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阶梯轴类机械零件的加工工艺基础知识

长春汽车工业高等专科学校

毕业实践报告

题目/实践名称阶梯轴类零件的加工工艺

专业/班级

学生姓名

学号

企业指导教师

校内指导教师

起止时间2011-3～2011-4

实习单位

内容摘要

Abstract

第一部分绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

1.1引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

1.2实践单位的基本情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

第二部分机械制造工艺的基础知识．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.1选择车刀、车床和工件安排方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.2拟定加工工艺．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

第三部分机械加工表面精度与工艺规程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

3.1车削基本知识．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

3.2机械加工工艺过程和工艺规程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25

3.3加工精度与表面质量的含义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27

3.4拓展知识．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34

参考文献

附录

致谢

内容摘要

我国社会主义现代化要求机械制造工业为国民经济个部门的技术进步，技术改造提供先进高效的技术装备，他首先要为我国正在发展的产业包括农业，重工业，轻工业以及其他的产业提供质量优良先进的技术设备，同时还要为新材料新能源机械工程等新技术的生产和应用提供基础设备。

随着科学技术和工业生产的飞速发展，国民经济个部门迫切需要各种各样质量优、性能好、效率高、能耗低、价格廉的机械产品。

其中产品设计师决定产品性能，质量水平市场竞争力和经济效益的重要环节，因此采用数控加工就成了首选，因为他工作效率高，质量好，加工精度高。

本文主要介绍了数控加工工艺的概述。

数控加工的切削基础，数控加工工艺设计及数控加工工艺文件，数控加工的工具系统，数控加工夹具，阶梯轴类零件的数控加工工艺，数控切削等。

关键词：

工艺分析；刀具选择；工序确定；装夹方法

Abstract

China'ssocialistmodernizationneedsmachinerymanufacturingindustryfornationaleconomyadepartmentprogressoftechnology,technicalrenovationprovideadvanced,effectivetechnicalequipment,hemustfirstforChinaisinthedevelopmentofindustriesincludingagriculture,heavyindustry,lightindustryandotherindustriesprovidehigh-qualityadvancedtechnologyandequipment,butalsoforthenewmaterialandnewenergymechanicalengineeringofproductionandapplicationofnewtechnologyprovidesthebasicequipment.

Alongwiththescienceandtechnologyandindustrialproduction,therapiddevelopmentofthenationaleconomyadepartmentsurgentlyneededvarietysuperiorquality,goodperformance,highefficiency,lowenergyconsumption,lowpricecheapestmachineryproducts.Oneproductdesignertodetermineproductperformance,qualitymarketcompetitivenessandeconomicbenefitoftheimportantlink,thereforeadoptCNCprocessingbecomepreferredbecausehehighefficiency,goodqualityandhighmachiningaccuracy.

Thisarticlemainlyintroducedthencmachiningprocessoutlined.Ncmachiningcuttingfoundation,ncmachiningprocessdesignandncmachiningprocessdocuments,ncmachiningtoolsystem,CNCjig,ladderaxialpartsofncmachiningprocess,CNCcutting,etc.

Keywords:

processanalysis。

Toolsselection。

Processtodetermine。

Clampingmethod

第一部分绪论

1.1引 言

数控技术是数字程序控制数控机械实现自动工作的技术。

它广泛用于机械制造和自动化领域，较好地解决多品种、小批量和复杂零件加工以及生产过程自动化问题。

随着科技的迅猛发展，自动控制技术已广泛地应用于数控机床、机器人以及各类机电一体化设备上。

同时，社会经济的飞速发展，对数控装置和数控机械要求在理论和应用方面有迅速的发展和提高。

数控加工和编程毕业设计是数控专业教案体系中构成数控加工技术专业知识及专业技能的重要组成部分，通过毕业设计使我们学会了对相关学科中的基本理论、基本知识进行综合运用，同时使对本专业有较完整的、系统的认识，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的，培养和提高了综合分析问题和解决问题的能力，以及培养了科学的研究和创造能力。

数控技术不断的发展，数控技术很快会普极中国工业基地，成为工业发展的标志，数控技术的成熟也是当代科技发展的标志，所以数控技术也是国家经济的体现，中国经济正加快向新兴工业化道路发展，制造业已成为国民经济的支柱产业。

本毕业设计内容主要是详细叙述利用数控车床来加工零件。

大致包含了数控技术特点的阐述、零件的工艺的分析过程、选择刀具及切削的基本知识等加工中一些问题的解决方法，另外还有设计说明书、参考文献、毕业设计小结、致谢、附录等部分。

