毕业设计阶梯轴的工艺系统设计.docx
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毕业设计阶梯轴的工艺系统设计
阶梯轴的工艺系统设计
二○一四年五月
摘要………………………………………………………………………………
ABSTRACT………………………………………………………………………Ⅱ
前言………………………………………………………………………………1
第一章阶梯轴的分析………………………………………………………2
1.1阶梯轴的作用…………………………………………………………2
1.2阶梯轴的工艺分析……………………………………………………2
1.2.1加工方法的选择……………………………………………………3
1.2.2机床、夹具、刀具的选择……………………………………………3
1.2.3加工阶段及加工顺序的安排………………………………………4
第二章阶梯轴的材料及热处理……………………………………………5
2.1阶梯轴的材料选择……………………………………………………5
2.2阶梯轴的热处理………………………………………………………5
第三章阶梯轴的工艺系统…………………………………………………6
3.1阶梯轴的图样分析……………………………………………………6
3.2确定毛坯的制造方式…………………………………………………6
3.3选择定位基准及工艺路线……………………………………………7
3.4确定表面的加工方法…………………………………………………7
3.5切削加工的有关计算…………………………………………………8
3.5.1机械加工余量、工序尺寸的确定…………………………………8
3.5.2切削加工时的计算…………………………………………………9
第四章阶梯轴的检验……………………………………………………11
4.1加工后的检验………………………………………………………11
4.2加工中的检验………………………………………………………11
设计小节………………………………………………………………………12
致谢……………………………………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………………14
摘要
阶梯轴的加工工艺，在机械加工中占有重要的地位，零件工艺设计得合不合理，这直接关系到零件最终能否达到质量要求，因此这在机械加工行业中是至关重要的环节。
随着我国经济建设的发展，机械制造业也随着迅猛发展；而机械工业担负着为工业、农业、商业、国防及社会生活各个方面提供技术装备的重要任务，所以国民经济各部门日益迫切要求机械工业为其提供各种结构先进、性能优良、价格低廉、使用方便各安全可靠的机械产品。
而任何机械产品或设备的开发和生产都必须首先进行设计。
械设计水平的高低已成为衡量一个国家科学技术、经济水平以及国防力量的重要标志；所以进行零件机械加工工艺规程的设计有着重要的意义。
阶梯轴是机器中经常遇到的典型零件之一。
它主要用来支撑传动零件，传递扭矩和承受载荷。
阶梯轴属于旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、内孔和螺纹及相应的端面组成。
轴的长度一般介于5~20之间，称其长度小于5的轴为短轴，长度大于20的轴为长轴。
此设计以加工的需要、使用性能、经济性要求和实际生产的条件为基础。
所选用的阶梯轴材料为锻造45号钢，故毛坯成形采用锻造的方法。
阶梯轴零件的主要加工表面为外圆表面。
外圆表面加工根据精度要求可选择车削和磨削。
本次设计的轴，为保证其精度和表面质量将先后经过粗车、半精车、精车、粗磨、精磨等五道工序加工。
关键词：
阶梯轴工艺设计车削加工
ABSTRACT
Theprocessingtechnology,steppedshaftinmachining,occupiesanimportantpositionpartsdesigntofitunreasonable,itdirectlyrelatestothequalityrequirementscouldeventuallyparts,sothatinthemechanicalprocessingindustryiscruciallink.
Alongwiththedevelopmentofourcountry'seconomicconstruction,machinerymanufacturingindustrywithrapiddevelopment,Andindustrialmachineryforindustry,agriculture,commerce,nationaldefenseandprovidetechnicalaspectsofsociallifeofequipment,soimportantsectorsofthenationaleconomyincreasinglyurgentrequirementofmechanicalindustrytoprovideadvancedstructure,goodperformance,lowprice,conveniencethesafeandreliablemechanicalproducts.Butanymechanicalproductsorthedevelopmentandproductionofequipmentmustbefirst.Armeddesignlevelhasbecomeanationalscienceandtechnology,economiclevelsandtheimportantsymbolofnationaldefenseforces,Sopartsmachiningprocedureofdesignhasimportantsignificance.
Steppedshaftisfrequentlyencounteredinthemachineisoneofthetypicalparts.Itismainlyusedtosupporttransmissionparts,torqueandload.Steppedshaftparts,itslengthbelongstothediameter,generallybymorethanoneaxisoftheYuanZhuMian,holeandthreadandthecorrespondingsurfacecomposition.Axiallengthbetween5-20commonly,saysitslengthbetween<5axisforshortaxis,thelengthoftheshaftfor20paxis.
