输机，其工作条件比较恶劣。（2） 经调质处理后能获得良好的综合力学性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能。（3） 可得到较好的切削性能。（4） 材料普遍，取材容易，价格实惠。2.2毛坯的确定（1）零件重13

10、Kg长433mm较小。（2）该齿轮轴为重要零件，选择锻件可使其有致密的内部组织结构和良好的力学性能。（3）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，毛坯经过热处理后，可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，获得较高的硬度及较好的综合力学性能。（4）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。中小批量生产多采用自由锻，大批量生产时采用模锻。（5）该零件年产量1035件，属于大批量生产，结构较为简单，因此采用自由锻件。2.3毛坯外圆表面直径的确定外圆70mm只要粗加工就可以达到要求，而外圆60mm和70mm锻造一样的直径，查参考文献表【13】215可知加工余量为2mm，考虑实际

11、加工时，因锻造表面较硬而加工余量少可能难加工，所以取毛坯直径为70mm、52mm、68、72mm、96mm要经过粗加工和精加工，参考文献【4】表215可知直径加工余量为2mm+1.5mm，考虑实际加工时，因锻造表面较硬而加工余量少可能难加工，所以取毛坯直径分别为57mm、77mm、101mm长度方向的余量查参考文献【2】，其余量规定2.02.5mm，取2.0mm。2.4加工余量 项目 尺寸57mm65mm73mm77mm101mm75mm粗车余量（直径）4.34.34.34.34.34.3半精车量（直径）0.50.50.50.50.50.5精车余量（直径）0.20.20.20.20.20.22

12、.5 绘制锻件零件图第三章 定位基准的选择3.1 基准的概念 零件是由若干个要素（点、线、面）组成，各要素之间都有一定 的尺寸和位置公差要求。用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。 根据零件的用途不同，可分为两类：设计基准和工艺基准。 （1）设计基准 以齿轮轴的两中心孔作为主要基准因为该轴的外圆表面的同轴度，键槽的对称度，其设计基准都是轴的中心线，采用中心孔定位就能符合基准重合原则。而且由于多数工序都采用中心孔作为定位基面，这也符合基准统一原则。 （2）工艺基准 在加工和装配过程中使用的基准称为工艺基准。按用途又可以分为定位基准、测量基准和装配基准。 定位基准

13、使工件在机床和夹具中占有正确的加工位置所采用的基准。以外圆和中心孔作为次要定位基准，用两中心孔定位虽然定位精度高，但粗加工外圆时，因切削力大，为提高工件刚度，应以外圆和中心孔作为定位基面，即一夹一顶。测量基准测量时所采用的基准，即用来确定被测量尺寸、形状和位置的基准。 装配尺寸 装配时用来确定零件在部件或产品（总成）中位置的精度。如箱体类零件的底平面、主轴的轴颈等。3.2 定位基准的选择 选择定位基准是制定工艺规程的一个十分重要的问题。在第一道工序中，只能使用工件上未加工的毛坯表面来定位，这种定位基准成为粗基准。在以后的工序中，可以采用经过加工的表面来定位，这种定位基准称为精基准。 （1）粗基

14、准的选择 选择左端65mm的未加工外圆柱面作为粗基准。 粗基准影响：位置精度、个加工表面的我余量大小。重点考虑：如何保证各加工表面有足够余量，使不加工表面和加工表面间的尺寸、位置符合标准一般不得重复使用的原则。在同一个尺寸方向上粗基准通常只允许使用一次这是因为粗基准一般都很粗糙，重复使用同一粗基准所加工的两组表面之间位置误差相当大，因此，粗基准一般不得重复使用。 （2）精基准的选择： 由零件的工艺分析可以知道，此零件的设计基准是60和52的轴线，根据基准重合选择，应选择设计基准为精基准，即以60和52的轴线为精基准，由于多数工序的定位基准都是中心孔，符合基准统一原则，且能保证工件定位准确，装夹

15、方便，夹具结构简单。所以精基准选择中心孔。第四章 加工工艺过程分析4.1零件表面加工方法的选择根据零件的功用和技术要求，现将零件的主要表面分开，然后着重考虑主要表面的加工顺序。加工顺序安排的一般原则：基面先行原则先粗后精原则先主后次原则先面后孔原则为了正确选择加工方法，应了解各种加工方法的特点和掌握加工精度以及表面粗糙度的概念。表面粗糙度是指在正常的加工条件下所能保证的表面精度；加工精度是指在正常的加工条件下所能保证的加工精度。加工过程中影响精度的因素很多，每种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。例如：在一定的设备条件下，操作精细、选择较低的进给量和切削深度，就能获得较高的加工精

