机械制造技术基础轴的设计课程设计---阶梯轴.doc

湖南工业大学机械制造课程设计 湖 南 工 业 大 学课 程 设 计资 料 袋 机械工程学院 学院（系、部） 2013 2014 学年第 1 学期 课程名称 机械制造基础技术 指导教师 * 学生姓名 野人 专业班级 机械1班 学号 题 目 阶梯轴 成 绩 起止日期 2013年 9 月 26 日 2014 年 10 月 4 日 湖南工业大学院教务部制 湖 南 工 业 大 学 课程设计说明书 课程名称： 机械制造基础技术 设计题目： 阶梯轴 专业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 野人 学号： 指导教师： * 湖南工业大学 教务部制 目 录第零章 前言05第一章 零件的工艺分析06第二章 生产纲领的计算与生产类型的确定第三章 确定毛坯、绘制毛坯图第四章 拟定轴的工艺路线第五章 选择加工设备及工艺装备第六章 加工工序设计第七章 加工后零件的三维图第八章 参考资料第九章 设计小结第十章 致谢 第一章 概述机械制造技术基础课程设计，是以切削理论为基础、制造工艺为主线、兼顾工艺装备知识的机械制造技术基本能力的培养；是综合运用机械制造技术的基本知识、基本理论和基本技能，分析和解决实际工程问题的一个重要教学环节；是对学生运用所掌握的“机械制造技术基础”知识及相关知识的一次全面训练。机械制造技术基础课程设计，是以机械制造工艺及工艺装备为内容进行的设计。即以所选择的一个中等复杂程度的中小型机械零件为对象，编制其机械加工工艺规程，并对其中某一工序进行机床专用夹具设计。 一、课程设计的目的机械制造技术基础课程设计是作为未来从事机械制造技术工作的一次基本训练。通过课程设计培养学生制定零件机械加工工艺规程和分析工艺问题的能力，以及设计机床夹具的能力。在设计过程中，学生应熟悉有关标准和设计资料，学会使用有关手册和数据库。1、能熟练运用机械制造技术基础课程中的基本理论以及在生产实践中学到的实践知识，正确地解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及工艺路线安排、工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量。2、学会使用手册、图表及数据库资料。掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处，能够做到熟练运用。二、课程设计的内容1、课程设计题目。机械制造技术基础课程设计题目为：阶梯轴零件的机械加工工艺规程及工艺装备设计2、课程设计的内容。课程设计包括编制工艺规程、设计夹具及编写课程设计说明书三部分内容。（1）编制工艺规程 工艺规程的编制主要包括以下四个内容：零件工艺分析。抄画零件图，熟悉零件的技术要求，找出加工表面的成型方法。确定毛坯。选择毛坯制造方法，确定毛坯余量，画出毛坯图。拟定工艺路线。确定加工方法，选择加工基准，安排加工顺序，划分加工阶段，选取加工设备及工艺装备。进行工艺计算，填写工艺文件。计算加工余量、工序尺寸，选择、计算切削用量，确定加工工时，填写机械加工工艺过程综合卡及机械加工工序卡。（2）课程设计说明书。内容包括：课程设计封面、课程设计任务书、目录、正文（工艺规程和夹具设计的基本理论、计算过程、设计结果）、参考资料。三、课程设计的要求1、基本要求（1）工艺规程设计的基本要求机械加工工艺规程是指导生产的重要技术文件。因此制定机械加工工艺规程应满足如下基本要求：应保证零件的加工质量，达到设计图纸上提出的各项技术要求。在保证质量的前提下，能尽量提高生产率和降低消耗。同时要尽量减轻工人的劳动强度。在充分利用现有生产条件的基础上，尽可能采用国内外先进工艺技术。工艺规程的内容，应正确、完整、统一、清晰。工艺规程编写，应规范化、标准化。