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典型轴类零件的加工工艺
典
型
轴
类
零
件
的
加
工
工
艺
设
计
摘要
能通过运用机械制造工艺学课程中的基本理论以及在生产实习中学到实践知识,正确的解决一个零件在加工过程中的定位.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
本文选择了轴的加工工艺设计这一课题,主要阐述了对轴类零件的加工工艺过程,主要表现在从毛坯到成品的的过程它分为零件的热处理,大部分采用的是常见的四把火和调制处理.对典型的轴比如机床主轴、汽车半轴、内燃机曲轴、阶梯轴和CA6140主轴的热处理和加工工艺都有很明确的方案及选材。
对轴的加工工艺流程分为:
下料→锻造→正火→机械加工→调质→粗车—半精车—精车—粗磨—精磨—光整加工—终检。
对工件的装夹都采取一次性装夹满足基准重合和基准统一或者互为基准。
对不同的工件采取的加工工艺有所不同。
以上此法操作简便、工效提高、节省材料,能保证加工精度。
对它的工艺性能也有明显的提高和使用寿命长等优点。
关键词:
热处理工艺 轴加工工艺 轴的装夹定位
Abstract
Throughtheuseofmachinerymanufacturingtechnologycoursesinbasictheoryandpracticeintheproductionoflearnedpracticalknowledge,thecorrectsolutiontoapartinthepositioningprocess.Clampingandroutingprocess.Processtodetermineissuessuchassize,toensurethattheprocessingofpartsquality
Thisarticlehaschosenthedesignprocessoftheaxisofthesubject,themainshaftofthemachiningprocess,mainlyinthefinishedproductfromroughtodivideitintopartsoftheprocessofheattreatment,mostcommonlyusedisthefour-todealwithfireandmodulation.Forexample,atypicalmachinetoolspindleaxis,automotiveaxle,theinternalcombustionenginecrankshaft,steppedshaftandspindleCA6140processofheattreatmentandprocessingoftheprogramareveryclearandmaterialselection.
Processingprocessoftheaxisisdividedinto:
forging→→Cuttingmachiningnormalizing→→→Roughquenched-semi-refinedcar-Finish-coarsegrinding-Grinding-Finishing-theendoftheseizure.Clampingoftheworkpiececlampinghasbeentakentomeetthebenchmarkone-timeoverlapandcomplementeachotherortobenchmarkthebenchmarkreunification.Differentpartsoftheprocesstakentobedifferent.Abovethismethodissimple,toimproveworkefficiency,savingmaterials,canguaranteetheprocessingprecision.Theperformanceofitstechnologyhasimprovedandtheadvantagesoflonglife.
