车床尾座套筒的材料与加工工艺设计.docx
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车床尾座套筒的材料与加工工艺设计
车床尾座套筒的材料与加工工艺设计
摘要
车床尾座套筒是车床的主要零件，其结构合理与否、质量的好坏对加工过程、加工精度等有很大的影响，因此，在机床零件设计的过程中为主要考虑对象。
车床尾座在轴类工件的加工、端面钻孔、铰孔等工序中经常应用，其工作状况好坏对工件加工质量有着较大的影响。
车床尾座的主要作用是为轴类零件定心，同时具有辅助支撑和夹紧的功能。
尾座顶尖的定位精度直接影响机床加工工件的径向尺寸精度，以及圆度、圆柱度、同轴度等形位精度。
而套筒是直接用来装夹顶尖的，由此可见，车床套筒的加工质量将直接影响到机床的工作精度和使用寿命。
所以，研究车床套筒的成形工艺是非常重要的。
此篇论文主要内容是对套筒零件的材料选用以及成形方法的研究及设计。
首先，简述了车床套筒的作用与工艺分析，然后对成形工艺作了详细的研究与设计，其中包括如何选材及热处理要求，分析了毛坯的制造方案与选用原则，分析了基准面的选取、定位和夹紧方案对加工精度的影响，叙述了切削用量对加工精度的影响以及如何选用。
在此基础上，制定了加工工艺路线与工艺规程设计，进行了各道工序的加工方法，机床、刀具、夹具、辅具、量具的选择，编制了机械加工工艺过程卡片与典型的工序卡片，以及车床尾座套筒成形方法的设计与加工。
关键词：
套筒基准精度工艺
LatheTailstocksleevedesignofmaterialsandprocessingtechnology
Abstract
Lathetailstocksleeveisthemaincomponent,itsstructureisreasonableornot,goodorbadqualityofthemachiningprocess,machiningaccuracy,etc.havegreatimpact,therefore,intheprocessofdesigningmachinepartsforthemainobjectconsidered.LatheTailstocktheshaftworkpiece,facedrilling,reamingandotherprocessesoftenapplied,theworkingconditionsgoodorbadqualityoftheworkpiecehasagreaterimpact.Themainroleofthelathetailstockfortheshaft-centering,butalsohasauxiliarysupportandclampingfunctions.Tailstockdirectlyaffectthepositioningaccuracyoftheradialsizeoftheworkpiecemachiningaccuracy,aswellasroundness,cylindricalform,suchascoaxialgeometricalprecision.Thesleeveisclampeddirectlytothetop,wecansee,latheprocessingsleevewilldirectlyaffectthequalityoftheworkofprecisionmachinetoolsandservicelife.Therefore,theformingprocessofturningthesleeveisveryimportant.Thispaperismainlysleeveformingpartofthematerialselectionandmethodsofresearchanddesign.Firstofall,describedtheroleofalathesleevewithprocessanalysis,calculatingthebasicsizeofthesleeve,andthenformingprocessindetailontheresearchanddesign,includinghowthematerialsandheattreatmentrequirements,themanufactureoftheblankprogramsandselectionprinciples,analysisofthebaseleveloftheselection,positioningandclampingtheprogramontheprocessingaccuracy,describedthecuttingofthemachiningaccuracyandhowtochoose.Onthisbasis,thedevelopmentofprocessingroutesandprocessplanning,carriedouttheworkingprocedureoftheprocessingmethods,machines,tools,fixtures,accessories,measuringthechoiceofthepreparationofamechanicalprocessandthetypicalprocesscardLatheTailstocksleeveshapingandguidingthedesignandprocessingmethods.
