轴套的加工工艺及质量控制分析.doc

第一章 套筒零件的功用和结构特点 套筒零件时机械加工中经常碰见的一类零件，它的应用很广。例如：支撑旋转轴的各种类型的轴承，夹具上的导向筒等。 机器中的套筒零件，常常起支撑或导向作用，由于功用不同，零件的结构和尺寸有很大的区别，但结构上仍然有共同点：零件的主要表面为同轴度较高的内外两旋转表面；零件壁的厚度较薄容易变形，零件的长度一般大于直径。第二章 轴套的技术要求及工艺分析（零件图见附件1） 该轴套属于较短套筒，材料为45钢。起主要加工表面为100JS的外圆对80H7内孔的径向圆跳动公差为0.01mm；左端面对80H7的孔轴线的垂直度公差为0.01mm；轴承套外圆的精度为IT7级，用精车就可以满足要求；内孔精度也为IT7级，采用铰孔加工可以满足要求。内孔的加工顺序为：车孔扩孔铰孔。由于外圆对内孔的径向跳动的要求在0.01mm内，用软卡爪装夹无法满足要求，因此精车外圆时应以内孔为定位基准，使轴承套在小锥度的心轴上定位，用两顶尖装夹。这样可以使加工基准和测量基准一致，容易达到图纸的要求。2.1 毛坯的选择 套筒的毛坯的选择与其材料、结构和尺寸等因素有关。一般情况下，孔径较小的选择棒料。内孔孔径较大时，采用无缝钢管或带孔的铸件和锻件。在此，根据该零件的尺寸和结构，选择带孔的铸件，既可以提高生产效率又可以节约金属材料。2.2 各主要表面的技术要求2.2.1 100JS7的外圆对80H7孔的径向圆跳动公差为0.01mm如果最终加工时将套筒装入机座后进行，套筒内外圈的同轴度要求一般比较低；如果最终加工是在装配前完成的时候，那么要求就比较高，一般为0.020.05mm。该零件的最终加工是在与轴装配前完成，所以它的同轴度要求较高，为0.01mm。2.2.2 左端面对100h7孔轴线的垂直度公差为0.01mm。轴套的端面，包括凸缘端面，如在工作中承受载荷，或者虽然不承受载荷，但在加工中作为定位面时，端面与孔轴线的垂直度有要求比较高，一般为0.020.05mm。该轴承套的端面虽然不承受载荷，但是在加工过程中作为测量的基准面，故其端面与孔轴线的同轴度要求较高了，为0.01mm。保证两个加工要素在同一次装夹中完成。2.2.3 轴承套的外圆的精度为IT7级。 外圆是轴套的支撑面，常采用过盈配合或过度配合同箱体或机架上的孔相连。2.2.4 内孔的精度也为IT7级。 2.2.5 主要技术要求尺寸精度和形状精度 影响轴承的旋转精度和配合精度。位置精度 孔的定位精度，保证内外圆轮廓的跳动在公差范围内。表面粗糙度 主要是轴承内圈，保证与轴以及其他传动部件配合的精确。2.2.6 保证套筒零件表面位置精度的方法该轴承套内、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、外表面的加工，则可以获得很高的位置精度，这种方法工序比较集中，对于尺寸较大的，尤其是长径比大的，不便一次完成，于是，可将轴套的内、外表面的加工分在几次装夹中完成。一般可以先加工孔，然后以孔为精基准最后加工外圆。这种方法所用的夹具心轴结构简单、定心精度高，可以获得较高的位置精度。在此，选择这种方法来保证轴套的位置精度。（心轴定位见下图）2.3防止加工过程中套筒变形的措施该套筒零件孔壁较薄，加工会因为夹紧力、切削力、残余应力和切削热等因素的影响而产生变形。为了防止或减小变形，在加工过程中应注意：(1)减少切削力和切削热的影响，粗、精加工应分开进行，使粗加工中产生的变形在精加工中得以修正。(2) 减少加紧力的影响，工艺上可采取以下措施：改变加紧力的方向，即径向加紧改为轴向加紧 （3）为减少热处理的影响，热处理工序应放在粗加工和精加工之间，以便热处理引起的变形在精加工中予以修正。