工艺规程的格式与填写方法以及所用的术语、符号、代号等应符合相应标准、规定。2、学生在规定的时间内应交出的设计文件（1）零件图 1张（2）机械加工工艺过程综合卡 1套（3）机械加工工序卡 1张（4）课程设计说明书 1份四、课程设计进度安排课程设计计划时间三周，具体安排如下：1、布置设计任务、查阅相关资料； 0.5天2、绘制零件图、 0.5天3、设计零件的加工工艺规程； 1天4、设计指定工序的工序卡； 2天5、整理设计说明书； 1天6、审图； 1天7、答辩； 1天五、注意事项：1、设计中制图按照标准、规范进行。标题栏、明细栏格式见附录。2、综合工艺过程卡、工序卡按照附录规定格式要求填写。3、工序简图应标注的四个部分：（1）定位符号及定位点数；（2）夹紧符号及指向的夹紧面；（3）加工表面，用粗实线画出加工表面，并标上加工符号（4）工序尺寸及公差。定位、夹紧符号参见附录。第一章 零件的工艺分析一、轴的用途：轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件（如齿轮、蜗杆登），都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要作用是支承回转零件及传递运动和动力。按照轴的承受载荷不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴成为转轴，只承受弯矩的轴称为心轴，只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。 该轴主要采用40Cr钢能承受一定的载荷与冲击。此轴为台阶类零件，尺寸精度，形位精度要求均较高。16，20,M12为主要配合面，精度均要求较高，需通过磨削得到。轴的同轴度为0.05，在加工过程中须严格控制。 二、技术要求：轴通常是由支承轴颈支承在机器的机架或箱体上，实现运动传递和动力传递的功能。支承轴颈表面的精度及其与轴上传动件配合表面的位置精度对轴的工作状态和精度有直接的影响。其技术要求包括以下内容：尺寸精度 轴段1，2，4，5为主要配合面，尺寸精度要求较高。 2.形状精度 该轴公共轴线的直线度公差为。其圆度及圆柱度无特殊要求，但应控制在尺寸公差范围内。3.位置精度 零件对位置精度要求较低，无特别要求。故可按一般规定普通精度轴的配合轴径对支承轴径的径向圆跳动取为0.010.03mm。 4.表面粗糙度具有配合要求的各轴颈表面粗糙度为1.6m，轴肩侧面表面粗糙度为3.2m，键槽底面粗糙度要求较低，为3.2m，侧面为3.2m。其余为6.4m.5.热处理:锻造后应对毛坯安排正火处理,为消除内应力粗加工之后安排退火处理，为改善材料的力学物理性质半精加工之后，精加工之前安排调质处理(850油淬加520持续2小时回火)。零件图一轴的表面粗糙度、形状和位置精度要求与表面粗糙度要求见表一加工表面尺寸及偏差（mm）公差及精度等级表面粗糙度Ra（m）形位公差轴段1IT61.6轴的同轴度为轴段2203.2轴段2端面IT61.6轴段3IT61.6轴的同轴度为轴段3端面3.2轴段4IT61.6轴的同轴度为轴段4端面3.2轴段5M12 未注表一三、审查轴的工艺性：1.结构工艺 轴类零件为其长度大于直径的回转体类零件，是机器中的主要零件之一。其主要功能是支承传动件（齿轮、带轮、离合器等）和传递扭矩。本次设计中的轴为阶梯轴，其主要表面元素为圆柱面及键槽。该轴轴段2与齿轮配合，通过平键以传递扭矩，轴段1 及轴段4与滚动轴承配合，轴段5连接半联轴器，将扭矩输出。（零件图见图一所示）2.加工工艺 （1）该轴采用合金结构钢40Cr，中等精度，转速较高。经调质处理后具有良好的综合力学性能，具有较高的强度、较好的韧性和塑性。 （2）该轴为阶梯轴，其结构复杂程度中等，其有多个过渡台阶，根据表面粗糙度要求和生产类型，表面加工分为粗加工、半精加工和精加工。