CA6140车床手柄轴加工工艺设计3稿Word文件下载.docx
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Handleshaft;
ProcessRoute;
Processdesign
1引言
在现代工业生产中，普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数的65%，因其主轴以水平方式放置故称为卧式车床。
而CA6140机床广泛应用于机械加工行业中，本设计主要针对CA6140机床的手柄轴进行设计。
而在轴类零件中，工艺规程的制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。
一零件可以有几种不同的加工方法，但只有某一种较合理。
在轴类零件的加工过程中，通常都要安排适当的热处理，以保证零件的力学性能和加工精度，并改善切削加工性。
一般毛坯锻造后安排正火工序，而调质处理则安排在粗加工后，以消除粗加工产生的应力及获得较好的金相组织。
通常，轴的精度越高，为保证其精度的稳定性，其材料及热处理要求也越高，需要进行的热处理次数越多。
另外，手柄轴的主要任务是将手柄通过链传动使轴转动，因此手柄轴是传动的关键零件。
在设计中注意零件的经济性和使用性，尽量降低加工时的成本，减少工人的劳动强度。
2零件的工艺分析及生产类型的确定
2.1零件的作用
轴类零件是机器中的主要零件之一，而题目CA6140车床手柄轴在车床是起传递扭矩的作用，例如车床变速。
其结构特点是长度大于直径的回旋体。
手柄轴大端即手柄座是通过用沉头螺纹孔Φ14×
3.5M10-6H与手柄配合，起到连接作用，再通过两个5N9mm的键槽与平键的过渡配合来实现传递扭矩，外圆Φ20mm与轴承连接。
零件图如图1、图2所示。
图1
2.2零件的工艺分析
⑴零件的结构及其工艺性分析：
通过对该零件图的重新绘制，知原样的视图正确、完整，尺寸、公差及技术要求齐全。
该零件属于轴类零件，其结构呈阶梯状。
图2
⑵零件技术要求分析：
从该手柄轴零件图可知，两支承轴径分别为Φ15.2mm和Φ20g6mm，两个配合轴径分别为Φ16js6mm和Φ20js6mm,手柄座等五个重要表面。
该零件的主要技术要求为：
①两支承轴径Φ15.2mm和Φ20g6mm，两个配合轴径Φ16js6mm和Φ20js6mm。
表面粗糙度Ra≤1.6μm.
②键槽5N9，表面粗糙度Ra≤3.2μm，键槽深度为170-0.1mm.
③在手柄座钻M10H6的沉头螺纹孔。
2.3零件的生产类型
零件是车床上的手柄轴，质量约为1.21kg，查表2-1
可知其属轻型零件，生产类型为大批量生产。
3确定机械加工余量，确定毛坯尺寸，设计毛坯图
3.1零件结构分析
该零件的材料为45钢。
考虑到零件通过螺纹孔、键槽传递力矩，Φ15.2mm、Φ20mm与轴承连接，在工作过程中承受较大的冲击、剪切载荷和扭矩，为使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠，因此应该选择锻件。
由于零件属于大批量生产，而且零件的轮廓尺寸（122mm）不大，形状结构简单，阶梯轴台阶直径相差较大，为减少材料消耗和机械加工劳动量，从提高生产率、保证加工精度上考虑，可以采用模锻成形。
3.2确定机械加工余量、毛坯尺寸和公差
参见钢质摸锻件的公差及机械加工余量按GB/T12362—2003确定[2]。
要确定毛坯的尺寸公差及机械加工余量，应先确定如下各项因素。
⑴锻件公差等级由该零件的功用和技术要求，确定其锻件公差等级为普通级。
⑵锻件质量Μf根据零件成品质量约为1.21kg，估算Μf=2.3kg。