Keywords:
heattreatmentprocessprocessingshaftaxispositioningoftheclamping
目录
第一章前言1
第二章 轴类零件的分类和技术要求2
第一节轴类零件的功用与结构特点2
第二节 主要技术要求3
第三节 轴类零件的材料和毛坯3
第四节轴类零件的预加工4
第三章 典型主轴类零件加工工艺分析5
第一节 轴类零件加工的工艺路线5
第二节 轴类零件加工的定位基准和装夹5
第四章 轴类零件选材及工艺设计7
第一节 机床主轴7
第二节汽车半轴9
第三节 内燃机曲轴10
第四节 阶梯轴的加工工艺过程10
第五节 CA6140主轴加工工艺过程11
第五章 检 验17
第一节 加工中的检验17
第二节 加工后的检验17
结束语18
谢辞19
参考文献20
[1]邱宣怀.机械设计[M].北京:
高等教育出版社,1997..20
[2]范文慧谭建荣.基于图形单元技术的轴类零件的设计[J].机械设计200120
[3]西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械原理[M].北京:
高等教育出版社,198720
[4]机械设计手册编委会.机械设计册[M].北京:
接写工业出版社 200420
第一章前言
在机床、汽车、拖拉机等制造工业中,轴类零件是另一类用量很大,且占有相当重要地位的结构件。
轴类零件的主要作用是支承传动零件并传递动和动力,它们在工作时受多种应力的作用,因此从选材角度看,材料应有较高的综合机械性能.局部承受摩擦的部位如车床主轴的花键、曲轴轴颈等处,要求有一定的硬度,以提高其抗磨损能力。
要求以综合机械性能为主的一类结构零件的选材,还需根据其应力状态和负荷种类考虑材料的淬透性和抗疲劳性能。
实践证明,受交变应力的轴类零件、连杆螺栓等结构件,其损环形式不少是由于疲劳裂纹引起的。
轴类零件工艺结构的合理性、材料质量的稳定性,往往影响着整台设备的正常运转和使用寿命。
对那些已经损坏或产生了严重缺陷的轴类零件,不能只是盲目地更换,还应对其破坏的频率、原因进行跟踪分析,找出问题所在,从工艺或结构上进行改进,用以提高轴类零件的使用寿命和整台设备的机械性能。
第二章 轴类零件的分类和技术要求
第一节轴类零件的功用与结构特点
轴类零件主要用于支承传动零件(齿轮、带轮等),承受载荷、传递专矩及保证在轴
上零件的圆转精度。
根据轴的结构形状,轴的分类如下所示:
一、轴的分类
轴类零件按其结构形状的特点,可分为光轴、阶梯轴、空心轴和异形轴(包括曲轴、凸轮轴和偏心轴等)四类。
(图1)轴的种类
a)光轴b)空心轴c)半轴d)阶梯轴e)花键轴f)十字轴g)偏心轴
h)曲轴1)凸轮轴
若按轴的长度和直径的比例来分,又可分为刚性轴(L/d<12=和挠性轴(L/d>12)两类。
二、按承载分:
转轴、心轴、传动轴。
(一)转轴——工作中既承受弯矩又承受转矩的轴。
(二)心轴——工作中承受弯距而不传递转矩的轴(固定心轴、转动心轴)。
(三)传动轴——工作中只传递转矩而不承受弯矩或很小弯矩的轴。
三、按轴线形状分:
直轴、曲轴、钢丝软轴。
(一)直轴——轴心线为直线。
(二)曲轴——轴心线为曲线。
(三)钢丝软轴——轴心线柔软可变的曲线。
四、按轴的形状分:
光轴、阶梯轴、实轴、空心轴。
(一)光轴——外径相同的轴。
(二)阶梯轴——不同外径组成有台肩的轴。
(三)实心轴——轴心有材料。
(四)空心轴——轴心无材料。
五、按刚柔性分:
硬轴和软轴。
(一)硬轴——刚性轴。