加工时应把精加工、半精加工和粗加工分开，这样经多次加工以后逐渐减少了零件的变形误差。 （3）零件毛坯采用自由锻，锻造后安排正火处理。 （4）该轴的加工以车削为主，车削时应保证外圆的同轴度。 （5）在精车前安排了热处理工艺，以提高轴的疲劳强度和保证零件的内应力减少，稳定尺寸、减少零件变形。并能保证工件变形之后能在半精车时纠正。 （6）同一轴心线上各轴孔的同轴度误差会导致轴承装置时歪斜，影响轴的同轴度和轴承的使用寿命。在两端面钻中心孔进行固定装夹可以有效防止径向圆跳动、保证其同轴度。第二章 生产纲领的计算与生产类型的确定 机械加工的工艺规程的详细程度与生产类型有关，不同的生产类型由产品的生产纲领来区别。1.生产类型的确定（1）零件的生产类型是指企业生产专业化程度的分类，它对工艺规程的制定具有决定性的影响。机械制造的生产类型一般分为大量生产、成批生产和单件生产，成批生产分为大批生产、中批生产、和小批生产。产量越大生产专业化程度越高。按重型机械、中型机械、和轻型机械的年生产量列出了不同的生产类型的规范如表1表1 各种生产类型的规范生产类型零件的年生产纲领/件/年重型机械中型机械轻型机械单件生产520100小批生产510020200100500中批生产1003002005005005000大批生产30010005005000500050000大量生产10005000500002.生产纲领的计算（1）生产纲领是产品的年生产量。生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺规程起着很重要的作用，它决定了各工序所需的专业化和自动化的程度以及所选用的工艺方法和工艺装备。（2）零件的生产纲领的计算方式N=Qn(1+%+%)结合生产实际：零件的备品率%和零件的平均废品率%分别取4%和6%，假定产品的年产量Q要求为200件/年，每台产品中该零件的数量为1件/台。所以综合以上数据代入上式中得：N=220件（3） 由零件尺寸可知其属于轻型零件，生产类型为小批量生产。第三章 确定毛坯、绘制毛坯图一、选择毛坯：零件材料为40Cr钢，要求强度较高，且工件的形状比较简单，毛坯精度低，加工余量大，生产类型为单件小批量生产。综上考虑，采用锻件，其锻造方法为自由锻，毛坯的尺寸精度要求为IT12以下。二、 确定毛坯的尺寸公差1、毛坯尺寸 由工艺人员手册可查得锻件单边余量厚度方向1.5-2mm，取2mm，水平方向为2.0-2.7mm，取2.5mm.锻件质量小于1kg，长度小于130mm，取其上偏差+0.17mm，下偏差-0.08mm。锻件厚度尺寸小于40mm，取其上偏差+0.12mm，下偏差-0.04mm。B/H1,故取起偏角为5度。则锻件毛坯长度尺寸为，直径尺寸为。2、毛坯公差等级 根据零件图各部分的加工精度要求，锻件的尺寸公差等级为8-12级，加工余量等级为普通级，故取IT=12级。3、零件表面粗糙度根据零件图可知该轴各加工表面的粗糙度至少为12.5m。综上，锻件毛坯图如下所示。第四章 拟定轴的工艺路线一、定位基准的选择正确的选择定位基准是设计工艺过程中的一项重要的内容，也是保证加工精度的关键，定位基准分为精基准和粗基准，以下为定位基准的选择。粗基准的选择（1） 粗基准的选择应能保证加工面与非加工面之间的位置精度，合理分配各加工面的余量，为后续工序提供精基准。所以为了便于定位、装夹和加工，可选轴的外圆表面为定位基准，或用外圆表面和顶尖孔共同作为定位基准。用外圆表面定位时，因基准面加工和工作装夹都比较方便，一般用卡盘装夹。为了保证重要表面的粗加工余量小而均匀，应选该表面为粗基准，并且要保证工件加工面与其他不加工表面之间的位置精度。按照粗基准的选择原则，选择次要加工表面为粗基准。又考虑到阶梯轴的工艺特点，所以选择21的外圆及一端面为粗基准。