1.2实习单位基本情况

一汽-大众汽车有限公司于1991年2月6日正式成立，1997年8月正式通过国家验收。

2004年12月7日，一汽-大众公司轿车二厂正式建成投产。

经过不断发展，一汽-大众公司现已形成日产1000多辆整车的生产能力，同时实现部分整车、总成及零部件的出口。

　　一汽-大众汽车有限公司采用先进技术和设备制造当今世界名牌产品-捷达、宝来、高尔夫、开迪、奥迪系列轿车。

它的建成，使我国轿车工业进入了大规模生产的新时期。

国家对外经济贸易部确认一汽-大众为“技术先进企业”，国家统计局授予一汽-大众为“中国汽车制造名优企业”，国家机械局授予一汽-大众为“在促进科学技术进步工作中做出重大贡献者”一等奖。

1998年，一汽-大众正式通过ISO9001质量体系认证；2002年，一汽-大众通过ISO9001（2002版）规范认证，并荣获ISO14001环境经管体系认证证书。

　　1998年，一汽-大众正式通过ISO9001质量体系认证；2002年，一汽-大众通过ISO9001（2002版）规范认证，并荣获ISO14001环境经管体系认证证书。

2004年3月20日通过了德国技术监督协会TüVcert认证公司审核，获得了VDA6.1补充证书。

公司生产的产品还于2006年1月荣获中国环境标志产品认证。

一汽大众

从1991年生产第一批捷达轿车至今，一汽-大众公司从一个注册资本只有37.12亿元人民币的企业发展到现在拥有276亿元人民币的大型汽车企业，目前，一汽-大众公司累计向国家上缴的税金达到400多亿元人民币。

　　一汽-大众一厂、二厂设在长春，在成都设有三厂以及规划中的佛山四厂。

成都三厂目前日趋完善，目前冲压焊装车间已经建成，成都工厂目前有将近1000名员工在长春的各个部门工作学习和培训，将来成都将是一汽大众100万辆目标的不可缺少者，在2011年末ncs车型将下线，将来速腾的下一代nf也将面世，ncs的模具也已经正在国内外制造中。

　　目前，一汽-大众汽车有限公司员工总员工达20248人，上游400多家供应商，下游600多家经销商，总共涉及到30万人。

第二部分机械制造工艺的基础知识

2.相关实践知识

轴类零件是机械结构中用于传递运动和动力的重要零件之一，其加工质量直接影响到机械的使用性能和运动精度。

轴类零件的主要表面是外圆，车削是外圆加工的主要方法。

2.1　选择车刀、车床和工件安装方式

2.1.1车刀类型与选用

（1）车刀的类型；

车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具，它可在各种类型的车床上加工外圆、内孔、倒角、切槽与切断、车螺纹以及其它成形面。