Thisdesignbyusingtheprocessperformance,economy,requirementsandactualproductioncondition.Selectedpartsmaterialfor45steelforging,blankformingforgedmethod.Themainpartsofsteppedshaftmachinedsurfaceforthesurface.Accordingtothesurfaceprocessingaccuracyrequirementsofmachiningandgrindingcanchoose.Thedesignoftheshaft,inordertoensureitsaccuracyandsurfacequalitywillsuccessivelythroughrough,pure,pureandcar,coarseandfinegrindingprocess.
Keywords:
SteppedShaftProcessDesignTurning
前言
毕业设计是我们完成本专业教学计划的一个极为重要的实践性教学环节，是使我们综合运用所学过的基本课程，基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。
首先我们要熟悉设计任务书，明确设计任务和要求，其次了解零件的形状，尺寸的精度和表面的粗糙度材料的工艺特性等技术要求和生产批量特点。
我们在完成毕业设计的同时，也培养了我们正确使用技术资料，国家标准，有关手册，图册等工具书，进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力，也为我们以后的工作打下坚实的基础，所以我们要认真对待这次综合能力运用的机会！
阶梯轴工艺系统的设计，受到刀具、量具、辅具、机床的限制，加工特点适合车床的特性，如加工工序集中、加工精度高、自动化程度高、加工效率高、能进行各种平面、曲面的混合加工，对各种孔能进行钻、扩、车、镗的加工。
被加工零件的内容与相关知识结合起来，包括机床的操作，公差配合，加工工艺分析，装夹，加工基准的选择，切削参数的选择，零件的检测等。
此设计以加工的需要、使用性能、经济性要求和实际生产的条件为基础。
所选用的零件材料为锻造45号钢，故毛坯成形采用锻造的方法。
阶梯轴零件的主要加工表面为外圆表面。
外圆表面加工根据精度要求可选择车削和磨削。
本次设计的阶梯轴，为保证其精度和表面质量将先后经过粗车、半精车、精车、粗磨、精磨等五道工序加工。
第一章阶梯轴的分析
1.1阶梯轴的作用
阶梯轴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。
阶梯轴主要用来支撑传动零件（齿轮、皮带轮等），传递扭矩和承受载荷。
阶梯轴属于旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、内孔和螺纹及相应的端面组成。
轴的长度一般介于5~20之间，称其长度小于5的轴为短轴，长度大于20的轴为细长轴。
本设计阶梯轴以东风4型机车传动轴为例，该阶梯轴的作用是将柴油机输出功输送到静液压变速箱,驱动两静液压泵工作,泵出高压静液压油,同时根据油、水温度的要求,驱动和调节静液压马达工作,冷却高、低温冷却水。
1.2零件的工艺分析
阶梯轴的加工工艺较为典型，反映了轴类零件加工的大部分内容与基本规律。
下面分析该阶梯轴的加工工艺系统。
图1.1
1.2.1加工方法的选择
图1-1为减速箱的传动轴，从结构上看，是一个典型的阶梯轴，工件材料为45号钢，生产纲领为小批或中批生产，调质处理220～250HBS。
传动轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。
由于该传动轴的主要表面M、N、P、Q的公差等级（IT6）较高，表面粗糙度Ra值（Ra=0.8um）较小，最终加工应采用磨削。
1.2.2机床、夹具、刀具的选择
（1）机床的选择
阶梯轴的加工主要用CA6140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，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螺纹，还可以钻孔、扩孔、铰孔、滚花等工作。
此设计的阶梯轴的加工，还需要的设备有磨削加工设备：
万能外圆磨床M1432A，铣削加工设备：
铣床X52。
（2）夹具的选择
在机床上，为了使工件占有正确的位置并使其在加工的过程中始终保持不变的工艺装备称为机床的夹具。
应用机床夹具，有利于保证工件的加工精度、稳定产品质量；有利于提高提高劳动生产率并降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产；有利于扩大机床范围，实线“一机多用”。