⑶锻件形状复杂系数S
S=Μf/Μn
该锻件为圆形假设其最大直径为Φ46mm，长126mm，则由公式得
Μn=∏/4×
46×
126×
7.85×
10
=3.7kg
S=2.3/3.7=0.62
由于0.62介于0.32和0.63之间，故该零件的形状复杂系数S属S2级。
⑷锻件材质系数Μ由于该锻件材料为45号钢，是碳的质量分数小于0.65%的碳素钢，故该锻件的材质系数属Μ1级。
⑸零件表面粗糙度
由零件图知，手柄座（抛光镀鉻）处Ra为0.8µ
m,轴
15.2mm,
16mm,
20mm处的表面Ra为1.6µ
m，其余各加工表面Ra
≥3.25µ
m。
3.2.1确定机械加工余量
根据锻件质量、零件粗糙度、形状复杂系数查表5—9
，由此表查得单边余量在厚度方向为1.7~2.2mm，水平方向为1.7~2.2mm，即锻件各外径的单面余量为1.7~2.2mm，各轴向尺寸的单面余量为1.7~2.2mm。
锻件的沉头螺纹孔的单面余量按表5—10查得为2.0mm。
3.2.2确定毛坯尺寸
上面查得的加工余量适用于机械加工表面粗糙度Ra≥1.6µ
Ra＜1.6µ
m的表面，余量要适当增大。
分析本零件，除手柄座（用抛光镀鉻加工）处Ra为0.8µ
m,
因此这些表面的毛坯尺寸只需将零件的尺寸加上所查得的余量值即可，（由于有的表面只需粗加工，这时可取所查数据中的小值。
当表面需粗加工和半精加工时，可取其较大值）手柄座需加工达到Ra为0.8µ
m，由5—37
得知直径余量为0.1mm。
综上所述，确定毛坯尺寸见表1。
表1柄轴毛坯（锻件）尺寸 /ｍｍ
零件尺寸
单面加工余量
锻件尺寸
Φ40
3
Φ46
Φ14
2
Φ10
Φ16js6
Φ20
122
2及1.7
125.7
Φ20g6
Φ24
82
85.7
Φ15.7
1.7
Φ19.1
20
23.7
Φ20js6
Φ15.2
Φ18.6
3.2.3确定毛坯尺寸公差
毛坯尺寸公差根据锻件质量、材质系数、形状复杂系数从表5-6
、表5-7
中查得。
本零件毛坯允许偏差见表2。
表2手柄轴毛坯（锻件）尺寸允许偏差 /mm
偏差
根据
+1.4
-0.4
表5-7
+1.5
-0.7
表5-6
+1.2
-0.6
+1.1
-0.5
Φ18
+1.0
3.3设计毛坯图
（1）确定圆角半径锻件的外圆角半径按表5-12
确定。
为简化起见，本锻件以台阶高度H=16-25进行确定。
结果为：
外圆角半径r=6
以上所取的圆角半径数值能保证各表面的加工余量。
（2）确定模锻斜度根据表5-11
确定模锻斜度。
外模锻斜度α=5°
（3）确定分模位置由于毛坯为轴类锻件，应采用轴向分模，这样可冲内孔，使材料利用率得到提高。
为了便于起模及便于发现上、下模在模锻过程中错移，选择最大直径（即圆盘处）的对称平面为分模面，分模线为直线，属平直分模线，如图3。
（4）确定毛坯的热处理方式钢质毛坯经锻造后应安排正火，以消除残余的锻造应力，并使不均匀的金相组织通过重新结晶而得到细化、均匀的组织，从而改善加工性。
零件毛坯尺寸要求图4、图5。
图3
4选择加工方法，制定工艺路线
4.1定位基准的选择
本零件是一端带螺纹孔的阶梯轴，其中心轴零件的设计基准，为便于保证各加工表面间的相互位置精度，避免基准转换所产生的定位误差，并简化夹具的设计和制造工作，故采用“基准统一”原则，采用中心轴作为精基准。
由于本零件全部表面都需要加工，因此应选外圆及一端面为粗基准。
由于外圆Φ40mm上有分模面，表面不平整有飞边等缺陷，定位不可靠，而零件是以中心轴作为基准的零件精度要求的表面，为保证其精度要求，故选用毛零件外圆Φ20g6mm为粗基准。
图4
图5
4.2零件表面加工方法的选择
本零件的加工面有外圆，螺纹孔，端面，槽等，材料为45钢。