车刀的类型很多，既可按用途可分，也可按刀具材料，还可按结构分。

按用途可大致分：

偏刀——以90°偏刀居多，如图1-2a，用来车削外圆、台阶、端面。

由于主偏角大，，切削时产生的背向切削力小，故很适宜车细长的轴类工件

弯头刀——以45°弯头刀最为常见，如图1-2b，用来车削外圆、端面、倒角。

完成上述加工表面不需转刀架，也不用换刀，可减少辅助时间，提高生产效率。

切断刀（切槽刀）——如图1-2c，用来切断工件或在工件上加工沟槽。

镗刀——如图1-2d，用来加工内孔。

圆头刀——如图1-2e，用来车削工件台阶处的圆角和圆弧槽。

螺纹车刀——如图1-2f，用来车削螺纹。

除此之外，还有端面车刀、直头外圆车刀和成形车刀等等。

图1-2　车刀种类

整体式高速钢车刀，这种车刀刃磨方便，刀具磨损后可以多次重磨。

但刀杆也为高速钢材料，造成刀具材料的浪费。

刀杆强度低，当切削力较大时，会造成破坏。

一般用于较复杂成形表面的低速精车。

硬质合金焊接式车刀——如图1-3所示，这种车刀是将一定形状的硬质合金刀片钎焊在刀杆的刀槽内制成的。

其结构简单，制造刃磨方便，刀具材料利用充分，应用十分广泛。

但其切削性能受工人的刃磨技术水平和焊接质量影响，且刀杆不能重复使用，材料浪费。

可转位车刀——用机械夹固的方式将可转位刀片固定在刀槽中而组成的车刀，如图1-4所示。

其优点是耐用度高、刀片更换方便、迅速，并可使用多种材料刀片，其缺点是结构复杂、刃磨较难、使用不灵活、一次性投入较大。

图1-4可转位车刀

该传动轴在加工时，采用90°偏刀或45°偏头硬质合金焊接式车刀；在加工止动垫圈槽和螺纹加工时，可采用切断刀和螺纹车刀。

（2）车刀标注角度和工作角度

车刀标注角度指刀具在静止参考系中表示的一套角度，主要包括主偏角Кr、副偏角Кr′、前角γ0、后角α0、刃倾角λs、副后角α0′六个。

如图1-5所示

主偏角Кr。

它是基面内主切削平面与假定工作平面之间的夹角。

副偏角Кr′，它是基面内副切削平面与假定工作平面之间的夹角。

前角γ0。

它是正交平面内前面与基面之间的夹角。

后角α0。

它是正交平面内后面与切削平面之间的夹角。

刃倾角λs。

它是主切削平面内主切削刃与基面之间的夹角。

副后角α0′。

它是副切削刃的正交平面（即副剖面）内副后面与副切削平面之间的夹角。

图1-5外圆车刀的的基本几何角度

刀具的工作角度是刀具在工作时的实际切削角度，它受到切削运动和刀具的安装影响。

因此，车刀的工作角度不等于其标注角度。

（3）车刀的安装要求

车刀的安装要求；

1）车刀刀尖应与工件中心等高，如图1-6所示为刀尖不对准工件中心的后果。

1-7a为刀具安装高低对工作角度的影响。

车刀的刀尖高于工件中心，工作前角γoe增大，而工作后角αoe减小。

当刀尖低于工件中心时，角度的变化情况下好相反。

如图1-7b为车端面的情况。

实际生产中要求车端面、圆锥面、螺纹、成形车削等等高安装，粗车孔、切断空心工件时，刀尖应等高机床主轴线；粗车一般外圆、精车孔、安装时刀尖应等高或稍高工件中心线。

a、不对准中心对车刀角度的影响

2）刀杆偏斜对工作主、副偏角的影响。

刀杆偏斜会使车刀的工作主偏角增大，工作副偏角减小。

3）车刀装夹在刀架上伸出部分应尽量短以增强其刚性，如图1-7所示。

一般车刀伸出长度约为刀杆宽度的1～1.5倍，下面的垫片数量要尽量少，并与刀架边缘对齐。

图1-7车刀的装夹

a）正确b）、不正确c）不正确

（4）车刀的材料及选用

高速钢：

高速钢是含有W、Mo、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢，热处理后硬度为62~66HRC，抗弯强度约为33GPa，耐热性为600℃左右。

高速钢又可分为普通高速钢、高性能高速钢、粉末冶金高速钢及涂层高速钢。

硬质合金：

由硬度和熔点很高的碳化物（硬质相，如WC、TiC、TaC、NbC等）和金属（粘结相，如Co、Ni、Mo等）通过粉末冶金工艺制成的。

硬质合金按加工对象和切削时排出切悄形状可分为三类，其中YG主要用于脆性材料，YT用于碳钢类塑性材料，YW用于不锈钢等难加工材料。

陶瓷：

是以氧化铝或以氧化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成。

陶瓷刀具有很高的耐磨性和耐热性，良好的抗粘结性和较低的摩擦系数，化学性能稳定。

陶瓷刀具在切削时不易粘刀、不易产生切削瘤，但其强度和和抗热冲击性较差，一般用于在高速下精加工硬材料，如氧化铝复合陶瓷适合于中速下切削冷硬铸铁、淬硬钢等；氮化硅基陶瓷宜能进行高速切削，故适宜精加工和半精加工，也可加工51~54HRC硬度的镍基合金、高锰钢等难加工材料。

金刚石：

金刚石的硬度的耐磨性很好，可用于切削硬度高的一些材料，但由于金刚石的耐热度较低，只有700~800℃，故工作温度不能过高。

另外，因其易与碳亲合，因此不宜用于加工含碳的黑色金属。

立方氮化硼：

其硬度与耐磨性仅次于金刚石，有较强的抗粘结能力，与钢的摩擦系数小，适用于高速切削钢材及耐热合金。

因其价格高，一般用于加工高硬度材料或超精加工。

（5）刀杆截面形状和尺寸的选用。

车刀刀杆截面形状有矩形、方形和圆形三种。

一般用矩形，切削力较大时采用方形，圆形多用于内孔车刀。

刀杆高度H可按车床中心高选择。

2.1.2车床

车床按照用途和功能不同，可分为许多类型，如卧式车床、立式车床、落地车床和转塔车床等，如图1-8所示。

本节内容主要介绍最常用的CA6140车床。

a、卧式车床

1、主轴箱；2、刀架；3、尾座；4、床身；5、床脚；

6、丝杠；7、光杠；8、操纵杆；9、溜板箱；10、床脚；11、进给箱；12、交换齿轮箱

b、立式车床

c、落地车床

d、转塔车床

　　　　　　　　　　　　　　　　　图1-8　车床类型

（1）车床的功能与型号

车床的功能车床适用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，如内外圆柱面、圆锥面及成形回转表面、车削端面及各种常用的公制、英制、模数制和径节制螺纹，还可以钻孔、扩孔、铰孔、滚花等工作。