根据CA6140车床的加工特点，夹具通常安装在车床的主轴前端，与主轴一起旋转。
综上所述，夹具应具备以下几个要求：
夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；
夹具上个零部件应不妨碍机床对零件各个表面的加工，确保工件有足够的运转空间；
有足够的刚性，避免震动使夹具变形；
方便排屑。
根据上述夹具的选择原则，在CA6140机床上加工一般轴类零件，选用一般三爪自定心卡盘。
由于零件调头加工后，要将以加工表面作为定位元件表面，为确保其加工精度，故选用辅助夹具铜皮。
（3）刀具的选择
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。
但该传动轴在加工时，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。
除此之外，还需要的刀具有键槽铣刀、砂轮等。
1.2.3加工阶段及加工顺序的安排
（1）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。
求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。
1）、粗加工阶段
①毛坯处理毛坯备料、锻造和正火
②粗加工锯去多余部分，铣端面、钻中心孔和荒车外圆等
2）、半精加工阶段
①半精加工前热处理对于45钢一般采用调质处理以达到220～250HBS。
②半精加工车工艺锥面（定位锥孔）半精车外圆端面和钻深孔等。
3）、精加工阶段
①精加工前热处理调质处理
②精加工前各种加工粗磨定位基面、粗磨外圆、铣键槽，以及车螺纹等。
④精加工精磨外圆以保证主轴最重要表面的精度。
（2）加工顺序的安排
加工顺序安排的应遵循一般原则，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。
第二章阶梯轴的材料及热处理
2.1阶梯轴的材料选择
在单件小批生产中，轴类零件的毛坯往往使用热轧棒料。
对于直径差较大的阶梯轴，为了节约材料和减少机械加工的劳动量，则往往采用锻件。
单件小批生产的阶梯轴一般采用自由锻，在大批大量生产时则采用模锻。
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阶梯轴的热处理
为了改善金属组织和加工性能而安排的热处理工序，如退火、正火等，一般应安排在机械加工之前。
为了提高零件的机械性能和消除内应力而安排的热处理工序，如调质、时效处理等，一般应安排在粗加工之后，精加工之前。
该轴需进行调质处理。
它应放在粗加工后，半精加工前进行。
如果采用锻件毛坯，必须首先安排退火或正火处理。
该轴毛坯为锻件，需要进行正火处理。
具体热处理工艺路线如下：
毛坯及其热处理→预加工→车削外圆→铣键槽等热处理→磨削。
第三章阶梯轴的工艺系统
3.1阶梯轴的图样分析
该传动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。
该阶梯传动轴，轴颈M和N处是装轴承的，各项精度要求均较高，其尺寸为Ф35±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。
3.2确定毛坯的制造方式
用于机械加工的毛坯有下列几种：
铸件、锻件、型材、组合毛坯和其它毛坯。
铸件：
形状复杂的毛坯，宜采用铸造的方法制造。
铸件可分为型砂铸造、金属型铸造、离心铸造、压力铸造、精密铸造等。
锻件：
用锻造的方法制造。
锻件制造可分为自由锻、模锻和精密锻。
锻件的机械性能优于铸件及普通型材，常用于重要零件或传递动力零件的制造（如机床主轴）。
型材：
型材按截面形状可分为多种，有圆形、方形、六角形、和特殊截面。
按制造过程可分为热轧和冷拉型材，冷拉型材精度较高，机械性能优于热轧型材，适用于制造精度较高的中小零件。
组合毛坯：
根据零件需要，将铸件、锻件或型材通过焊接的方法连在一起，适用于大型、形状简单的零件毛坯。
其它毛坯：
冷冲压、粉未冶金、冷挤、塑料压制等。
阶梯轴一般采用锻件毛坯、热轧或冷轧型材毛坯，本项目毛坯采用锻件圆钢为毛坯。
3.3选择定位基准及工艺路线
（1）定位基准的选择
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基面。
轴类零件的定位基面，最常用的是两中心孔。
因为轴类零件各外圆表面、螺纹表面的同轴度及端面对轴线的垂直度是相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，采用两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，能最大限度地加工出多个外圆和端面，这也符合基准统一原则。
（2）工艺路线的确定
该轴的加工工艺路线为：