16、度和较细的表面粗糙度。但是就必然会使生产率降低，生产成本增加，反之，提高生产率，虽然成本降低，但会增大加工误差，降低加工精度。齿轮轴零件的加工面有外圆、孔、螺纹、退刀槽、倒角等，材料为45号钢。外圆面公差等级为IT7IT8，表面粗糙度Ra1.63.2m，采用粗车半精车精车保证精度要求。端面：本零件的端面为回转体端面，尺寸精度要求不高，表面粗糙度为Ra1.6m的端面粗车和半精车即可。多数外圆柱面有145倒角和1.51.21退刀槽要求。 根据各表面加工要求和各加工方法能达到的经济精度，确定各表面的加工方法如下：尺寸52mm：粗车半精车磨削尺寸60mm:粗车半精车磨削尺寸68mm：粗车尺寸72mm：

17、粗车半精车磨削尺寸96mm：粗车半精车磨削尺寸70mm:粗车尺寸60mm:粗车半精车磨削铣尺寸52mm上宽为16mm，深为6mm，长为62mm的键槽：铣尺寸72mm上宽为20mm，深为7.5mm，长为55mm的键槽。粗铣大径为96的齿轮：对大径为96的齿轮滚齿剃齿或粗滚齿精滚齿根据先粗后精，基准先行，以及先主后次的原则，加工顺序：两端面和中心孔的加工，粗车各外圆表面，精车外圆52mm，60mm表面，铣键槽，齿轮轴的加工，磨削两52mm外圆面。4.2加工工序安排零件齿轮轴除了应遵循加工顺序安排的一般原则，还应注意以下三个方面：（1）外圆表面加工顺序应为，先加工大直径外圆，然后在加工小直径外圆，以

18、免一开始就降低看工件的刚度。（2）齿轮轴上的退刀槽、螺纹齿等表面的加工应在外圆精车之后，否则在精车外圆时产生断续切削，影响车削精度，也易损坏刀具。（3）轴上的螺纹一般有较高的精度，如安排在局部淬火之前进行加工，则淬火后产生的变形会影响螺纹的精度，因此螺纹加工宜安排在工件局部淬火之后。4.3热处理工序安排 轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。对于齿轮轴。正火、调质和表面淬火用的比较多。45号钢经锻造后需要正火处理，以消除锻造产生的应力。改善切削性能。粗加工阶段完成调质处理，一是可以提高材料的力学性能，二是作为表面淬火准备了良好的金相组织，确定表面淬火的质量。对于轴上的支撑轴颈、齿面、锥台面这些

19、重要且在工作中经常摩擦的表面，为提高其耐磨性均需要表面淬火处理，表面淬火安排在精加工前进行，以经过加工去除淬火过程中产生的氧化皮，修正淬火变形。4.4工序的划分在安排零件的工艺规程时，还要解决工序的集中与分散问题。所谓工序集中，就是在一台机床上尽可能多地加工工件的几个表面，在批量较大时，常采用多轴、多面、多工位机床和复合刀具等方法来实现工序集中，从而有效的提高生产率。加工中心和柔性生产线（FMS)是工序集中的极端情况。在单间小批量生产中，工序集中是在通用机床和数控机床上进行的。工序分散测相反，整个工序过程的工序数目较多。工艺线长，而每道工序所完成的加工内容较少，一般适用于加工批量大的场合。工序

20、集中的特点：减少设备的数量，减少了操作工的数量和生产面积。减少看工序数目，减少了运输工作量，简化了生产计划工作，缩短了生产周期。减少了工件的装夹次数，不仅有利于提高生产率，而且在一次装夹下加工了许多面，也有利于保证这些被加工面的位置精度。因为采用专业工艺装备数量多而复杂，因此机床和工艺装备的调整维修工作量大。而工序分散的特点是：采用比较简单的机床和工艺装备，调整容易。生产设备工作量少，产品更新换代容易。设备及操作工数量较多，所需工作面积大。单件小批量生产一般采用工序集中的方法，而大批量生产既可以集中也可以分散，应根据具体情况进行分析，随着加工中心的快速发展，采用工序集中的生产方式是发展的必然。