车床的型号通用机床的型号表示方法如下：

（△）□（□）△△（△）（□）（△）

分类代号

类代号

通用特性及结构性代号（可有一个或几个）

组、系代号

主参数或设计顺序号

第二主参数

重大改进顺序号

同一型号机床的变型代号

注：

△：

阿拉伯数字□：

大写汉语拼音字母（）：

无内容不写，有内容无括号

如本轴加工的主要设备CA6140车床中，C为类代号，表示车床；A为结构性代号，以区别与C6140和CY6140的区别；61说明该机床属于车床类6组1系；40为该车床的主参数，表示最大加工直径是400mm。

无第二主参数、重大改进顺序号及变型代号。

（2）CA6140车床的组成与技术性能

例如：

CA6140车床，主要组成部件有：

主轴箱：

支承并传动主轴，使主轴带动工件按照规定的转速旋转，实现主运动。

床鞍与刀架：

装夹车刀，并使车刀纵向横向或斜向运动。

尾架：

用后顶尖支承工件，并可在其上安装钻头等孔加工工具，以进行孔加工。

床身：

车床的基本支承件，在其上安装车床的主要部件，以保持它们的相对位置。

溜板箱：

把进给箱传来的运动传递给刀架，使刀架实现纵向进给、横向进给、快速移动或车螺纹。

其上有各种操作手柄和操作按钮，方便工人操作。

进给箱：

改变被誉为加工螺纹时的螺距或机动进给的进给量。

CA6140主要技术性能参数如下：

床身上最大工件回转直径400mm

最大工件长度（4种规格）750mm。

1000mm。

1500mm。

2000mm

最大车削长度直650mm。

900mm。

1400mm。

1900mm

刀架上最大工件回转直径210mm

主轴转速正转24级10~1400r/min

反转12级14~1580r/min

进给量纵向进给量64级0.028~6.33mm/r

横向进给量64级0.014~3.16mm/r

床鞍与刀架快速移动速度4m/min

车削螺纹范围M制螺纹44种T=1~192mm

英制螺纹20种a=2~24牙/in

模数螺纹39种m=0.25~48mm

径节螺纹37种DP=1~96牙/in

主电动机7.5KW,1450r/min

2.1.3工件的安装

（1）三爪卡盘上找正安装工件

三爪卡盘装夹能自动定心，但其定心准确度不高。

装夹时，把工件直接夹持在三爪卡盘上，根据工件的一个或几个表面用划针或指示表找正工件准确位置后再进行夹紧。

（2）一夹一顶安装工件

一夹一顶即轴的一端外圆用卡盘夹紧，一端用尾座顶尖顶住中心孔的工件安装方式。

这种安装方式可提高轴的装夹刚度，此时轴的外圆和中心孔同作为定位基面，常用于长轴加工及粗车加工中。

（3）在双顶尖间安装工件

在实心轴两端钻中心孔，在空心轴两端安装带中心孔的锥堵或锥套心轴，用车床主轴和尾座顶尖顶两端中心孔的工件安装方式。

此时定位基准与设计基准统一，能在一次装夹中加工多处外圆和端面，并可保证各外圆轴线的同轴度以及端面与轴线的垂直度要求，是车销、磨销加工中常用的工件安装方法。

2.2　拟定加工工艺

如图1-9为某传动轴，从结构上看，是一个典型的阶梯轴，工件材料为45，生产纲领为小批或中批生产，调质处理220～350HBS。

技术要求

调质处理HBS217～255。

零件名称：

传动轴　材料45

生产类型：

小批

图1-9阶梯轴

2.2.1分析阶梯轴的结构和技术要求

该轴为普通的实心阶梯轴，轴类零件一般只有一个主要视图，主要标注相应的尺寸和技术要求，而其它要素如退刀槽、键槽等尺寸和技术要求标注在相应的剖视图。

轴颈和装传动零件的配合轴颈表面，一般是轴类零件的重要表面，其尺寸精度、形状精度（圆度、圆柱度等）、位置精度（同轴度、与端面的垂直度等）及表面粗糙度要求均较高，是轴类零件机械加工时，应着重保障的要素。