套筒零件热处理后一般变形较大，所以精加工余量应适当放大。对于本次设计的普通精度的套筒，如需径向加紧时，也应尽量使径向加紧力分布均匀，可采用软卡爪装夹，以增大卡爪和工件的接触面积。软卡爪使未经过淬硬的卡爪，如下图所示，使用时，把硬卡爪前半部分A拆下，换上软卡爪，用螺钉连接。如果卡爪时是整体式的，可以在用旧的硬卡爪的夹持面上焊接上一块钢料或软的材料。对换上的材料必须用车孔的刀对软卡爪的夹持面进行车削，使被车削卡爪的直径与被装夹的工件的直径基本相同，并车出一个抬阶，使工件端面正确定位。用软卡爪定位，既能保证位置的精确度要求，也可以减少找正时间，防止夹上工件表面。 图 软卡爪2.3 初拟加工工艺1） 备料： 带孔的铸件 外圆台阶150mm/110mm、内孔70mm，长150mm，台阶长22mm。2） 粗车外圆：结合本专业，用数控车床进行加工。车外圆142mm长度为20 mm。车外圆134JS7为140mm,车空刀槽2*0.5取总长145mm，两端倒角。3） 车内孔到75mm，第二次粗镗到78mm，镗以后的尺寸79.5mm，铰孔至要求尺寸。孔两端倒角。4） 精车凸台端面至尺寸，134JS7至尺寸。5） 精车左端面，取总长140mm至尺寸。6） 钻油孔10mm至尺寸。第三章 工艺规程设计3.1 定位基准的选择 精基面的选择：根据精基面的选择原则，选择精基面时，首先应考虑基准重合的问题，应该尽量选择加工表面的设计基准作为定位基准。根据此套筒的特点和加工要求，选择右端面为精基面。加工外槽、油孔、阶台都以右端面为定位的基准面。加工法兰孔以左端面作为定位的基准面。 粗基准面的选择：为了加工出上述的精基面，显然，应以外圆和端面作为粗基准面，加工右端面。 针对此套筒零件，采用心轴定位的方法。以为内、外圆的同轴度以及端面对轴线的垂直度是相互位置精度的主要项目，这些表面的设计基准一般都是轴线的中心线，这里用心轴配合两中心孔，就能符合基准重合的原则。而且，由于多数的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，符合基准统一的原则。 粗加工外圆时，为了提高工件的刚度，则采用轴套外圆表面作为定位的基准面，或以外圆中心轴的中心孔作为基准来定位，即一夹一顶。确定主要表面的加工方法和加工方案 各个外圆表面 粗车精车 内孔 镗孔铰孔 左端面，外圆 在同一次装夹中完成，保证垂直 度，粗车精车3.2 零件各表面加工工序的确定3. 2.1 加工阶段的划分该套筒零件可分为粗车（粗车外圆、端面等），半精车（半精车各处外圆、阶台、端面），精车，扩孔，铰孔。各个加工阶段大致以热加工处理为界。3.2.2 加工工序的安排首先，机械加工的工序安排依据“基面先行、先粗后精、先主后次”的原则，对套筒零件，一般先粗加工外圆，然后以外圆为基准，粗、精加工内孔，然后以内孔为基准，精加工外圆以及与外圆轴线有垂直度要求的端面。以热加工处理为标志，调质处理前为粗加工，淬火处理前为半精加工，淬火处理后为精加工。这样将各个阶段的加工分开后，保证了主要表面的加工最后进行，不至于因为其他表面的加工影响主要表面的加工精度。 另外，还应注意：-外圆表面加工时应先加工大直径的外圆，然后再加工小直径的外圆，以免一开始就降低工件的刚度。-钻孔等次要表面的加工一般安排在外圆半精车以后，精车前，以免破坏主要表面的最后加工的精度。其次，热处理的安排 该套筒要进行调质处理。应该安排在粗加工、半精加工前。若为锻件毛坯，必须安排退火或正火处理。该零件的毛坯为铸件，为了减少相变应力，可采用均匀化退火或正火。为减小冷却应力，铸件安排等温退火。 该套筒在加工过程中，应安排足够的热处理工序，以保证套筒零件的力学性能以及加工精度的要求，并改变工件的加工性能。 粗加工过程中。