（2）精基准的选择 根据轴的技术要求，轴的中心线为设计基准，也是测量基准，按照基准重合原则及加工要求，应选轴心线及一端面为精基准，其他各面都能以此为定位，从而也体现了基准统一的原则。二、零件表面加工方法的选择本零件的加工面有外圆、端面、键槽等，材料为40Cr，参考有关资料，加工方法选择如下 21、16外圆面：为未注公差尺寸，表面粗糙度为Ra1.6m，需进行粗车、半精车、精车。 外圆面：公差等级为IT8，表面粗糙度为Ra1.6m，需进行粗车、半精车、精车。 外圆面：公差等级为IT6，表面粗糙度为Ra1.6m需进行粗车、半精车、精车、粗磨、精磨。 端面：本零件端面为回转体端面，尺寸精度都要求不高，表面粗糙度为Ra3.2m，需进行粗车、半精车。 键槽：槽宽公差等级为IT7，槽深公差等级未注，表面粗糙度为Ra3.2m，需采用三面刃铣刀，粗铣、半精铣三、工艺顺序的安排（一）机械加工工序（1）遵循先基准平面后其他的原则：机械加工工艺安排是总是先加工好定位基准面，所以应先安排为后续工序准备好定为基准。先加工精基准面，钻中心孔及车表面的外圆。（2）遵循先粗后精的原则：先安排粗加工工序，后安排精加工工序。先安排精度要求较高的各主要表面，后安排精加工。（3）遵循先主后次的原则:先加工主要表面，如车外圆各个表面，端面等。后加工次要表面，如铣键槽等。（4）遵循外后内，先大后小原则：先加工外圆再以外圆定位加工内孔，加工阶梯外圆时先加工直径较大的后加工直径小的外圆。（5）次要表面的加工：键槽等次要表面的加工通常安排在外圆精车或粗磨之后，精磨外圆之前。（6）对于轴右端及中间轴段加工质量要求较高的表面，安排在后面，并在前几道工序中注意形位公差，在加工过程中不断调整、保证其形位公差。（7）按照先面后孔的原则：先加工端面，再铣键槽。（二）热处理工序的安排 在切削加工前宜安排正火处理，能提高改善轴的硬度，消除毛坯的内应力，改善其切削性能。在粗加工后进行调质处理，能提高轴的综合性能。最终热处理安排在半精车之后磨削加工之前。其能提高材料强度、表面硬度和耐磨性。在精加工之前安排表面淬火，这样可以纠正因淬火引起的局部变形，提高表面耐磨性。（三）辅助工序的安排 在粗加工和热处理后，安排校直工序。在半精车加工之后安排去毛刺和中间检验工序。在精加工之后安排去毛刺、清洗和终检工序。 综上所述，该轴的工序安排顺序为： 下料锻件预备热处理 加工工序:车端面粗车调质半精车精车车端面淬火磨外圆热处理粗磨精磨去毛刺检验四、加工阶段的划分该轴精度要求较高，其加工阶段可划分为粗加工、半精加工、精加工阶段。1、在粗加工阶段，粗车外圆，以高生产效率去除毛坯余量。2、在半精加工阶段，对外圆进行半精车，铣键槽等，减小粗加工中留下的误差，使加工面达到一定的精度，为精加工做好准备。3、精加工阶段，、20、16外圆面表面粗糙度要求为Ra1.6m，对其进行精车以达到要求。而对于外圆面其公差等级为IT6，表面粗糙度要求为Ra1.6m安排粗磨、精磨。五、确定工艺路线根据以上的加工工艺过程的分析确定零件的工艺路线如表三工序号工序名称工序内容1锻件毛坯锻造加工2热处理正火3车端面车断头及端面保证端面尺寸，钻中心孔；调头车另一端面，钻中心孔；4粗车粗车轴段2外圆，以其端面为基准面，依次粗车轴段1、3外圆；调头再以轴段2右端面为基准粗车轴段4、5；粗车各退刀槽5热处理调质6半精车以轴段2外圆为基准依次半精车轴段1、3外圆；半精车槽深0.5的2个；调头再以轴段2外圆为基准半精车轴段4、5外圆；半精车槽深0.5.7精车用调整法找正以顶尖中心线为基准精车轴段1；精车轴段2;调头精车轴段4；精车轴段5；8车端面车端面保持长82；倒角1X45调头车另一端面保持全长80；倒角1X45度，车槽深0.39热处理表面淬火10粗磨粗磨轴段1；调头粗磨轴段411精磨精磨轴段4；调头精磨轴段112检验去毛刺表三第五章 选择加工设备及工艺装备一、机床设备的选用零件轴的生产类型为小批量生产，可以选用较高效率的专用机床和通用机床。