以公差等级和表面粗糙度要求，参考本指南有关资料，其加工方法选择如下。
⑴Φ40圆锥面表面要求粗糙度为Ra0.8µ
m，需粗车、半精车、精车、抛光，而Φ15.2外圆面未注公差尺寸，根据GB1800-79规定其公差等级按IT12，表面粗糙度为Ra15µ
m，粗车即可。
⑵Φ15.70+0.2mm外圆面其公差等级
查得为IT12,粗车即可表5-14
。
⑶Φ20g6mm和Φ20js6mm外圆面其公差等级为IT6,表面粗糙度为Ra1.6µ
m，需粗车，半精车，精车，表5-14
⑷Φ14×
3.5mm内孔为未标注公差尺寸，公差等级按IT14，表面粗糙度为Ra6.3µ
m,先钻Φ10的孔，再只需粗镗即可，表5-15
⑸M10-6Hmm螺纹孔其与Φ14×
3.5mm内孔同轴，加工方法：
需先用Φ8.7的钻头钻螺纹底孔.再用M10的丝锥攻丝。
⑹5N9mm键槽其槽宽和槽深的公差等级都为IT9，表面粗糙度为Ra3.2µ
m需粗铣，精铣（表5-16
）。
⑺小头的端面由于此端面精度要求不高，表面粗糙度为Ra6.3，经粗车即可。
4.3制定工艺路线
工序Ⅰ：
以Φ20mm外圆面作为定位基准，粗车Φ40mm外圆面及端面（约1.5mm单边余量），粗车端面（切削余量1.5）；
掉头，粗车、半精车另一端面（总余量2.5），钻中心孔。
工序Ⅱ：
以Φ40mm外圆面作为定位基准，一夹一顶，粗车、半精车外圆16js6smm、Φ20g6mm、Φ20js6mm，倒角。
工序Ⅲ：
切槽，粗车、半精车三个3×
0.5的槽。
工序Ⅳ：
以Φ20mm外圆面作为定位基准，半精车Φ40mm外圆锥面（单边切削余量 1.0）,半精车Φ40mm端面，半精车Φ40mm另一端面（约1.0mm余量）使之符合 零件尺寸（122mm）要求，粗车加工角度为150外圆锥面，到圆角。
工序Ⅴ：
先钻Φ8.7×
22mm螺纹底孔,再钻Φ10的沉头孔。
工序Ⅵ：
粗镗Φ14内圆面。
工序Ⅶ：
用M10的丝锥攻丝。
工序Ⅷ：
粗铣，精铣键槽。
工序Ⅸ：
钳工去毛刺。
工序Ⅹ：
圆锥面、大端面抛光镀鉻。
工序Ⅺ：
终检。
5工序设计
5.1选择加工设备与工艺装备
5.1.1选择机床根据不同的工序选择不同机床
1工序ⅠⅡⅢⅣ是粗车和半精车或精车，各工序的工步数较多，大批量生产要求较高的生产率，同时由于要求的精度较高，表面粗糙度较小，需选用较精密的车床才能满足要求，因此选用C620-1A型卧式车床（表5-55）。
2工序Ⅴ钻Φ14×
3.5mm孔、钻Φ8.7×
22mm螺纹底孔和工序Ⅶ，均有较高的位置度要求，可采用专用的分度夹具在立式钻床上加工，选用Z525型立式钻床。
3工序Ⅷ在铣床上加工，选用X62（X62W）卧式（万能）铣床满足要求。
5.1.2选择夹具
本零件除粗铣精铣槽、钻孔、攻丝需要专用夹具外，其他各工序使用通用夹具即可。
前三道工序用三爪自定心卡盘和顶尖。
5.1.3选择刀具
根据不同的工序选择刀具：
1在车床上加工的工序，一般采用硬质合金钢刀。
加工钢质零件采用YT类硬质合金，粗加工用YT5，精加工用YT30。
为提高生产效率及经济性，应选用转位车刀（GB5343.1-1985，GB5343.2-1985）。
切槽刀宜选用高速钢。
2工序Ⅵ钻孔用Φ8.7×
22mm直柄麻花钻dh=2mm
3工序Ⅷ粗铣，精铣键槽选用整体硬质合金直柄立铣刀（摘自GB/T16770.1-1997）。
零件要求铣切深度为3mm，铣切宽度为5，按表5-98，ap≤5,ae≤4,铣刀的直径应为～63。
因此，所选铣刀：
粗铣选用d1=6mm，精铣选用d1=5mm的整体硬质合金直柄立铣刀
5.1.4选择量具
本零件属于大批量生产，一般情况下尽量采用通用量具。