(二)软轴——挠性轴。
根据轴的长度L与直径d之比,又可分为刚性轴(L/d≤12)和挠性轴(L/d>12)两种。
轴类零件通常由内外圆柱锥面、端面、台阶面、螺纹、键槽、花键、横向孔及沟槽等组成。
六、功用
为支承传动零件(齿轮、皮带轮等)、传动扭矩、承受载荷,以及保证装在主轴上的工件或刀具具有一定的回转精度。
第二节 主要技术要求
一、尺寸精度
轴颈是轴类零件的主要表面,它影响轴的回转精度及工作状态。
轴颈的直径精度根据其使用要求通常为IT6~9,精密轴颈可达IT5。
二、几何形状精度
轴颈的几何形状精度(圆度、圆柱度),一般应限制在直径公差点范围内。
对几何形状精度要求较高时,可在零件图上另行规定其允许的公差。
三、位置精度
主要是指装配传动件的配合轴颈相对于装配轴承的支承轴颈的同轴度,通常是用配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动来表示的;根据使用要求,规定高精度轴为0.001~0.005mm,而一般精度轴为0.01~0.03mm。
此外还有内外圆柱面的同轴度和轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。
四、表面粗糙度
根据零件的表面工作部位的不同,可有不同的表面粗糙度值,例如普通机床主轴支承轴颈的表面粗糙度为Ra0.16~0.63um,配合轴颈的表面粗糙度为Ra0.63~2.5um,随着机器运转速度的增大和精密程度的提高,轴类零件表面粗糙度值要求也将越来越小。
第三节 轴类零件的材料和毛坯
合理选用材料和规定热处理的技术要求,对提高轴类零件的强度和使用寿命有重要意义,同时,对轴的加工过程有极大的影响。
一、轴类零件的材料
一般轴类零件常用45钢,根据不同的工作条件采用不同的热处理规范(如正火、调质、淬火等),以获得一定的强度、韧性和耐磨性。
对中等精度而转速较高的轴类零件,可选用40Cr等合金钢。
这类钢经调质和表面淬火处理后,具有较高的综合力学件能。
精度较高的轴,有时还用轴承钢GCrls和弹簧钢65Mn等材料,它们通过调质和表面淬火处理后,具有更高耐磨性和耐疲劳性能。
对于高转速、重载荷等条件下工作的轴,可选用20CrMnTi、20MnZB、20Cr等低碳含金钢或38CrMoAIA氮化钢。
低碳合金钢经渗碳淬火处理后,具有很高的表面硬度、抗冲击韧性和心部强度,热处理变形却很小。
二、轴类零件的毛坯
轴类零件的毛坯最常用的是圆棒料和锻件,只有某些大型的、结构复杂的轴才采用铸件。
第四节轴类零件的预加工
轮类零件在切削加工之前,应对其毛坯进行预加工。
预加工包括校正、切断和切端面和钻中心孔。
一、校正
校正棒料毛坯在制造、运输和保管过程中产生的弯曲变形,以保证加工余量均匀及送料装夹的可靠。
校正可在各种压力机上进行。
二、切断
当采用棒料毛坯时,应在车削外圆前按所需长度切断。
切断叮在弓锯床上进行,高硬度棒料的切断可在带有薄片砂轮的切割机上进行。
三、切端面钻中心孔
中心孔是轴类零件加工最常用的定位基准面,为保证钻出的中心孔不偏斜,应先切端面后再钻中心孔。
四、荒车
如果轴的毛坯是向由锻件或大型铸件,则需要进行荒车加工,以减少毛坯外国表面的形状误差,使后续工序的加工余景均匀。
第三章 典型主轴类零件加工工艺分析
第一节 轴类零件加工的工艺路线
一、 基本加工路线
外圆加工的方法很多,基本加工路线可归纳为四条。
①粗车—半精车—精车
对于一般常用材料,这是外圆表面加工采用的最主要的工艺路线。
②粗车—半精车—粗磨—精磨
对于黑色金属材料,精度要求高和表面粗糙度值要求较小、零件需要淬硬时,其后续工序只能用磨削而采用的加工路线。
③粗车—半精车—精车—金刚石车