根据该轴尺寸的大小要求，选用卧式车床CA6140，外圆磨床M1412,铣床X083。二、工艺装备的选用1）刀具选择因为该传动轴为阶梯轴，所以选用90度角外圆车刀（车台阶）材料为YT1545刀（倒角）和切槽刀（切槽）2）量具选择因为该轴最大长度为85，所以选用量程0-100，精度0.05游标卡尺。各 工序具体所用工艺设备见下表 工序号机床设备刀具量具1游标卡尺23CA614090刀游标卡尺4CA614090刀游标卡尺56CA614090刀游标卡尺7CA614090刀游标卡尺8CA614090刀游标卡尺910M1412砂轮11M1412砂轮12磨刀游标卡尺 表四第六章 加工工序设计一、确定工序尺寸(1)对轴段2外圆表面，加工工艺路线仅为粗车，由工序40组成。可得粗车余量为4mm。 取粗车的经济精度公差等级IT11，查表可确认其公差值为0.13mm。将上面数据填入下表工序名称工序余量（mm）加工经济精度（mm）表面粗糙度Ra(m)工序基本尺寸(mm)尺寸、公差(mm)锻造IT1221粗车4IT116.420表五（2）对轴段3外圆表面加工工艺路线为：粗车半精车精车。由工序40、60、70组成，查表可得工序余量：精车余量为0.1mm,半精车余量为0.2mm，修正后的粗车余量为0.8mm。总加工余量为101mm。计算各项工序尺寸：精车后达到图纸上的尺寸，其表面粗糙度为Ra1.6m。精车前尺寸：20+0.1=20.1mm半精车前尺寸：20.1+0.2=20.3mm粗车前尺寸：20.3+0.8=21.1mm按照各工序所得到的经济精度所对应的值精车的经济精度公差等级IT8，其公差值T1=0.027mm。半精车的经济精度公差等级IT9，其公差值T2=0.043mm。粗车的经济精度公差等级为IT11，其公差值T3=0.11mm。将上面的数据填入下表：工序名称工序余量（mm）加工经济精度（mm）表面粗糙度Ra(m)工序基本尺寸(mm)尺寸、公差(mm)精车0.3IT81.618半精车1.5IT93.218.3粗车6.2IT1112.519.8锻造IT1226表六用计算法对精车径向的工序量Z2进行分析：查表Z2=0.3mm，则半精车的基本尺寸为A2=18+0.3=18.3mm。半精加工工序的经济加工精度等级达到IT9级。确定公差值为0.043mm,所以A1=（18.30.02）mm。（3）轴段1、4外圆面。其加工路线为粗车半精车精车粗磨精磨。由工序40、60、70、120、130组成，据查到的加工余量得精磨余量为0.1，粗磨为0.25，精车为0.25，半精车为2.2 ，经修正后的粗车余量为6.2 。确定总加工余量为9。 计算各工序尺寸： 精磨前：17+0.1=17.1 粗磨前：17.1+0.25=17.35 精车前：17.35+0.25=17.6 半精车之前：17.6+2.2=19.8 粗车前：19.8+6.2=26 按照加工方法能达到的经济精度给各工序尺寸确定公差,查工艺手册可知 每道工序的经济精度所对应的值为： 取精磨的经济精度公差等级为IT6，其公差值为T1=0.011mm。 取粗磨的经济精度公差等级为IT7，其公差值为T1=0.018mm。 取精磨的经济精度公差等级为IT8，其公差值为T1=0.027mm。 取半精车的经济精度公差等级IT9，其公差值为T2=0.043mm。 取粗车的经济精度公差等级IT11，其公差值为T3=0.11mm。 其数据如下表 工序名称工序余量（mm）加工经济精度（mm）表面粗糙度Ra(m)工序基本尺寸(mm)尺寸、公差(mm)精磨0.1IT61.617粗磨0.25IT71.617.1精车0.25IT83.217.35半精车2.2IT96.417.6粗车6.2IT1112.519.8锻造 IT1226表七现用计算法对精磨径向的工序量进行分析：查表得Z1=0.1mm。则粗磨基本尺寸为A2=17+0.1=17.1mm，粗磨加工工序的经济加工精度等级为IT7级。