传动轴机械制造工艺课程设计.docx

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传动轴机械制造工艺课程设计

湖南工业大学

机械制造课程设计

资料袋

机械工程学院（系、部）_____2011～2012学年第1学期

课程名称机械制造工艺学指导教师职称

学生姓名专业班级学号

题目传动轴的机械加工工艺规程设计

成绩起止日期2011年_12月_19日～2011年12月26日

目录清单

序号

材料名称

资料数量

备注

1

课程设计任务书

1张

2

课程设计说明书

1本

3

课程设计图纸

1张

零件图

4

机械加工工艺过程卡片

1张

5

机械加工工序卡片

一套

11张

6

湖南工业大学课程设计任务书

2011—2012学年第一学期

机械工程学院（系、部）机械工程及其自动化专业机工091班级

课程名称：

机械制造工艺学

设计题目：

传动轴的机械加工工艺规程设计

完成期限：

自2011年12月19日至2011年12月26日共1周

内

容

及

任

务

一、设计的主要技术参数

二、设计任务

根据零件图对零件进行工艺分析，编制工艺文件。

三、设计工作量

1根据零件图对零件进行工艺分析

2确定毛坯的种类

3拟定加工路线

4确实各工序的加工余量，计算工序尺寸和公差

5选择各工序的机床设备及刀具、量具等工艺装备

6确定各工序的切削用量

7编制工艺文件

进

度

安

排

起止日期

工作内容

2011年12月19日~20111年12月20日

分析零件、并且确定生产类型以及生产毛坯

2011年12月21日~2011年12月23日

工艺规程设计以及制作工艺卡

2011年12月24日~2011年12月26日

整理、排版说明书以及准备答辩

参

考

资

料

1、《机械制造技术基础》主编：

陆名彰、胡忠举长沙：

中南大学出版社，2004年8月

2、《机械制造工艺基础》主编：

黄观尧天津：

天津大学出版社，1999年1月

3、《机械制造技术基础课程设计指导教程》主编：

邹青北京：

机械工业出版社，2004年9月

4、《工程材料及应用》主编：

周凤云武汉：

华中科技大学出版社，2004年9月

5、《机械加工工艺基础》主编：

金问楷北京：

清华大学出版社，1990年9月

6、《金属机械加工工艺人员手册》主编：

《金属机械加工工艺人员手册》编写组上海：

上海科学技术出版社，1979年1月

指导教师（签字）：

年月日

系（教研室）主任（签字）：

年月日

机械制造技术基础

课程设计

课题名称：

传动轴的机械加工工艺规程设计

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

成绩：

机械工程学院

2011年12月

一．传动轴工艺分析…………………………………………1

1.1零件的结构特点及应用………………………………………………………………1

1.2传动轴图样分析………………………………………………………………………1

二.毛坯的选择………………………………………………3

2.1毛坯类型分析…………………………………………………………………………3

2.2确定机械加工余量，毛坯……………………………………………………4

三.选择定位基准和装夹……………………………………4

3.1基准的选择……………………………………………………………………………5

3.2工件的装夹方法选择…………………………………………………………5

四.工序集中和分散考虑……………………………………7

4.2工序分散……………………………………………………………………………7

4.1工序集中………………………………………………………………………………7

五.制订零件的机械加工工艺规程…………………………7

5.1选择表面加工方式………………………………………………………………………8

5.2制定工艺路线……………………………………………………………………………8

5.3传动轴的工艺路线………………………………………………………………………9

5.4热处理工序安排…………………………………………………………………………9

5.5轴类零件加工工艺过程…………………………………………………………………10

5.6轴类零件加工的技术要求………………………………………………………………11

5.7轴类零件的热处理………………………………………………………………………11

六、机床设备和工艺装备的选用……………………………11

6.1选择机床…………………………………………………………………………………11

6.2选用工艺设备……………………………………………………………………………11

七．工序加工余量的确定，工序尺寸及公差的计算………12

八、确定工序的切削用量……………………………………18

九、提高劳动生产率的方法………………………………21

十、课程设计体会……………………………………………22