如图1-9所示的传动轴，轴颈M和N处是装轴承的，各项精度要求均较高，其尺寸为Ф35js6（±0.008），且是其它表面的基准，因此是主要表面。

配合轴颈Q和P处是安装传动零件的，与基准轴颈的径向圆跳动公差为0.02（实际上是与M、N的同轴度），公差等级为IT6，轴肩H、G和I端面为轴向定位面，其要求较高，与基准轴颈的圆跳动公差为0.02（实际上是与M、N的轴线的垂直度），也是较重要的表面，同时还有键槽、螺纹等结构要素。

2.2.2明确毛坯状况

一般阶梯轴类零件材料常选用45钢；对于中等精度而转速较高的轴可用40Cr；对于高速、重载荷等条件下工作的轴可选用20Cr、20CrMnTi等低碳含金钢进行渗碳淬火，或用38CrMoAIA氮化钢进行氮化处理。

阶梯轴类零件的毛坯最常用的是圆棒料和锻件。

2.2.3拟定工艺路线；

1）确定加工技术方案

轴类在进行外圆加工时，会因切除大量金属后引起残余应力重新分布而变形。

应将粗精加工分开，先粗加工，再进行半精加工和精加工，主要表面精加工放在最后进行。

传动轴大多是回转面，主要是采用车削和外圆磨削。

由于该轴的Q、M、P、N段公差等级较高，表面粗糙度值较小，应采用磨削加工。

其它外圆面采用粗车、半精车、精车加工的加工技术方案。

2）划分加工阶段

该轴加工划分为三个加工阶段，即粗车（粗车外圆、钻中心孔）、半精车（半精车各处外圆、台肩和修研中心孔等），粗精磨Q、M、P、N段外圆。

各加工阶段大致以热处理为界。

3）选择定位基准

轴类零件各表面的设计基准一般是轴的中心线，其加工的定位基准，最常用的是两中心孔。

采用两中心孔作为定位基准不但能在一次装夹中加工出多处外圆和端面，而且可保证各外圆轴线的同轴度以及端面与轴线的垂直度要求，符合基准统一的原则。

在粗加工外圆和加工长轴类零件时，为了提高工件刚度，常采用一夹一顶的方式，即轴的一端外圆用卡盘夹紧，一端用尾座顶尖顶住中心孔，此时是以外圆和中心孔同作为定位面。

4）热处理工序安排

该轴需进行调质处理。

它应放在粗加工后，半精加工前进行。

如采用锻件毛坯，必须首先安排退火或正火处理。

该轴毛坯为热轧钢，可不必进行正火处理。

5）加工工序安排

应遵循加工顺序安排的一般原则，如先粗后精、先主后次等。

另外还应注意：

外圆表面加工顺序应为：

先加工大直径外圆，然后再加工小直径外圆，以免一开始就降低了工件的刚度。

轴上的花键、键槽等表面的加工应在外圆精车或粗磨之后、外圆精磨之前。

这样既可保证花键、键槽的加工质量，也可保证精加工表面的精度。

轴上的螺纹一般有较高的精度，其加工应安排在工件局部淬火之前进行，避免因淬火后产生的变形而影响螺纹的精度。

该轴的加工工艺路线为：

毛坯及其热处理→预加工→车削外圆→铣键槽等→热处理→磨削。

2.2.4确定工序尺寸

毛坯下料尺寸：

Φ65×265；

粗车时，各外圆及各段尺寸按图纸加工尺寸均留余量2mm；

半精车时，螺纹大径车到

，Φ44及Φ62台阶车到图纸规定尺寸，其余台阶均留0.5mm余量。

铣加工：

止动垫圈槽加工到图纸规定尺寸，键槽铣到比图纸尺寸多0.25mm，作为磨销的余量。

精加工：

螺纹加工到图纸规定尺寸M24х1.5-6g，各外圆车到图纸规定尺寸。

2.2.5选择设备工装

外圆加工设备：

普通车床CA6140

磨削加工设备：

万能外圆磨床M1432A

铣削加工设备：

铣床X52

2.2.6填写工艺卡片

表1-9　阶梯轴加工工艺

工序号

工种

工序内容

设备

1

下料

ф65х265

2

车

三爪卡盘夹持工件，车端面见平，钻中心孔，用尾架顶尖顶住，粗车P、N及螺纹段三个台阶，直径、长度均