Keywords:
Sleeve；Benchmark；Location；Technology
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第一章前言1
1.1筒类零件的功用与结构特点1
1.2套筒类零件的技术要求、材料、毛坯1
1.2.1套筒类零件的技术要求1
1.2.2套筒类零件的材料毛坯与热处理2
1.3本设计研究内容2
第二章加工工艺规程设计3
2.1车床尾座套筒零件的作用3
2.2车床尾座套筒的零件图分析3
2.3车床尾座套筒的毛坯设计4
2.3.1毛坯材料的选择4
2.3.2毛坯的成型方式、尺寸4
2.3.3毛坯图形6
2.4工件基准的选择6
2.5工艺路线6
2.6加工余量和工序尺寸的确定9
2.7切削用量的确定10
2.8时间定额的确定11
2.9本章小结12
第三章加工工艺方案的技术经济比较13
第四章总结与展望14
4.1总结14
4.2展望14
致谢15
参考文献16
附录17
第一章前言
1.1筒类零件的功用与结构特点
套筒类零件是机械中常见的一种零件，它的应用范围很广。
如支承旋转轴的各种形式的滑动轴承、夹具上引导刀具的导向套、内燃机气缸套、液压系统中的液压缸以及一般用途的套筒，套筒类零件的结构和尺寸有着很大的差别，但其结构上仍有共同点，即：
零件的主要表面为同轴度要求较高的内外圆表面；零件壁的厚度较薄且易变形；零件长度一般大于直径等。
1.2套筒类零件的技术要求、材料、毛坯
1.2.1套筒类零件的技术要求
套筒类零件的主要表面是孔和外圆，其主要技术要求如下：
（1）孔的技术要求
孔是套筒类零件起支承或导向作用的最主要表面，通常与运动的轴、刀具或活塞相配合。
孔的直径尺寸公差等级一般为IT7，精密轴套可取IT6，气缸和液压缸由于与其配合的活塞上有密封圈，要求较低，通常取IT9。
孔的形状精度，应控制在孔径公差以内，一些精密套筒控制在孔径公差的1/2～1/3，甚至更严。
对于长的套筒，除了圆度要求以外，还应注意孔的圆柱度。
为了保证零件的功用和提高其耐磨性，孔的表面粗糙度值为Ra1.6～0.16μm，要求高的精密套筒可达Ra0.04μm。
（2）外圆表面的技术要求
外圆是套筒类零件的支承面，常以过盈配合或过渡配合与箱体或机架上的孔相连接。
外径尺寸公差等级通常取IT6～IT7，其形状精度控制在外径公差以内，表面粗糙度值为Ra3.2～0.63μm。
（3）孔与外圆的同轴度要求
当孔的最终加工是将套筒装入箱体或机架后进行时，套筒内外圆间的同轴度要求较低；若最终加工是在装配前完成的，则同轴度要求较高，一般为Φ0.01～Φ0.05mm。
（4）孔轴线与端面的垂直度要求
套筒的端面（包括凸缘端面）若在工作中承受载荷，或在装配和加工时作为定位基准，则端面与孔轴线垂直度要求较高，一般为0.01～0.05mm。
1.2.2套筒类零件的材料毛坯与热处理
套筒类零件一般用钢、铸铁、青铜或黄铜制成。
有些滑动轴承采用双金属结构，以离心铸造法在钢或铸铁内壁上浇注巴氏合金等轴承合金材料，既可节省贵重的有色金属，又能提高轴承的寿命。
套筒零件毛坯的选择与其材料、结构、尺寸及生产批量有关。
孔径小的套筒，一般选择热轧或冷拉棒料，也可采用实心铸件；孔径较大的套筒，常选择无缝钢管或带孔的铸件、锻件；大量生产时，可采用冷挤压和粉未冶金等先进的毛坯制造工艺，既提高生产率，又节约材料。
大多数套筒零件在加工过程中都需要热处理，目的在于消除内应力及改善力学性能和切削性能。
热处理一般安排在粗加工之前或粗加工之后精加工之前，对于强度要求较高的套筒需要在粗加工之后半精加工之前进行调质处理，以改善金属组织提高零件力学性能，对于由于厚钢板焊接而成的套筒见毛坯则更在粗加工之前之后2次进行稳定性回火，以充分消除内应力，防止精加工后继续变形。
1.3本设计研究内容
本设计主要内容是对车床尾座套筒零件的材料选用以及成形方法的研究、设计。
首先，阐述了车床尾座套筒零件的作用与工艺分析，分析定位方案；绘制车床尾座套筒零件图；然后对成形工艺作了详细的研究与设计，其中包括如何选材及热处理要求，分析了毛坯的制造方案与选用原则；分析了基准面的选取、定位和夹紧方案对加工精度的影响，阐述了切削用量对加工精度的影响以及如何选用。