十一、参考资料………………………………………………22

一．传动轴的工艺分析

1.1零件的结构特点及应用

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。

它在机器中主要用于支承齿轮，带轮，凸轮以及连杆等传动件，以及传递扭矩。

按结构形式不同，轴可以分为阶梯轴，锥度分轴，空心轴，曲轴，凸轮轴，偏心轴，各种丝杆等。

它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。

轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面，圆锥面，内孔和螺纹及相应的端面所组成。

轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。

图示传动轴零件属于台阶轴零件，由圆柱面，轴肩，砂轮越程槽和键槽等组成。

轴肩一般用来确定安装在轴上的零件的轴向位置，各环槽的作用是使零件装配时有一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传递转矩。

1.2传动轴图样分析

（1）图所示零件是传动轴

它属于台阶轴类零件，由圆柱面、轴肩、砂轮越程槽和键槽等组成。

轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用是使零件装配时有一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传递转矩。

  根据工作性能与条件，该传动轴图样规定了主要轴颈，外圆以及轴肩有较高的尺寸、位置精度和较小的表面粗糙度值，并有热处理要求。

这些技术要求必须在加工中给予保证。

因此，该传动轴的关键工序是轴颈和外圆的加工。

（2）传动轴的工艺性分析

1.尺寸精度

起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5～IT7）。

装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6～IT9）。

2．几何形状精度

轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。

对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。

3．相互位置精度

   轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。

通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。

普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.01～　0.03mm　，高精度轴（如主轴）通常为0.001～　0.005mm。

4．表面粗糙度

一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.5～0.63μm，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.63～0.16μm。

5.主要技术要求如下：

根据工作性能与条件，该传动轴图样规定了主要轴颈外圆，以及轴肩有较高的尺寸，位置精度和较小的表面粗糙度值，并有热处理要求。

这些技术要求必须在加工中给予保证。

因此，该传动轴的关键是轴颈和外圆及轴肩的加工。

二.毛坯的选择

2.1毛坯类型分析

机械加工常用的毛坯有铸件、锻件、型材及焊接件。

不同的毛坯种类及毛坯的精度、粗糙度和硬度等对机械加工工艺过程有着直接的影响。

还有毛坯的形状和特性，直接会影响到机械加工的难易、

材料的消耗等。

轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。

  45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45～52HRC。

40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。

  轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。

  精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。

这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。

与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。

45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质后，可得到较好的切削性能，而且能够获得较高的强度和韧性等综合机械性能，调质后表面硬度可达220-240HBS。