根据零件表面的精度要求，尺寸和形状特点，参考有关资料，选择如下：
1选择各外圆加工面的量具。
本零件各外圆加工面的量具见表3
表3外圆加工面的量具/mm
工序
加工面尺寸
尺寸公差
量具
Ⅰ
0.5
读数值0.02。
测量范围0～150游标卡尺（表5-108）
Ⅱ
0.08
读数值0.01。
测量范围0～25外径千分尺（表5-108）
0.13
0.06
Ⅲ
0.2
2选择加工孔用量具Φ14沉头、Φ8.7螺纹底孔，其公差等级为IT11，从表5-108中选读数值0.01，测量范围测量范围0～25外径千分尺。
3选择加工轴向尺寸所用量具根据图纸尺寸数据，一般情况下尽量采用通用量具，加工轴向尺寸量具测量范围在0～150的深度游标卡尺和测量范围0～25外径千分尺。
4选择加工槽所用量具键槽经粗铣、精铣两次加工。
在粗铣、精铣两次加工中，槽宽及槽深的尺寸公差的等级均为IT9和IT11。
故均可用数值为0.01，测量范围0～25的外径千分尺。
5.2确定工序尺寸
（1）确定圆柱面的工序尺寸圆柱表面多次加工的工序尺寸只与加工余量有关。
前面已确定各圆柱面的总加工余量（毛坯余量），应将毛坯余量分为各工序加工余量，然后有后往前计算工序尺寸。
中间工序尺寸的公差按加工方法的经济精度确定。
本零件各圆柱表面的工序加工余量、工序尺寸及公差、表面粗糙度见表4
表4圆柱表面的工序加工余量、工序尺寸及公差、表面粗糙度/mm
加工表面
工序双边余量
工序尺寸公差
表面粗糙度/µ
m
粗
半精
精
Φ15.2外圆
2.5
0.9
-
Φ16.1
Ra6.3
Ra3.2
Φ16js6外圆
1.5
Φ17.5
Φ16
Ra1.6
Φ20g6外圆
Φ21.5
Φ15.7外圆
Φ16.6
Φ20js6外圆
Φ40外圆
5
1
Φ41
Φ14内孔
4
（2）确定轴向工序尺寸本零件各工序的轴向尺寸如图6所示。
图6
1确定各加工表面的工序加工余量。
本零件各端面的工序加工余量见表4-6.
表4-1各端面的工序加工余量
总加工余量
工序加工余量
Z11=1.5
6
Z22=2.5
Z32=2.5
Z42=2.5
Z52=2.5
Z62=2.5
7
Z=1
Z=2.5
2确定工序尺寸L13、L3、L2。
该尺寸在工序中应达到零件图样的要求，则：
L13=1220+0.5mm（尺寸公差暂定）
L3=20mmL2=102mm
3确定工序尺寸L11、L12。
L12=L13+Z13=122+1=123mm
L11=L12+Z22=123+2.5=125.5mm
工序尺寸L2、L3及L13组成尺寸链，如图7。
（3）确定键槽的工序尺寸精铣可达到零件图样的要求，则该工序尺寸：
槽宽为5N9mm，槽深3mm。
粗铣时，为精铣留有加工余量：
槽宽双边余量为1mm，槽深余量为0.5mm。
则粗铣工序的尺寸：
槽宽为4mm，槽深为2.5mm。
图7
6确定切削用量及基本时间的确定
切削用量包括背吃刀量a（p）、进给量f和切削速度v。
确定顺序是先确定a（p）、f，再确定v。
6.1工序Ⅰ切削用量及基本时间的确定
（1）切削用量本工序为钻中心孔，粗车（Φ40mm圆锥外圆,端面）。
已知加工材料为45钢，бb=670Mpa,锻件，有外皮；
机床为C620-1型卧式车床，工件装卡在三爪自定心卡盘中，顶尖。
1确定粗车外圆Φ40mm的切削用量。
所选YT5硬质合金可转位车刀。
根据表5-112
，由于C620-1型卧式车床中心高为200mm，故选刀杆尺寸B×
H=16mm×
25mm,刀片厚度为4.5mm.根据表5-113，选择车刀几何形状为卷屑倒棱前刀面，前角гo=12°
，后角аo=6°
，主偏角Kr=90°
副偏角Kr′=10°
，刃倾角λs=0°
刀尖圆弧半径гε=0.8mm.