切削力和产生的切削热都很大，在力和热的作用下，工件会产生很大的内应力，通过调质处理可以消除内应力，代替时效处理。同时可以达到所要求的韧性，故粗加工后应安排调质处理。 半精加工后，除了重要的表面，其他表面都达到设计的尺寸要求。重要表面仅剩下精加工余量， 精加工完成零件的加工。 再次，辅助工序的安排 检验工序：在热处理工序后安排中间检验工序。最后安排最终检验工序。 最后，其他辅助工序的安排 钻孔后应该安排钳工除毛刺，在最终检验前，应先安排清洗工序，最后将零件油封，入库。3.2.3 工序的组合 该套筒的生产类型是批量生产，为了尽可能地减少工件在加工过程中地装夹次数，在一次装夹中加工多个表面，以便保证高地表面相互位置精度。考虑使用通用机床，配以专用的夹具，并采用工序集中制原则来组合工序，得到如下的零件工艺路线：1、 毛坯铸造2、 安排退火或正火3、 粗车各处外圆 4、 粗、精加工内孔5、 调质6、 中间检验7、 精车各处外圆、外槽、倒角8、 钻油孔9、 钳工去毛刺10、 检验11、 清洗12、 油封13、 入库3.2.4 选择加工设备及工艺装备由于该套筒的生产类型是成批大量的，故加工宜用通用机床为主，辅以少量的专用机床。其生产方式为以通用机床专用夹具为主，辅以少量专用机床的流水生产线。工件在各机床上的装卸及各机床间的传送均以人工完成。粗车外圆：数控车床 外圆车刀 切槽刀 游标卡尺、扩孔：镗刀 游标卡尺铰孔：铰刀 内径千分尺精车外圆、阶台端面、端面：车刀 外径千分尺 心轴定位钻油孔：摇臂钻床 定尺寸钻头 游标卡尺 设计专用夹具定位钻法兰孔：攻螺纹采用机用丝锥机 丝锥夹具。螺纹孔用螺纹塞规检验。 工序号工序名称工序内容车间设备夹具切削刀具量具辅助工具01准备铸造铸造车间02粗车各个外圆端面数车数控车床三爪卡盘外圆车刀游标卡尺03精内孔数车数控车床软卡爪镗刀内径千分尺04热调质热处理箱式电炉05车、铰外圆端面倒角 铰孔数控车床软卡爪车刀、铰刀、切槽刀内径千分尺06精外圆到尺寸 端面数控车床孔心轴车刀千分尺07钻油孔 钻床设计夹具钻头游标卡尺08钳钳工去毛刺钳工车间 09检验10辅清洗11辅油封入库工艺卡片见附件2。3.3 工序内容设计3.3.1、工序尺寸的计算确定工序尺寸的一般方法是，由加工表面的最后工序往前推算，最后工序的尺寸按零件图的要求标注。当无基准转换式，同一表面多次加工的尺寸只与工序或工步的加工余量有关。有基准转换时，工序尺寸应用工艺尺寸链解算。转换油孔的基准：由图纸，以知油孔中心到凸台端面的尺寸，在实际的生产中无法测量，故要根据尺寸链来转换基准，算出油孔到右端面的尺寸。a） 画工艺尺寸链图b） 判断增环、减环 封闭环是A3， 增环是A0=1400.1 减环是A1=16 A2=74+0.1计算封闭环的基本尺寸：A3=A0-A1-A2=140-16-74=50mm计算封闭环的上偏差：ESA3=ESA0-EIA1-EIA2=0.1-1-1=0.1mm计算封闭环的下偏差：EIA3=EIA0-ESA1-ESA2=-0.1-0,1=-0.2mm所以封闭环的尺寸为A3=50+-0.1-0.2 经过上述的尺寸链计算，油孔的测量基准和设计基准统一 方便加工，测量。其它间接加工尺寸用类似方法也可求得。3.3.2 加工余量的确定台阶端面的余量，查有关手册端面车削余量表，得加工加工余量为0.8mm以知总尺寸为150-16=134mm。故粗加工尺寸为134-0.8-2=131.2mm. 查有关7级加工预先冲出的孔的有余量表，内孔，粗镗，第一次78.0mm；镗以后的直径79.5mm；第二次，按照H11公差+0.19；粗铰79.9mm;精铰到零件图尺寸。 粗镗，第一次加工时余量为3mm，故 ap=3mm。第二次加工余量为1.5mm,所以ap=1.5mm。 