对于有色金属,用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度,因为有色金属一般比较软,容易堵塞沙粒间的空隙,因此其最终工序多用精车和金刚石车。
④粗车—半精—粗磨—精磨—光整加工
对于黑色金属材料的淬硬零件,精度要求高和表面粗糙度值要求很小,常用此加工路线。
二、典型加工工艺路线
轴类零件的主要加工表面是外圆表面,也还有常见的特特形表面,因此针对各种精度等级和表面粗糙度要求,按经济精度选择加工方法。
对普通精度的轴类零件加工,其典型的工艺路线如下:
毛坯及其热处理—预加工—车削外圆—铣键槽—(花键槽、沟槽)—热处理—磨削—终检。
三、 轴类零件的预加工
轴类零件的预加工是指加工的准备工序,即车削外圆之前的工艺。
校直毛坯在制造、运输和保管过程中,常会发生弯曲变形,为保证加工余量的均匀及装夹可靠,一般冷态下在各种压力机或校值机上进行校值。
第二节 轴类零件加工的定位基准和装夹
一、以工件的中心孔定位
在轴的加工中,零件各外圆表面,锥孔、螺纹表面的同轴度,端面对旋转轴线的垂直度是其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的中心线,若用两中心孔定位,符合基准重合的原则。
中心孔不仅是车削时的定为基准,也是其它加工工序的定位基准和检验基准,又符合基准统一原则。
当采用两中心孔定位时,还能够最大限度地在一次装夹中加工出多个外圆和端面。
三、以外圆和中心孔作为定位基准(一夹一顶)
用两中心孔定位虽然定心精度高,但刚性差,尤其是加工较重的工件时不够稳固,切削用量也不能太大。
粗加工时,为了提高零件的刚度,可采用轴的外圆表面和一中心孔作为定位基准来加工。
这种定位方法能承受较大的切削力矩,是轴类零件最常见的一种定位方法。
四、以两外圆表面作为定位基准
在加工空心轴的内孔时,(例如:
机床上莫氏锥度的内孔加工),不能采用中心孔作为定位基准,可用轴的两外圆表面作为定位基准。
当工件是机床主轴时,常以两支撑轴颈(装配基准)为定位基准,可保证锥孔相对支撑轴颈的同轴度要求,消除基准不重合而引起的误差。
五、以带有中心孔的锥堵作为定位基准
在加工空心轴的外圆表面时,往往还采用代中心孔的锥堵或锥套心轴作为定位基准,见图2所示。
锥堵或锥套心轴应具有较高的精度,锥堵和锥套心轴上的中心孔即是其本身制造的定位基准,又是空心轴外圆精加工的基准。
因此必须保证锥堵或锥套心轴上锥面与中心孔有较高的同轴度。
在装夹中应尽量减少锥堵的安装此书,减少重复安装误差。
实际生产中,锥堵安装后,中途加工一般不得拆下和更换,直至加工完毕。
(图2)锥堵和锥套心轴
a)锥堵b)锥套心轴
第四章 轴类零件选材及工艺设计
轴类零件的加工工艺因其用途、结构形状、技术要求、产量大小的不同而有差异。
而轴的工艺规程编制是生产中最常遇到的工艺工作。
一、轴类零件加工的主要问题
轴类零件加工的主要问题是如何保证各加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和主要表面之间的相互位置精度。
二、轴类零件加工的典型工艺路线如下:
毛坯及其热处理→预加工→车削外圆→铣键槽等→热处理→磨削
下面介绍以车床主轴、汽车半轴、内燃机曲轴 阶梯轴和CA6140主轴等典型零件为例进行分析。
第一节 机床主轴
一、在选选用机床主轴的材料和热处理工艺时,必须考虑以下几点
(一)受力的大小。
不同类型的机床,工作条件有很大差别,如高速机床和精密机床主轴的工作条件与重型机床主轴的工作条件相比,无论在弯曲或扭转疲劳特性方面差别都很大。
(二)轴承类型。
如在滑动轴承上工作时,轴颈需要有高的耐磨性。
(三)主轴的形状及其可能引起的热处理缺陷。
结构形状复杂的主轴在热处理时易变形甚至于开裂,因此在选材上应给予重视。
主轴是机床中主要进零件之一,其质量好坏直接影响机床的精度和寿命。