下料→正火→车两端面，钻中心孔，粗车各外圆→调质→修研中心孔→半精车各外圆，车槽，倒角→车螺纹→划键槽加工线→铣键槽→修研中心孔→磨削→检验。
3.4确定表面的加工方法
阶梯轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。
由于该传动轴的主要表面M、N、P、Q的公差等级（IT6）较高，表面粗糙度Ra值（Ra=0.8um）较小，故车削后还需磨削。
外圆表面的加工方法如下：
粗车→半精车→磨削。
具体的加工方案可见下表：
工序号
工种
工序内容
设备
1
下料
ф65х265
2
热
正火处理，消除热加工缺陷
3
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、长度均留余量2mm
CA6140
调头，三爪卡盘夹持工件另一端，车端面保证总长259，钻中心孔，用尾架顶尖顶住，粗车另外四个台阶，直径、长度均留信余量2mm
CA6140
4
热
调质处理200~250HRC
5
钳
修研两端中心孔
CA6140
6
车
双顶尖装夹。
半精车三个台阶，螺纹大径车到
P、N两个台阶直径上留余量0.5mm，车槽三个,倒角三个
CA6140
调头，双顶尖装夹，半精车余下的五个台阶，ф44及ф62台阶车到图纸规定的尺寸。
螺纹大径车到
其余两个台阶直径上留余量0.5mm,车槽三个,倒角四个
CA6140
7
车
双顶尖装夹，车一端螺纹M24х1.5-6g，调头，双顶尖装夹，车另一端螺纹M24х1.5-6g
CA6140
8
钳
划键槽及一个止动垫圈槽加工线
9
铣
铣两个键槽及一个止动垫圈槽，键槽深度比图纸规定尺寸多铣0.25mm，作为磨削的余量
X52
10
钳
修研两端中心孔
CA6140
11
磨
磨外圆Q和M，并用砂轮端面靠磨台H和I。
调头，磨外圆N和P，靠磨台肩G。
M1432A
12
检
检验
3.5切削加工的有关计算
3.5.1机械加工余量、工序尺寸的确定
（1）加工余量的确定
由于毛坯不能达到零件所要求的精度和表面粗糙度，因此要留有加工余量，以便经过机械加工来达到这些要求。
加工余量是指加工过程中从加工表面切除的金属层厚度。
加工余量分为工序余量和总余量。
1）工序余量
工序余量是指某一表面在一道工序中切除的金属层厚度。
对于外表面：
Z=a－ b
对于内表面：
Z=b — a
式中：
Z ——本工序的工序余量 （mm） ；
a ——前工序的工序尺寸（ mm ）；
b ——本工序的工序尺寸 （mm） 。
上述加工余量均为非对称的单边余量，旋转表面的加工余量为双边对称余量。
对于轴：
Z=d a — d b
对于孔：
Z=d b — d a
式中：
Z ——直径上的加工余量（ mm ）；
d a ——前工序的加工直径（ mm ）；
d b ——本工序的加工直径（ mm ）。
当加工某个表面的工序是分几个工步时，则相邻两工步尺寸之差就是工步余量。
它是某工步在加工表面上切除的金属层厚度。
2）加工总余量
毛坯尺寸与零件图样的设计尺寸之差称为加工总余量。
它是从毛坯到成品时从某一表面切除的金属层总厚度，也等于该表面各工序余量之和，即
式中 ：
Z i——第i道工序的工序余量（ mm ）；
n ——该表面总加工的工序数。
加工总余量也是个变动值，其值及公差一般可从有关手册中查得或凭经验确定。
（2）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2（mm）；
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0.5（mm）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0.25（mm），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。
3.5.2切削加工时的计算
切削加工时牵扯的计算主要是切削用量的选择，传动轴磨削余量可取0.5（mm），半精车余量可选用1.5（mm）。
加工尺寸可由此而定，见该轴加工工艺方案。
切削用量是切削加工过程中切削速度、进给量和背吃刀量的总称。
（1）切削速度
车削时切削速度的计算公式为：
式中d——工件切削处的最大直径，单位为（mm）；
n——工件的转速，单位为（r/min）。
（2）进给量f
进给量为刀具在进给运动方向相对工件的位移量，可用工件每转刀具的位移量来度量，单位为（mm/r）。
进给量还可用进给速度
来表示。
进给速度是指切削刃上选定点相对于进给运动的瞬时速度，单位为（mm/s）或（m/min）。
车削时的进给速度
:
（3）背吃刀量
背吃刀量为垂直于进给运动方向的切削层最大尺寸，单位为（mm）。
式中
——待加工表面的直径，单位为（mm）；
——已加工表面的直径，单位为（mm）。
切削用量的选择，单件、小批量生产时，还可根据加工情
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