在此基础上，制定了加工工艺路线与工艺规程设计，进行了各道工序的加工方法，机床、刀具、夹具、辅具、量具的选择，编制了机械加工工艺过程卡片与部分工序卡片。
第二章加工工艺规程设计
2.1车床尾座套筒零件的作用
车床尾座是车床上常用的部件，在轴类工件的加工、端面钻孔、铰孔等工序中经常应用，其工作状况好坏对工件加工质量有着较大的影响。
车床尾座的主要作用是为轴类零件定心，同时具有辅助支撑和夹紧的功能。
尾座顶尖的定位精度直接影响机床加工工件的径向尺寸精度，以及圆度、圆柱度、同轴度等形位精度，而车床尾座套筒直接用来装载顶尖，对顶尖，对加工的零件会产生重要的影响。
2.2车床尾座套筒的零件图分析
图2-1车床尾座套筒零件
车床尾座的具体技术要求如下：
（1）φ55
mm外圆的圆柱度公差为0.005mm。
（2）莫氏4号锥孔轴心线与φ55
mm外圆轴心线的同轴度公差为φ0.01mm。
（3）莫氏4号锥孔轴心线对φ55
mm外圆轴心线的径向跳动公差为0.01mm。
（4）键槽8
mm对φ55
mm外圆轴心线的平行度公差为0.025mm，对称度公差为0.1mm。
（5）锥孔涂色检查其接触面积应大于75%。
（6）调质处理28～32HRC。
（7）局部外圆及锥孔淬火45～50HRC。
2.3车床尾座套筒的毛坯设计
2.3.1毛坯材料的选择
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。
机械加工中常用的毛坯有铸件、锻件、冲压件和型材等，选用时主要考虑一下因素。
（1）零件的材料与力学性能；
（2）零件的结构形状与外形尺寸；（3）生产类型；（4）毛坯车间的生产条件；（5）利用新工艺、新技术、新材料的可能性。
本设计根据零件图的技术要求采用45钢作为毛坯材料。
2.3.2毛坯的成型方式、尺寸
套筒类零件的毛坯制造形式主要有铸造与锻造（压）等方法。
本设计中，毛坯制造形式为模锻。
下面是两种方案的比较与选用过程：
（1）铸造：
铸造是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸和性能铸件的成形方法。
铸造方法常用于制造承受静载荷及压应力的结构件，如箱体、床身、支架等。
此外，有一些特殊性能要求的构件，如球磨机的轧辊等也常用铸造方法制造。
优点：
1）较强的适应性；a、铸件材料不受限制。
工业生产中常用的金属材料，如各种合金钢、铸铁、有色金属等，都可用铸造方法成形。
b、铸件形状不受限制。
铸造可生产出形状复杂的铸件，特别是能够制造具有复杂内腔的铸件。
C、铸件的尺寸、质量和生产批量不受限制。
2）良好的经济性；3）实现了少切削和无切削；铸件的形状和尺寸与零件非常相近，铸型精密，型腔表面极为光洁，铸件的精度可达CT5～CT7级，表面粗糙度可达Ra25～3.2um,实现少切削和无切削加工。
缺点：
铸件力学性能较差：
由于铸造生产工艺的特点是液态成形，铸造的工序多，铸件在浇注、凝固和固态冷却过程中，受许多因素影响，故铸件缺陷往往较多，如晶粒粗大、成分偏析、缩孔、气孔、夹渣等，废品率较高，质量不够稳定。
所以，铸件的力学性能较差，其应用范围也受到一定限制。
（2）锻造：
锻造是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。
大多数金属材料在冷态或热态下都具有一定的塑性，因此他们可以在室温或高温下进行各种锻压加工。
常见的锻压方法有自由锻造、模锻、轧制、挤压等。
优点：
1）锻压加工后，可使金属获得较细密的晶粒；可以压合铸造组织内部的气孔、缩松等缺陷；能使高合金工具钢中的合金碳化物被击碎和均匀分布；并能合理控制金属纤维方向，以使纤维方向与应力方向相适应，提高零件的性能。
2）锻压加工后，坯料的形状和尺寸发生改变而其体积基本不变，与切削加工相比可节约金属材料和加工工时。
3）除自由锻外，其它锻压方法如模锻、冲压、冷镦等都具有较高的劳动生产率。
4）能制造各种形状、不同质量和批量的零件，适用范围广。