查有关资料，v=0.4mm/s=24m/min。 取进给量f=0.2mm/r。 n=1000v/3.14d=1000*24/3.14*79.5r/min=96r/min 精镗时，余量为0.5mm,所以ap=o.5mm。查有关资料，v=1.2m/s=72m/min,取f=0.12mm/r。 n=1000v/3.14d=1000*72/3.14*18=287r/min。 端面。粗车端面后，正火调质的端面精加工余量。查有关手册端面粗车后正火调质切削余量表，得精加工余量为2.0mm。 粗车端面余量，查有关手册，端面粗车余量表得加工余量为1.0mm，两端各留1mm加工余量，又毛坯尺寸长度为150mm，故粗加工余量为150-140-2-2=6mm,单边得加工余量为3mm。 台阶端面。车端面后，正火调质的端面精加工余量。查有关手册端面粗车后正火调质切削余量表，得精加工余量为2.0mm。 粗车台阶端面余量。查有关手册，端面粗车余量表得加工余量为1.0mm，两端各留1mm加工余量，又毛坯尺寸长度为150mm，故加工尺寸为150-16-2=132mm.。 粗车外圆后精车外圆余量。查有关手册粗车外院后精车外圆余量表，得精车外圆直径余量为1.2mm。 粗车外圆余量。查有关手册粗车外圆余量表，得粗车外圆直径余量为6mm，以知总余量为150-100=50mm,故粗加工余量为50-6-1.2=42.8mm。 台阶外圆粗车外圆后精车外圆余量。查有关手册粗车外圆后精车外圆余量表，得精车外圆直径余量为1.2mm。 台阶处粗车外圆余量。查有关手册粗车外圆余量表，得粗车外圆直径余量为6mm，以知总余量为150-142 =8mm,故粗加工余量为8-1.2=6.8mm。 精车各处外圆，查硬质合金车刀车薄壁工件的切削用量表，得v=400m/min，f=0.2mm/r,ap=.0.25mm。所以，n=1000v/3.14/d=1000*400 /3.14/140=910rad/min。 粗车各处外圆，查硬质合金刀具常用速度表，得v=300m/min,f=0.5mm/r,ap=0.5mm。所以，n=1000v/3.14/d=680rad/min。根据工序内容设计，各工序卡片见附件3。3.4数控程序编制1 先加工外圆，卡大端，倒个卡小端。2 再粗精加工内孔。3 再用心轴定位，精加工外圆和大端端面。O2345 (右端外圆及内孔)M41（640r/min）M03T0101G00X150Z3G71U1.5R2G71P3Q4U0.5W0.1F0.2N3G00X132M08G01X142Z-2F0.1N4Z-17M43(1320r/min)G70P3Q4G00X200Z200M09M05M41(640/min)M03T0404(内孔铰刀)G00X70Z3G71U1.5R2G71；P5Q6U-0.5W0.1F0.2N5G00X90M08G01X80Z-2F0.1Z-142N6G00X70M09M43（1430/min）G70P5Q6G00X200Z200M05M30O1234(左端外圆及手动平端面)M41（640/min）M03T0101(90外圆刀)G00X150Z3G71U1.5R2G71P1Q2U0.5W0.1F0.2N1G00X90M08G01X100Z-2F0.1Z-124N2X150M43（1320r/min）G70P1Q2G00X200Z200M09M05M44(475/min)T0202(4mm宽切槽刀)G00X150Z-123M08G01X101F0.5Z-124F0.1X97F0.05G00X150G00X200Z200M09M05M30O3456（平端面，心轴定位）M41（640r/min）M03T0101G00X155Z5M08G94X80Z3.5F0.1Z2Z0.5Z0G00X200.Z200M09M05M30（外圆粗加工分别用O1234和O2345程序）第4章 质量控制分析4.1 保证套筒零件表面位置精度的方法该轴承套内、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、外表面的加工，则可以获得很高的位置精度，这种方法工序比较集中，对于尺寸较大的，尤其是长径比大的，部便一次完成，于是，可将轴套的内、外表面的加工分在几次装夹中完成。