因此必须根据主轴的工作条件和性能要求,选择用钢和制定合理的冷热加工工艺。
二、机床主轴的工作条件和性能要求
(一)承受交变的弯曲应力与扭转应力,有时受到冲击载荷的作用;
(二)主轴大端内锥孔和锥度外圆,经常与卡盘、顶针有相对摩擦;
(三)花健部分经常有磕或相对滑动。
总之,该主轴是在滚动轴承中动转,承受中等负荷,转速中等,有装配精度要求,且受到一定的冲击力作用。
由此确定热处理技术条件如下:
(一)整体调质后硬度应为HB200~230,金相组织为回火索氏体;
(二)内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC45~50,表面3~5㎜内金相组织为回火屈氏体和少量回火马氏体;
(三)花键部分的硬度为HRC48~53,金相组同上。
三、选择用钢
C616车床属于中速、中负荷、在滚动轴承中工作的机床,因此选用45钢是可以的。
过去此主轴曾采用45钢经正火处理后使用;后来为了提高其强度和韧性,在粗车后又增加了调质工序。
而且调质状态的疲劳强度比正火为高,这对提高主轴抗疲劳性能也是很重要的。
表1为45钢正火和调质后的机械性能比较。
表1 45钢正火和调质后的机械性能
热处理
σb(MN/㎡)
σs(MN/㎡)
σ-1(MN/㎡)
调质
682
490
338
正火
600
340
260
四、主轴的工艺路线
下料→锻造→正火→粗加工(外圆留余4~5㎜)→调质→半精车外圆(留余2.5~3.5㎜),钻中心孔,精车外圆(留余0.6~0.7㎜,锥孔留余0.6~0.7㎜),铣键槽→局部淬火(锥孔及外锥体)→车定刀槽,粗磨外圆(留余0.4~0.5㎜),滚铣花键→花键淬火→精磨。
五、热处理工序的作用
正火处理是为了得到合适和硬度(HB170~230),以便于机械加工,同时改善锻造组织,为调质处理作准备。
调质处理是为了使主轴得到高的综合机械性能和疲劳强度。
调质后硬度后硬度为HB200~230,组织为回火索氏体。
为了更好的发挥调质效果,将调质安排在粗加工后进行。
内锥孔和外圆锥面部分经盐浴局部淬火和回火后得到所要求的硬度,以保证装配精度和不易磨损。
六、热处理工艺
调质淬火时由于主轴各部分的直径不同,应注意谈天问题。
调质后的变形虽然可以通过校直来修正,但校直时的附加应力对主轴精加工后的尺寸稳定性是不利的。
为减小变形,应注意淬火操作方法。
可采取预冷淬火和控制水中冷水机却时间来减小变形。
花键部分可用高频淬火以减小变形和达到硬度要求。
经淬火后的内锥孔和外圆锥面部分需经260~300℃回火,花键部分需经240~260℃回火,以消除淬火应力并达到规定的硬度值。
也有用球墨铸铁制造机床主轴的,如某厂用球墨铸铁的主轴淬火后硬度为HRC52~58,且变形量比45钢为小.
第二节汽车半轴
汽车半轴是驱动车轮转动的直接驱动件。
半轴材料与其工作条件有关,中型载重汽车目前选用40Cr钢,而重型载汽车则选用性能更高的40CrMnMo钢。
一、汽车半轴的工作条件和性能
一般载重汽车(载重量为2500kg)的半轴为例汽车半轴是传递扭矩的一个重要部件。
汽车运行时,发动机输出的扭矩,经过多级变速和主动器传递给半轴,再由半轴传动车轮。
在上坡或启动时,扭矩很大,特别在紧急制动或行驶在不平坦的道路上,工作条件更为繁重。
因此半轴在工作时承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用,要求材料有足够的抗弯强度和较好的韧性。
热处理技术条件:
硬度:
杆部HRC37~44;
盘部外圆HRC24~34。
金相组织:
回火索氏体或回火屈氏体。
弯曲度:
杆中部≯1.8㎜,盘都跳动≯2.00㎜。
二、选择用钢
根据JB529-64汽车半轴技术条件规定,半轴材料可选用40Cr、40CrMo、40CrMnMo钢。