一般常用的金属型材、板材、管材和线材等原材料，大都是通过轧制、挤压、拉拔等方法制成的。
机器制造工业中常用压力加工的方法来制造毛坯和零件。
凡承受重载荷的机器零件，如机器的主轴、重要齿轮、连杆、炮管和枪管等，通常需采用锻件作毛坯，再经切削加工而制成。
锻件在制造方法上又分自由锻和模锻两种。
自由锻使用的设备比较简单，但毛坯精度较低、余量较大、生产率低，只是用于单件小批生产。
模锻一般在模锻压力机上进行，设备比较昂贵，并需要专用锻模，但毛坯精度高、加工余量小、生产率高。
由于本设计是加工车床尾座套筒，是大批量加工，所以选择摸锻。
模锻件的公差及机械加工余量按GB/T12362-2003确定.要确定毛坯的尺寸公差首先要确定以下几个因素:
（1）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。
（2）锻件质量
估计其质量为6
。
（3）该零件的形状复杂系数为S1级。
（4）锻件毛坯的直径方向单边余量为2.5mm，水平方向的单边余量为2mm。
（5）锻件的模锻斜度为
；外圆角半径为2.5mm。
2.3.3毛坯图形
图2-2车床尾座套筒毛坯图
2.4工件基准的选择
液压缸零件内、外表面轴线的同轴度以及端面与孔轴线的垂直度要求较高，若能在一次装夹中完成内，外表面及端面的加工，则可获得很高的位置精度，但这种方法的工序比较集中，对于尺寸较大的，尤其是长径比大的液压缸，不便一次完成。
于是，将液压缸内、外表面加工分在几次装夹中进行。
一般可以先加工孔然后以孔为精基准最后加工外圆。
由于这种方法所用夹具（心轴）的结构简单、定心精度高，可获得较高的位置精度，因为此应用甚广，这是采用孔定位的方式。
另一种方法是先加工外圆，然后以外圆为精基准最后加工孔。
采用这种方法时，工件装夹迅速、可靠，但夹具较上述定位的复杂，加工精度略比上法差。
本设计采用先加工孔然后以孔为精基准最后加工外圆的方法定位。
（1）选择外圆表面作为粗基准。
以它作粗基准定位加工孔，为后续工序加工出精基准。
这样使外圆加工时的余量均匀，避免后续工序加工精度受到“误差复映”的影响。
（2）选择孔作为精基准。
这样还能在一次装夹中把大多数外圆表面加工出来，有利于保证加工面间的相互位置精度。
（3）在加工R2×160mm槽，8
mm×200mm键槽时以半精车后外圆为定位基准。
2.5工艺路线
拟订工艺路线是指拟订零件加工所经过的有关部门和工序的先后顺序。
工艺路线的拟订是制订工艺规程的重要内容，其主要任务是选择各个加工表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序以及整个工艺过程的工序数目和工序内容。
它与零件的加工要求，生产批量及生产条件等多种因素有关。
本节主要叙述工艺路线拟订的一些共性问题，具体拟订时，应结合实际情况分析比较，确定较为合理的工艺路线。
车床尾座套筒的生产类型是大批量生产；毛坯材料是45钢；毛坯种类是模锻件。
车床尾座套筒工艺路线见下表2.1所示。
表2.1车床尾座套筒的工艺路线表
工序号
工序名称
工序内容
工艺装备
1
备料
φ60mm×285mm
2
锻造
3
热处理
正火
4
粗车
粗车外圆及端面
CA6140
5
钻孔
钻孔φ20mm
Z535
6
热处理
调质28~32HRC
7
粗车
车外圆及端面，扩孔，车右端头φ32mm×60°内锥面
CA6140中心架
8
半精车
车外圆及倒角
CA6140
9
精车
车外圆和切槽
10
精车
车莫氏4号内锥孔
CA6140
11
精车
精车内孔φ30
CA6140中心架
12
划线
划R2×160mm槽线，8
mm×200mm键槽线，φ6mm孔线
13
铣
铣R2深2mm，长160mm圆弧槽
X62W专用工装或组合夹具
14
铣
铣键槽8
mm长200mm
X62W专用工装或组合夹具、专用检具
15
钻
钻φ6mm孔
Z535组合夹具
16
钳
修毛刺
17
热处理
左端莫氏4号锥孔及160mm长的外圆部分，高频感应加热淬火45~50HRC
18
研磨
研磨两端60°内锥面
19
粗磨