轴类毛坯，常用圆棒料和锻件，根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。

毛坯经过加热锻造后，可使金属内部纤维组织表面均匀分布，获得较高的抗拉，抗弯及抗扭强度；锻造后的毛坯，能改善金属内部组织，提高其抗拉，抗弯等机械性能。

同时，因锻件的形状和尺寸与零件相近，可以节约材料，减少切削加工的劳动量，降低生产成本。

在选择锻件的制造方法时，并非是制造精度高就越好，需要综合考虑机械加工成本和毛坯制造成本，以达到零件制造总成本最低的目的。

当生产批量较小，毛坯精度要求较低时，锻件一般采用自由锻造法生产。

根据传动轴的制造材料（45钢），毛坯类型可采用型材和锻件，现选用锻件；毛坯采用自由锻造。

2.2确定机械加工余量，毛坯尺寸和公差

（1）公差等级

该锻件的尺寸公差等级IT为13-15级，加工余量等级为普通级。

故IT为15级，MA为普通级。

（2）锻件质量

根据计算可得机械加工后零件的质量为传动轴的重量估计值为1.31Kg。

由此可初步估计机械加工前锻件毛坯的重量为2.5Kg。

（3）确定传动轴毛坯的余量

根据阶梯轴的自由锻造机械加工余量的计算公式（D<65mm时，按65mm计算，L<400mm时，按400mm计算），传动轴锻件余量计算如下：

A=L0.26*D0.2*0.5

=4000.26*650.2*0.5

=7.15mm

取整数7mm。

（4）锻件的形状复杂系数

通过上面的计算知毛坯和零件的质量，锻件的形状复杂系数S=mt/mn=2.5/3.0=0.83，其中mn=472*π*215*10-6/4=3.0Kg。

由于0.83介于0.63和1之间，故该锻件的形状复杂系数为S1级。

（5）锻件的材质系数M

由于该传动轴零件材料是45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M1。

（6）零件表面的粗糙度

由零件图可知，该轴除III和V表面的粗糙度为1.6微米外，其它各加工表面的粗糙度均大于或等于6.3微米，键槽的表面粗糙度没有标出为一般要求。

（7）确定机械加工余量

根据锻件质量，零件表面粗糙度，形状复杂系数查表2-9，由此查得单边余量在厚度方向3.5mm，平方向亦为3.5mm。

不妨取锻件各外径的单边余量为3.5mm，各轴向尺寸的单边余量亦为3.5mm。

（8）确定毛坯尺寸

零件尺寸

单边加工余量

锻件尺寸

Φ46

3

Φ52

Φ37

4

Φ45

Φ37

4

Φ45

Φ36

2

Φ40

Φ36

2

Φ40

Φ30

2.5

Φ35

Φ27

4

Φ35

（9）确定毛坯尺寸公公差

锻件尺寸

极限偏差

锻件尺寸

极限偏差

Φ52

+1.2

Φ40

+0.8

-1.0

-0.3

Φ45

+1.0

Φ35

+0.5

-0.5

-0.2

三.选择定位基准和装夹

3.1基准的选择

粗基准选择考虑的重点是如何保证各加工表面有足够的余量，及保证不加工表面与加工表面的尺寸、位置符合零件图样设计要求。

还要考虑装夹方便、可靠，选一大端面和外圆作为定位粗基准。

精基准选择考虑的重点是如何减少误差。

保证加工精度和安装方便。

轴齿轮的设计基准是内孔，根据基准重合原则，并同时考虑统一精基准原则，选内孔作为主要定位精基准。

考虑定位稳定可靠。

选一大端面作为第二定位精基准。

在磨孔工序中。

为保证齿面与孔的同轴度，选齿面作为定位基准。

在加工环槽工序中，为装夹方便。

选外圆表面作为定位基准。

3.2工件的装夹方法选择

粗加工时，由于切削余量大，工件受的切削力也大，一般采用卡顶法，尾座顶尖采用弹性顶尖，可以使工件在轴向自由伸长。

但是，由于顶尖弹性的限制，轴向伸长量也受到限制，因而顶紧力不是很大。

在高速、大用量切削时，有使工件脱离顶尖的危险。

采用卡拉法可避免这种现象的产生。

精车时，采用双顶尖法（此时尾座应采用弹性顶尖）有利于提高精度，其关键是提高中心孔精度。

1.采用跟刀架

跟刀架是车削细长轴极其重要的附件。

采用跟刀架能抵消加工时径向切削分力的影响，从而减少切削振动和工件变形，但必须注意仔细调整，使跟刀架的中心与机床顶尖中心保持一致。

2.采用反向进给

车削细长轴时，常使车刀向尾座方向作进给运动（此时应安装卡拉工具），这样刀具施加于工件上的进给力方向朝向尾座，因而有使工件产生轴向伸长的趋势，而卡拉工具大大减少了由于工件伸长造成的弯曲变形。