ⅰ确定背吃刀量a（p）粗车双边余量为3.0mm，显然a（p）为单边余量，a（p）=3.0/2=1.5mm.
ⅱ确定进给量f根据表5-114，在粗车材料、刀杆尺寸B×
H=16×
25、a（p）≤3mm、工件直径为40～60mm时，f=0.4～0.7mm/r，按C620-1型卧式车床的进给量表5-57
，选择f=0.5mm/r.
确定的进给量尚需机床进给机构强度的要求，故需进行校验。
根据表5-55[2]，C620-1型卧式车床进给机构允许的进给力Fmax=3530N。
根据表5-123[2]，当钢料бb=570～670Mpa，a（p）≤2mm、f≤0.5mm/r、Kr=90°
v=65m/min（预计）时，进给力Ff=760N.
Ff的修正系数为Kг0Ff=1.0,KλsFf=1.0,KKrFf=1.17，故实际进给力为
Ff=760×
1.0×
1.17=889.2N
Ff≤Fmax，所选的进给量f=0.5mm/r可用。
ⅲ选择车刀磨钝标准及耐用度根据表5-119
，车刀后刀面最大磨损量取为1mm,可转位车刀耐用度T=30min。
ⅳ确定切削速度v，根据表5-120，当用YT5硬质合金可转位车刀加工бb=600～700Mpa钢料,a（p）≤3mm、f≤0.5mm/r时，切削速度N=138r/min。
切削速度v的修正系数
Ksv=0.8Kkv=1.0KMv=1.0KKrv=0.89Ktv=0.65KTv=1.15
v=138×
0.8×
0.89×
0.65×
1.15=73.45m/min
n=1000v/∏d=102.27r/min
按C620-1车床的转速（表5-56
），选择n=90=1.5,则实际切削速度v=51.15
ⅳ.校验机床功率由表5-125[2]，当бb=580～970MpaHBS=166～277、a（p）≤2mm，f≤0.45mm/r、v=57m/min时，Pc=2.0kw。
切削速度v的修正系数：
KKrPc=0.81，KroPc=1.0,KMPc=1.0，KkPc=1.0,KTrPc=1.13,KsPc=0.65,表2-9[2]，
故实际切削时的功率为Pc0.95kw。
根据表5-59，当n=90时，机床主轴允许PE=5.9kw。
Pc＜PE，故所选切削用量可在C620-1车床上进行。
最后确定的切削用量为
a（p）=1.5mm,f=0.5mm/r，n=90r/min,v=51.2m/min
②确定粗车端面的切削用量。
采用车外圆Φ40的刀具车削端面，加工余量可一次走刀切除，
a（p）=1.5mm,f=0.5mm/r,主轴转速与车外圆Φ40相同。
掉头，车另一端面，a（p）=1.75mm。
③半精车端面Φ15.2mm,所选刀具为YT15硬质合金可转位车刀。
车刀形状、刀杆尺寸及刀片厚度均与粗车相同。
根据表5-113，车刀几何形状为前角гo=12°
付偏角Kr′=5°
刀尖圆弧半径гε=0.5mm。
ⅰ确定背吃刀量a（p）=0.75mm；
ⅱ确定进给量f根据表5-116及C620-1车床进给量（表5-57
），选择f=0.15mm/r。
由于是半精加工，切削力较小，故不需校核机床进给机构强度。
ⅲ选择车刀磨钝标准及耐用度根据表5-119，车刀后刀面最大磨损量取为0.4mm,可转位车刀耐用度T=30min。
ⅳ确定切削速度v主轴转速与车外圆Φ40mm相同。
根据表5-120，当用YT15硬质合金可转位车刀加工бb=600～700Mpa钢料,a（p）≤1.4mm、f≤0.25mm/r时，切削速度N=176。
Ksv=0.8、Kkv=1.0、KMv=1.0、KKrv=0.89、Ktv=1、KTv=1.15
v=176×
1×
1.15=144.1m/min
n=1000v/∏d=834.46r/min
6.2工序Ⅱ切削用量及基本时间的确定
6.2.1切削用量
本工序为钻中心孔，以Φ40mm外圆面作为定位基准，粗车、半精车外圆Φ15.2mm、Φ16mm、Φ20mm、Φ15.7mm和阶梯面。
6.2.2确定粗车外圆Φ16mm、Φ20mm、Φ1
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