一般可以先终加工孔，然后以为精基准最后加工外圆。这种方法所用的夹具心轴结构简单、定心精度高，可以获得较高的位置精度。4.2 防止加工过程中套筒变形的措施该套筒零件孔壁较薄，加工会因为夹紧力、切削力、残余应力和切削热等因素的 影响而产生变形。为了防止或减小变形，在加工过程中应注意：1) 减少切削力和切削热的影响，粗、精加工应分开进行，使粗加工中产生的变形在精加工中得以修正。2) 减少加紧力的影响，工艺上可采取以下措施：改变加紧力的方向，即径向加紧改为轴向加紧3) 为减少热处理的影响，热处理工序应放在粗加工和精加工之间，以便热处理引起的变形在精加工中予以修正。套筒零件热处理后一般变形较大，所以精加工余量应适当放大。 对于本次设计的普通精度的套筒，如需径向加紧时，也应尽量使径向加紧力分布均匀，可采用软卡爪装夹，以增大卡爪和工件的接触面积。软卡爪使未经过淬硬的卡爪，如图3-1所示，使用时，把硬卡爪前半部分A拆下，换上软卡爪，用螺钉连接。如果卡爪时是整体式的，可以在用旧的硬卡爪的夹持面上焊接上一块钢料或软的材料。对换上的材料必须用车孔的刀对软卡爪的夹持面进行车削，使被车削卡爪的直径与被装夹的工件的直径基本相同，并车出一个抬阶，使工件端面正确定位。用软卡爪定位，既能保证位置的精确度要求，也可以减少找正时间，防止夹上工件表面。4.3 热处理的变形及消除的措施对于本次设计的尺寸较大的轴承套，热处理后极易产生形状公差严重超差现象。导致变形的主要原因一方面是套筒内部的组织结构发生改变，另外一方面是内应力以及切削外力的影响等。因此，我们可以在车削加工中间增加消除内应力的退火工序，以减小淬火变形。消除内应力退火的温度为600-670度，退火时间为4-8小时。根据统计，消除内应力退火可以使淬火后的变形量减少三分之一左右。消除内应力退火可以在粗车后，精车后各进行一次。只进行一次时，最好安排在粗车后进行，以便修正消除内应力退火的变形。第5章 夹具的设计夹具是装夹工件的工艺设备，它广泛地应用在机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。机床夹具，是一种必不可少的工艺设备，它直接影响加工的精度，劳动强度和产品的生产成本和生产效率等。机床夹具设计在产品设计制造和生产技术准备中有极其重要的地位。机床夹具的设计是一项重要的工作。在此，根据所设计的轴承套中油孔加工中所涉及到的定位、加紧等问题，设计符合生产要求的夹具。 钻床夹具在钻床上进行孔的钻、扩、铰 等加工时所用的夹具称为钻床夹具。钻床秒 具用钻套引导刀具进行加工，有利于保证被加工孔对其定位基准和各孔之间的尺寸精度和位置精度，并可显著提高劳动生产率。5.1 钻模类型的选择钻床夹具种类繁多，由于钻孔的直径大于10mm或精度要求高时，应采用固定式钻模，所以，根据所设计的轴套的油孔的直径，确定选择固定式钻模。 在使用过程中，夹具和工件的位置在机床上固定不变。用于在立式钻床上加工较大件的单孔。在安装钻模时，一般先将安装在主轴上的定尺寸刀具或心轴伸进钻套中，以确定钻模的位置。这样，加工出来的孔精度较高。5.2 钻套类型的选择和设计1）当工件时单一钻孔工步的大批生产时，为便于更换磨损的钻套，可选用可换钻套。