可确认其公差值0.018mm，故取A1=（17.10.02）mm。（4）对轴段5外圆表面，加工工艺路线为：粗车半精车精车。由工序40、60、70组成。查工艺手册得各加工余量：精车余量为0.3 ，半精车为1.5 ，经修正后的粗车余量为8.2。确定总加工余量为10 。精车前：16+0.3=16.3半精车之前：16.3+1.5=17.8粗车前：17.8+8.2=26取精车的经济精度等级为IT8，公差值为T1=0.027mm。取半精车的经济精度等级为IT9，公差值为T2=0.043mm。取粗车的经济精度等级为IT11，公差值为T1=0.11mm。将以上数据填入表格工序名称工序余量（mm）加工经济精度（mm）表面粗糙度Ra(m)工序基本尺寸(mm)尺寸、公差(mm)精车0.3IT61.616半精车1.5IT83.216.3粗车8.2IT1112.517.8锻造IT1226表八（5）对于键槽，可确定工艺路线：粗铣半精铣。查工艺手册可知半精铣的加工余量为1.5mm，且总加工余量为6mm，则粗铣余量为4.5mm。取半精铣的经济精度公差等级为IT7，其公差值为T1=0.039mm。粗铣的经济精度公差等级为IT11，其公差值为T2=0.16mm。将以上数据填入表格工序名称工序余量（mm）加工经济精度（mm）表面粗糙度Ra(m)工序基本尺寸(mm)尺寸、公差(mm)半精铣1.5IT73.25粗铣4.5IT1112.56.5锻造IT1211表九综合以上可得加工余量表为： 加工表面工序名称工序余量工序尺寸精度等级轴段3粗车422IT11轴段1、4外圆面半精磨0.117（+0.0055，-0.0055）IT6粗磨0.2517.1（0，-0.018）IT7精车0.2517.35（0，-0.027）IT8半精车2.217.6（0，-0.043）IT9粗车6.217.8（0，-0.11）IT11轴段2外圆面精车0.318（+0.021，-0.007）IT8半精车1.518.3（0，-0.043）IT9粗车6.219.8（0，-0.11）IT11轴段5外圆面精车0.316IT8半精车1.516.3(0,-0.043)IT9粗车8.217.8(0,-0.011)IT11键槽半精铣1.55（0，-0.01）IT7粗铣4.56.5（0，-0.075）IT11表十二、确定工序的切削用量确定切削用量的原则：首先应选取尽可能大的背吃刀量，其次在机床动力和刚度允许的条件下，又满足以加工表面粗糙度的情况下，选取尽可能大的进给量。最后根据公式确定最佳切削速度。1）工序30，粗车轴的左右端面 该工序为两个工步，工步1是以左边定位。粗车右端面；工步2是以右边定位，粗车左端面。由于这两个工步是在一台机床上经一次走刀加工完成的，故其选用的切削用量相同。背吃刀量的确定：根据加工余量，工步1和工步2的背吃刀量都为0.5mm 进给量的确定：本设计采用的是硬质合金车刀，工件材料是40Cr，查表取进给量f0.5mm/r 切削速度的计算：硬质合金车刀切削40Cr时，取切削速度V为50m/min，根据公式，可得车床转速n=100050/（24）r/min=663r/min，查表CA6140的主轴转速范围为101400，14001580（r/min），符合要求。2）工序40粗车及工序60半精车 该工序为工步1粗车和工步2半精车，则背吃刀量依次为ap1=z=6.2mm， ap2=z=2.2mm查表得 粗车 f1=0.81mm/r，取Vc为60m/min，则n=796r/min半精车，取f2=0.4mm/r，Vc为90m/min，则n=1194r/min (n=1000Vc/d)3）工序40、工序60的过渡面部分 粗车半精车尺寸为20的轴肩两端面 粗车轴段2与轴段1的过渡端面其切削用量与上述结论类似，不再计算4）工序90、100粗铣及半精铣键槽 粗铣 取f=2mm/r Vc=60m/min n=118