粗莫氏4号锥孔
M2110A中心架
20
粗磨
粗磨φ55
mm外圆
M1432A
表2.1车床尾座套筒的工艺路线表（续）
工序号
工序名称
工序内容
工艺装备
21
粗磨
磨莫氏4号锥孔至图样尺寸，涂色检查，接触面积应大于75%。
修研60°锥面
M2110A
莫氏4号锥度塞规
22
精磨
精磨外圆至图样尺寸φ55
mm
M1432A
24
检验
按图样检查各部尺寸及精度
25
入库
涂油入库
（1）在安排加工工序时，应将粗、精加工分开，以减少切削应力对加工精度的影响。
并在调质处理前进行粗加工，调质处理后进行半精加工和精加工。
（2）车床尾座套筒左端莫氏4号锥孔与右端φ28mm、φ30mm孔，应在进行调质处理前钻通，这样有利于加热和内部组织的转变，使工件内孔得到较好的处理。
（3）精磨φ55
mm外圆时，以两端60°锥面定位，分两次装夹，这样有利于消除磨削应力引起工件变形。
也可采用专用锥度或心轴定位装夹工件，精磨φ55
mm外圆。
（4）工序18以后，再采用中心架托夹工件外圆时，由于键槽8
mm的影响，这时应配做一套筒配合中心架的装夹，以保证工件旋转平稳，不发生振动。
（5）φ55
mm外圆的轴心线是工件的测量基准，所以磨削莫氏4号锥孔时，定位基准必须采用φ55
mm外圆。
加工时还应找正其上母线与侧母线之后进行。
（6）加工8
mm键槽时，应在夹具上设置对称度测量基准，在加工对刀时，可边对刀边测量，以保证键槽8
mm对φ55
mm外圆轴心线的对称度。
（7）φ55
mm外圆的圆柱度检验，可将工件外圆放置在示准V形块上（V形块放在标准平板上），用百分表测量出外圆点的圆度值，然后再算出圆柱度值。
也可采用偏摆仪方法，先测出工件的圆度值，然后再计算出圆柱度值。
图2-3在V形块上检测工件的圆度值
（8）8
mm键槽对称度的检验，采用键槽时对称度量规进行检查。
a）内孔键槽量规b）外圆键槽量规
图2-4键槽对称度量规
（9）用标准莫氏4号锥塞规涂色检查工件的锥孔，其接触面积应大于75%。
2.6加工余量和工序尺寸的确定
加工余量是指在加工过程中从被加工表面上切除的金属层厚度。
加工余量可分为总加工余量和工序加工余量（工序余量）两种。
总加工余量为同一表面上毛坯尺寸与零件图设计尺寸之差（即从加工表面上切除的金属层总厚度）；工序余量是指某一表面相邻两工序尺寸之差（即在一道工序中所切除的金属层厚度）。
加工余量又可分为单边余量和双边余量两种。
显然某表面总加工余量等于该表面各工序余量之和。
表2.2零件的加工余量与工序尺寸表
加工表面
加工余量
工序尺寸
粗车
半精车
粗磨
精磨
粗车
半精车
粗磨
精磨
2.5
2
0.3
0.2
26
2
26
2
1.5
0.5
2
槽R2×160
2
键槽8×200
4.5
6
2.7切削用量的确定
切削用量包括背吃刀量
，进给量
和切削速度
。
正确选择切削用量，对保证加工质量，提高生产率，合理利用设备，降低加工成本和刀具的消耗等都有很大的作用。
因此，在选择切削用量时，应根据加工表面的质量、生产率、切削时引起的工艺系统的变形与振动、刀具的耐用度及机床的功率等因素来进行选择。
单件小批生产中，为简化工艺文件一般不具体规定切削用量，由操作工人根据具体情况确定。
在大量生产中，为充分利用高生产率设备的潜力以及高精度机床的使用，必须科学地、严格地确定切削用量，其选用原则如下：
（1）粗加工切削用量的选择原则
粗加工毛坯余量大，加工的精度和表面粗糙度要求不高。
因此，粗加工切削用量的选择应在保证必要的刀具耐用度的前提下，以尽可能提高生产率和降低成本为目的。
通常生产率以单位时间内的金属切除率表示
1000（2-1）
式中
—单位时间内金属的切除率（
/s）。
由上式可以看出，提高切削速度、增大进给量和切削深度都能提高切削加工生产率。
但在这三因素中对刀具耐用度T的影响以
最大，
最小，所以在粗加工中选择切削用量时，应首先选用尽可能大的背吃刀量
，其次是选用较大的进给量
，最后才根据合理的刀具耐用度，
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