钻套和衬套之间采用F7/m6或F7/k6配合，衬套和钻模板之间采用H7/n6配合。当钻套磨损后，可卸下螺钉，更换新的钻套。螺钉能防止加工时钻套转动和退刀时随刀具拔出。2）钻套的尺寸、公差及材料设计钻床夹具时，在选定钻套的结构类型后，需要确定钻套的内孔尺寸、公差及其它有关尺寸a) 一般钻套导向孔的尺寸取刀具的最大极限尺寸，采用基轴制间隙配合。钻孔时，其公差取F7或F8，粗铰孔时公差取G7。若刀具用圆柱部分导向时，可采用H7/f7配合。b) 钻套的导向长度H增大，则导向性好，刀具的刚度高，加工精度好，但是刀具与钻套的磨损加剧。一般取H=1-2.5D，其中D为钻套孔径。故，在此，选H=15mm。对于加工精度教高的孔，或被加工的孔直径较小，其钻头刚度较差时，应取较大值，反之取较小值。c) 排屑空间h指钻套底部与工件表面之间的空间。H增大，排削方便，但是刀具的刚度和孔的加工精度都会降低。钻屑易排出的铸铁类零件加工时，常取h=（0.3-0.7）d;钻削较难排屑的钢料时，常取h=(0.7-1.5)d。工件精度要求较高时，可取h=0，使切屑全都从钻套中排出。结合本次设计，由于套筒零件大端与小端有尺寸差，取钻套底部到大端的尺寸为0时，钻套底部与小端自然形成排屑空间。又此油孔为自由公差，精度要求不是很高，就以自然形成的间隙为排屑空间d) 在加工过程中，钻套与刀具产生摩擦，故钻套应油很高的耐磨性。这里，钻套孔径为10mm ，用T10A钢制造，热处理硬度为58-64HRC。5.3、钻模板的设计 前面，选择了固定式钻模板。钻模板与夹具体或支架的固定方法，一般采用两个圆锥销和几个螺钉装配连接；对于简单的结构，可采用整体铸造或焊接结构。前者在装配时调整位置，钻孔精度高，因而广泛使用，但是要注意，设计不能妨碍工件的装卸。 另外，钻模板的设计应注意： 钻模板上安装钻套的孔之间及孔与定位元件之间的位置应有足够的精度。 钻模板应具有足够的刚度，以保证钻套位置的准确性但又不能设计得太厚太重。注意布置加强肋板以提高钻模板得刚度。钻模板一般部应承受加紧反力。 为保证加工得稳定性，钻模板本身得重力不宜过大。5.4 脚架设计为减少夹具底面与机床工作台得接触面积，使夹具放置平稳，钻模一般都在相对钻头送进方向的夹具体上设置支脚。根据需要，支脚的断面可采用矩形或圆柱形，也可以做装配式的，但要注意以下几点：1） 支脚架必须有四个。因为有四个支脚能立即发现夹具是否放歪。2） 矩形支脚的宽度或圆柱支脚的直径必须大于工作台T形槽的宽度，以免陷入槽中。3） 夹具的重心、钻削压力必须落在四个支脚所形成的支承面内。4） 钻套轴线应与支脚所形成的支承面垂直或平行，使钻头能正常工作，防止其折断，同时还能保证被加工孔的 位置精度。综上所述，现设计固定式钻模。见附件4、附件5。 参考文献：1. 裘维涵主编.机械制造基础.北京:机械工业出版社,19932. 张俊生主编.金属切削机床与数控机床.北京:机械工业出版社,20003. 韩步愈主编.金属切削原理与刀具.北京:机械工业出版社,19884. 李庆寿主编.机床夹具设计.北京:机械工业出版社,19905. 刘守勇主编.机械制造工艺与机床夹具.北京:机械工业出版社,19946. 盛善主编权.机械制造.北京:机械工业出版社,19997. 朱正心主编.机械制造技术.北京:机械工业出版社,19998. 兰建设主编.机械制造工艺与机床夹具设计.北京:兵器工业出版社,19969. 孙学强主编.机械加工技术.北京:机械工业出版社,199910. 吴国华主编.金属切削机床.北京:机械工业出版社,199611. 马幼祥主编.机械加工基础.北京:机械工业出版社,199512. 吴道全主编.金属切削原理与刀具.北京:机械工业出版社,199413. 唐宗军主编.机械制造基