3.采用车削细长轴的车刀

车削细长轴的车刀一般前角和主偏角较大，以使切削轻快，减小径向振动和弯曲变形。

粗加工用车刀在前刀面上开有断屑槽，使断屑容易。

精车用刀常有一定的负刃倾角，使切屑流向待加。

四.工序集中和分散考虑

4.1工序集中

工序集中就是将零件的加工集中在少数几道工序中完成，每道工序加工内容多，工艺路线短。

其主要特点是：

1.可以采用高效机床和工艺装备，生产率高；

2.减少了设备数量以及操作工人人数和占地面积，节省人力、物力；

3.减少了工件安装次数，利于保证表面间的位置精度；

4.采用的工装设备结构复杂，调整维修较困难，生产准备工作量大。

4.2工序分散

工序分散就是将零件的加工分散到很多道工序内完成，每道工序加工的内容少，工艺路线很长。

其主要特点是：

1.设备和工艺装备比较简单，便于调整，容易适应产品的变换,对工人的技术要求较低；

2.可以采用最合理的切削用量，减少机动时间；

3.所需设备和工艺装备的数目多，操作工人多，占地面积大。

综上所诉：

工序集中或分散的程度，主要取决于生产规模。

一般情况下，单件小批生产时，采用工序集中，在一台普通机床上加工出尽量多的表面；批量生产时，采用工序分散。

综上以及结合图纸要求，采用工序分散。

五.制订零件的机械加工工艺规程

5.1选择表面加工方式

1）φ46H7外圆的考虑：

①生产批量较大，应采用高效加工方法；②零件热处理会引起较大变形，要保证φ46H7面的精度和同轴度。

2）大小端面采用粗车－半精车－精车加工方法。

3）键槽采用铣削方法。

5.2制定工艺路线

（1）划分加工阶段

　　传动轴主要表面的加工可划分为粗加工，半精加工，精加工三个阶段。

该传动轴加工划分为三个阶段：

粗车（粗车外圆，钻中心孔等），半精车（半精车各处外圆，台阶和次要表面等），粗，精磨（粗，精磨各处外圆），各阶段划分大致以热处理为界。

（2）安排加工顺序

1遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准——钻中心及车表面的外圆。

2遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。

3遵循“先主后次”先加工主要表面——车外圆各个表面，后加工次要表面——铣键槽和加工各个小槽。

4遵循“先面后孔”原则，先加工左右端面，再加工各个台阶面。

（3）初步拟定工艺路线

定位基准面中心孔应在粗加工之前加工，在调质之后和磨削之前各需安排一次修研中心孔的工序。

调质后修研中心孔为消除中心孔的热处理变形和氧化皮，磨削之前修研中心孔是为提高定位基准面的精度和减少圆柱面的表面粗糙度值。

拟定传动轴的工艺过程时，在考虑主要表面加工的同时，还要考虑次要表面的加工。

在半精加工Φ46mm，Φ37mm，Φ36mm，Φ30mm外圆时，应车到图样规定的尺寸，同时加工出各退刀槽，倒角；两个键槽应该在半精车后以及磨削之前铣削加工出来，这样可以保证铣键槽时有精确的定位基准，又可避免在磨削后铣键槽时破坏已精工的外圆表面。

5.3传动轴的工艺路线

工序号

工序名称

机床设备

刀具

量具

0

锻造毛坯

双面游标卡尺

10

正火处理

双面游标卡尺

20

车端面，钻中心孔

CA6140

YT15

双面游标卡尺

30

粗车左右端面，各外圆及Φ46轴肩面

CA6140

YT15

40

调质

50

修研中心孔

双面游标卡尺

60

半精车左右端面，各外圆及Φ46轴肩面，倒角（不到Φ27轴段）车砂轮越程槽

CA6140

YT15

双面游标卡尺

70

切Φ27轴段退刀槽，车螺纹，倒角

CA6140

YT15

双面游标卡尺

80

铣左右边键槽

X51

Φ6立式铣刀

双面游标卡尺

90

精车Φ46轴段，Φ27轴段外圆

CA6140

YT15

双面游标卡尺

100

修研中心孔

110

磨削Φ36,Φ37,Φ27轴段各外圆

M131W

砂轮

双面游标卡尺

120

精磨左右两边Φ37轴段外圆

M131W

砂轮

双面游标卡尺

130

终检

双面游标卡尺

5.4热处理工序安排

（1）锻造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除锻造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。