同时规定调质后的半轴其金相组织淬透层应呈回火索氏体或回火屈氏体,心部(从中心到花键底半径四分之三范围内)允许有铁素体存在。
根据上述技术条件,选用40Cr钢能满足要求。
同时应指出,从汽车的整体性能来看,设计半轴时所采取的安全系数是比较小的。
这是考虑到汽车超载运行而发生事故时,半轴首先破坏对保护后桥内的主动齿轮不受损坏是有利的。
从这一点出发,半轴又是一个易损件。
三、半轴的工艺路线
下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键
(一)、热处理工艺分析锻造后正火,硬度为HB187~241。
调质处理是使半轴具有高的综合机械性能。
淬火后的回火温度,根据杆部要求硬度HRC37~44,选用420±10℃回火。
回火后在水中冷却,以防止产生回火脆性。
同时水冷有利于增加半轴表面的压应力,提高其疲劳强度。
第三节 内燃机曲轴
曲轴是内燃机中形状复杂而又重要的零件之一。
它在工作时受到内燃机周期性变化着的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力以及冲击力等的作用。
在高速内燃机中曲轴还受到扭转振动的影响,会造成很大的应力。
因此,对曲轴的性能要求是保证有高的强度,一定的冲击韧性和弯曲、扭转疲劳强度,在轴颈处要求有高的硬度和耐度磨性。
一、选择用钢
一般以静力强度(σs、σb、ψ、δ)和冲击韧性作为曲轴的设计指标,并考疲劳强度。
内燃机曲轴材料的选择主要决定于内燃机的使用情况、功率大小、转速高低以及轴瓦材料等。
第四节 阶梯轴的加工工艺过程
图3所示为一蜗杆轴,材料选用40Cr钢,表2所示为蜗杆轴的加工工艺过程,产批量属于小批量生产。
(图3) 蜗杆轴
该轴φ20j6,φ17k5两外圆表面为支撑轴颈;锥体部分是装配离合器的表面;M18×1处装配圆螺母来固定轴承的轴向位置。
根据外形结构其毛坯选用φ50mm的圆钢(棒料),在锯床上按240mm长度下料。
表2 蜗杆轴加工工艺过程
序号
工序
名称
工序内容
定位基准
序号
工序
名称
工序内容
定位基准
1
车削
车端面
钻中心孔
粗车左边各外圆,留余量2-3mm,长度上留余量1mm
掉头车右端面到238mm,钻中心孔
粗车右边各外圆,留余量2-3mm
粗车蜗杆螺旋部分,留余量
外圆
外圆及中心孔
外圆及中心孔
外圆及中心孔
外圆及中心孔
3
车削
修研中心孔
精车φ22mm到尺寸,φ17mm留余量0.2mm车退刀槽及卡圈槽,倒角
掉头精车左侧各外圆到φ26mm、φ20.2mm、φ18mm、φ16mm及φ14mm。
车退刀槽,倒角
精车蜗杆螺纹,留磨削余量0.1mm。
精车锥面,留余量0.2mm。
车螺纹M18×1、M12
两中心孔
两中心孔
两中心孔
2
热处理
调质处理
4
热处理
淬火
5
磨削
修研中心孔,磨φ17k5、φ20j6外圆及锥面到尺寸,磨蜗杆螺纹到尺寸
两中心孔
第五节 CA6140主轴加工工艺过程
一、CA6140主轴技术条件的分析
(一)、支承轴颈的技术要求
主轴两支承轴颈的圆度允差0.005毫米,径向跳动允差0.005毫米,两支承轴颈的1:
12锥面接触率>70%,表面粗糙度Ra0.4um。
支承轴颈直径按IT5-7级精度制造。
主轴外圆的圆度要求,对于一般精度的机床,其允差通常不超过尺寸公差的50%,对于提高精度的机床,则不超过25%,对于高精度的机床,则应在5~10%之间。
(二)、锥孔的技术要求
主轴锥孔对支承轴颈的跳动,近轴端允差0.005mm,离轴端300mm处允差0.01毫米,锥面的接触率>70%,表面粗糙度Ra0.4um,硬度要求HRC48。
(三)、短锥的技术要求
短锥对主轴支承轴颈
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- 关 键 词:
- 典型 零件 加工 工艺