21、4.5加工余量及工序尺寸的确定4.5.1加工余量的概念在从工件毛坯加工成成品的过程中，毛坯尺寸与零件图的设计尺寸只差为加工总余量。即为某被加工表面切除的金属的总厚度。而相邻两个工序的工序尺寸之差，即被后一道工序所切除的金属层厚度就是工序余量。4.5.2加工余量的确定方法加工余量的确定方法有三种：查表法根据生产实践和试验研究，已将毛坯余量和各种工序的工序余量数据汇编成手册。在确定加工余量时，可从手册中查的所需数据，然后结合本厂的实际情况进行适当修正。该方法目前应该最为广泛。经验估计法该法是根据实践来确定加工余量的。一般而言，为了防止加工余量不足而产生废品，往往估计的数量都偏大，所以该法只适合于单

22、件、小批量生产。分析计算法是根据加工余量计算公式和一定的试验资料，通过计算确定加工余量的一种方法。采用这种方法确定的加工余量比较合理，但必须有比较全面可靠的试验资料及先进的计算方法，该法在生产中应用很少。4.6加工顺序的确定加工顺序的确定应遵循基准先行、先面后孔、先粗后精、先主后次的原则。轴上键槽的加工，一般安排在外圆精车之后。如果在精车之前就铣出键槽，在精车时由于断续切削而易产生震动，影响加工质量，又易损坏刀具，也难控制键槽的尺寸。拟定工艺路线是制定工艺规程懂得关键一步，它不仅影响零件的加工质量和效率，而且影响设备投资、生产成本、甚至工人的劳动强度。拟定工艺路线时，在首先选择好定位基准后，紧

23、接着需要考虑如下几方面的问题。拟定工艺路线时设计工艺规程最为关键的一步，需要按顺序完成以下几个方面的工作。1）表面加工方法的选择 （1）各种加工方法的经济加工精度和表面粗糙度。不同的加工方法的如车、磨、刨、铣、钻、镗等，其作用各不相同，多能达到的精度和表面粗糙度也大不一样。即使是同一种加工方法，在不同的加工条件下所得到的精度和表面粗糙度也大不一样，这是因为在加工过程中，将由各种因素对精度和粗糙度产生影响。（2）加工方法和加工方案的选择 根据加工表面的技术要求，确定加工方法和加工方案；这种方案必须在保证零件达到图纸要求方面是稳定而可靠的，并在生产率和加工成本方面是最经济合理的。要考虑被加工材料的

24、性质。例如，淬火钢用磨削的方法加工；而有色金属则磨削困难，一般采用金刚镗或高速精密车削的方法进行精加工；还要考虑生产纲领，即考虑生产率和经济性问题。在选择加工方法时，首先根据零件主要表面的技术要求和工厂具体条件，先选定它的最终工序方法，然后在逐一选定该表各有关工序的加工方法。总结：具有一定技术要求的加工表面，一般都不是只通过一次加工就能达到图纸要求的，对于精密零件的主要表面，往往要通过多次加工才能逐步达到。2）机床设备与工艺装备的选择 （1）所选机床设备的尺寸规格应与工件的形体尺寸相适应。 （2）精度等级应与本工序加工要求相适应。 （3）电机功率应与本工序加工所需功率相适应。 （4）机床设备的

25、自动化程度和生产效率应与工件生产类型相适应。 （5）工艺装备的选择奖直接影响工件的加工精度、生产效率和制造成本，应根据不同情况适当选择。A、在中小批量生产条件下，应首先考虑选用通用工艺装备（包括夹具、刀具、量具和辅具）；B、在大批量生产中，可根据加工要求设计制造专用工艺装备。机床设备和工艺装备的选择不仅要考虑设备投资的当前效益，还要考虑产品改型及转产懂得可能性，应使其具有足够的柔性。3）该齿轮轴的机械加工工艺有两种方案：方案一模锻正火车端面，打中心孔粗车各外圆调制处理修研中心孔精车外圆铣键槽滚齿修研中心孔剃齿表面淬火磨外圆去毛刺检验入库方案二模锻正火车端面、打中心孔粗车各外圆调质处理修研中心孔