（2）调制一般安排在粗车之后，半精车之前，以获得良好的物理力学性能。

（3）表面淬火一般安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。

（4）精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理。

传动轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。

对于传动轴，正火，调质和表面淬火用得较多。

该轴要求调制处理，并安排在粗车各外圆之后，半精车各外圆之前。

综合上述分析，传动轴的工艺路线如下：

下料——车两端面，钻中心孔——粗车——调制——修研中心孔——半精车——车槽，倒角，车螺纹——划键槽加工线——铣键槽——精车——修研中心孔——磨削——检验。

5.5轴类零件加工工艺规程注意点

  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，在制订机械加工工艺规程中，须注意以下几点：

（1）零件图工艺分析中，需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求，且要研究产品装配图，部件装配图及验收标准。

（2）渗碳件加工工艺路线一般为：

下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工（对不需提高硬度部分）→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。

（3）粗基准选择：

有非加工表面，应选非加工表面作为粗基准。

对所有表面都需加工的铸件轴，根据加工余量最小表面找正。

且选择平整光滑表面，让开浇口处。

选牢固可靠表面为粗基准，同时，粗基准不可重复使用。

（4）精基准选择：

要符合基准重合原则，尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。

符合基准统一原则。

尽可能在多数工序中用同一个定位基准。

尽可能使定位基准与测量基准重合。

选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。

5.6轴类零件加工的技术要求

（1）尺寸精度轴类零件的主要表面常为两类，一类是与轴承的内圈配合的外圆轴颈，即支承轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为IT5～IT7；另一类为与各类传动件配合的轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，通常为IT6~IT9。

（2）几何形状精度主要指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度。

其误差一般应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行规定其几何形状精度。

（3）相互位置精度包括内、外表面，重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等。

（4）表面粗糙度轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确定。

5.7轴类零件的热处理

（1）锻造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除锻造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。

（2）调质一般安排在粗车之后、半精车之前，以获得良好的物理力学性能。

（3）表面淬火一般安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。

（4）精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理。

六、机床设备和工艺装备的选用

6.1选择机床

根据传动轴的工艺特性，根据不同工艺选车床。

工序3，4，7是粗车和半精车，成批生产不需要很高的生产率，故选用普通卧式车床就可以，此选用CA6140。

铣床选用X51。

该零件磨削精度不高，选用一般的磨床即可，选用M131W。

6.2选用工艺设备

（1）选择夹具

该零件的加工工艺不需要专用夹具。

工艺装备采用通用夹具（三爪卡盘及顶尖）。

（2）选择刀具

刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一，不仅影响机床的加工效率，而且直接影响零件的加工质量。

应考虑以下方面：

（1）根据零件材料的切削性能选择刀具。

（2）根据零件的加工阶段选择刀具。

（3）根据加工区域的特点选择刀具和几何参数。

由于我们要加工的零件材料要求为45钢，根据要求，选择硬质合金刀。

（1）粗车外圆：

0190°外圆车刀

（2）精车外圆0270°外圆车刀

（3）端面：

0390°端面车刀

（4）打孔钻头：

04、05φ18、φ45高速钢钻

（5）内圆0690°内孔刀

（6）键槽073.0*13键槽铣刀3.0*13

粗车，半精车采用YT5，精车用YT15类车刀，铣刀采用直径为6mm的立式铣刀，切槽选用高速钢。

（3）选择量具

车削及键槽采用测量范围为0-400mm，规格为300*0.05的双面游标卡尺，磨削采用测量范围为25-50mm，读数值为0.01mm的外径千分尺。

七．工序加工余量的确定，工序尺寸及公差的计算

（1）对轴左端

外圆表面加工工艺路线为：

粗车——半精车——精车。

由工序20,40,70组成，查表可得各个工序余量：

精车余量为0.5mm,半精车余量为1.4mm，粗车余量为4.0mm。

总加工余量为5.9mm。

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Ra6.3µm。

精车前尺寸：

28+0.5=28.5mm

半精车前尺寸：

28.5+1.4=29.9mm

粗车前尺寸：

29.9+4.0=33.9mm

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IT7，其公差值T1=0.021mm。

半精车的经济精度公差等级IT9，其公差值T2=0.052mm。

粗车的经济精度公差等级为IT11，其公差值T3=0.13mm。

将上面的数据填入下表