26、精车外圆铣键槽粗滚齿精滚齿修研中心孔表面淬火磨外圆去毛刺检验入库 比较两种方案的不同，主要在于齿轮的加工工序的不同。通过比较可知方案一比较好。因为方案二只采用滚齿要达到零件图上所要求的精度需要采用高精度的滚刀和高精度的滚机。而方案一采用剃齿来达到零件图上的精度要求，对一般工厂来说比较适合，采用方案一作为加工方案。4.7加工阶段的划分1）根据零件的技术要求划分加工阶段 （1）粗加工阶段 在此阶段主要是尽量切除大部分余量，主要考虑生产率。 （2）半精加工阶段在此阶段主要是为了主要表面的精加工作准备，并完成次要表面的终加工（钻孔、攻丝、铣键槽等）。（3）精加工阶段在此阶段主要是为了保证各主要表面达到

27、图纸要求，主要任务是保证加工质量。2）将零件的加工过程划分为加工阶段的主要目的是： （1）保证零件加工质量（因为工件有应力变形、热变形和受力变形，精度、表面质量只能逐步提高） （2）有利于及早发现毛坯缺陷并得到及时处理。 （3）有利于合理利用机床设备。4.8工序的划分在制定工艺过程中，为便于组织生产、安排计划和均衡机床负荷，常将工艺过程划分为若干个工序。划分工序时有两个不同的原则：即工序的集中和工序的分散。工序集中原则：按工序集中原则组织工艺过程，就是使每个工序所包括的加工内容尽量多些，将许多工序组成一个集中工序。最大限度的工序集中，就是在一个工序内完成工件所有表面的加工。工序分散原则：按工序

28、分散原则组织工艺过程，就是使每个工序所包括的加工内容尽量少些。最大限度的工序分散就是每个工序只包括一个简单工步。4.9工序顺序的安排1）机械加工工序的安排原则 （1）先基准面后其它表面先把基准面加工出来，再以基准面定位来加工其它表面，以保证加工质量。（2）先粗加工后精加工（3）如主要表面是指装配表面、工作表面，次要表面是指键槽、键连接用的光孔等。（4）先加工平面后加工孔（5）平面轮廓尺寸较大，平面定位安装稳定，通常均以平面定位来加工孔。 2）热处理工序及表面处理工序的安排 根据热处理的目的，安排热处理在加工过程中的位置。（1）退火：将钢加热到一定的温度，保温一段时间，随后由炉中缓慢冷却的一种热

29、处理工序。其作用是：消除内应力，提高强度和韧性，降低硬度，改善切削加工性。应用：高碳钢采用退火，以降低硬度；放在粗加工前，毛坯制造出来以后。（2）正火：将钢加热到一定温度，保温一段时间后从炉中取出，在空气中冷却的一种热处理工序。注：加热到的一定的温度，其与钢的含C量有关，一般低于固相线200度左右。 其作用是：提高钢的强度和硬度，使工件具有合适的硬度，改善切削加工性。（3）回火：将淬火后的钢加热到一定的温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却的一种热处理的方法。 其作用是：稳定组织、消除内应力、降低脆性。（4）调质处理：淬火后再高温回火。 其作用：是获得细致均匀的组织，提高零件的综合机械性能

30、。 应用：安排在粗加工后，半精加工前。常用于中碳钢和合金钢。（5）淬火：将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后在冷却介质中迅速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。其作用是：提高工件的硬度。应用：一般安排在磨削前。（6）渗碳处理：提高工件表面的硬度和耐磨性，可安排在半精加工之前或之后进行。 3）检验工序的安排 为保证零件制造质量，防止产生废品，在下列场合安排检验工序：（1）粗加工全部结束之后（2）送往外车间加工的前后（3）工时较长和重要工序的前后（4）最终加工之后。 第五章 设备与工装选择5.1设备选择5.1.1.齿轮轴的加工精度要求不是很高，回转面加工选择普通机床CA6140选择CA6140的原因：因为CA6140机床刚性好，抗振性能好，可进行高速强力切削和重载荷切削；机床操纵手柄集中，安排合理，溜板箱有快速移动机构，进给操纵较直观，操作方便，可减轻劳动强度；机床具有高速细进给量，加工精度高，表面粗糙度小(公差等级能达到IT6一IT7，表面粗糙度可达Ral25)：机床溜板刻度盘有照明装置，尾座有夹紧机构，操作方便等等。机床选用比较方便，完全在经济、合理的基础上，满足本设