毕业设计（论文）-传动轴零件加工工艺及铣键槽夹具设计

重庆大学网络教育学院毕业论文1.引言轴类零件的加工工艺及键槽的夹具设计是制造这类零件的两个基本要素，充分理解和掌握轴类零件加工工艺是提高制造能力和工艺水平的关键，同时配合优良的夹具设计来达到现代机械制造业要求的高效率、高品质的目的。全套图纸加扣 3346389411或30122505822.传动轴生产类型由题目知：年产量为30000件，备品率为3%，废品率为2%，Q=30000件/年，m=1件/台，备品率a%和废品率b%分别为3%和2%。代入公式： N=Qm(1+a%)(1+b%)得： N=30000(1+3%)(1+2%) =31518件/年该传动轴的重量约为0.58KG，查表可得，传动轴属轻型零件，生产类型为大批量生产。表1 不同机械产品的零件质量型别表机械产品类别加工零件的质量/kg轻型零件中型零件重型零件电子工业机械30机床50重型机械2000表2 各种生产类型的规范生产类型零件的年生产纲领/（台/年或件/年）轻型机械中型机械重型机械单件生产100205小批生产100500202005100中批生产5005000200500100300大批生产50005000050050003001000大量生产500000500010003传动轴零件分析3.1零件用途分析轴是组成机器零件的主要零件之一。一切做回转运动的传动零件（例如：齿轮，蜗轮等）都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要用途是支撑回转零件和传递运动和动力。跟据轴线形状的不同可分为直轴、曲轴、挠性轴。按照承受载荷的不同又可分为转轴，心轴，和传动轴三类。工作中，既承受弯矩又承受转矩的称为转轴，这类轴在各种机器中最为常见，只承受弯矩而不承受转矩的称为心轴，心轴又分为回转心轴和静止心轴两种，只能承受转矩而不承受弯矩的称为传动轴。传动轴在各种机械和传动系统中广泛使用，用来传递动力。在工作过程中主要承受交变扭转负荷或有冲击，因此该零件应具有足够的强度、刚度和韧性，以适应其工作条件。3.2零件技术要求 零件图如下图1所示，其主要加工表面技术要求见表3图1 传动轴零件图表3 传动轴零件技术要求表加工表面尺寸及偏差/mm公差/mm及精度等级表面粗糙度/m形位公差/mm传动轴两端面160无无无M轴外圆面 +0 24 -0.021IT7Ra1.6无N轴肩左端面40无无无N轴肩外圆面 +0.023 25 +0.002IT7Ra1.6无O轴肩左端面72无无无O轴外圆面28无Ra1.6无O轴肩右端面76无无无P轴外圆面 +0.023 25 +0.002IT7Ra1.6无P轴肩右端面 115无无无Q轴外圆面 +0 24 -0.021IT7Ra1.6无传动轴零件形状为较简单的阶梯轴，由图可知其各个外圆表面精度等级和表面粗糙度求不高，并且传动轴没有形位误差要求。为了在工作过程中承受交变扭转负荷和冲击，传动轴需要有良好的力学综合性能，一般要对其进行调质处理。3.3热处理分析因以锻件为毛坯，为改善锻造过程中所造成的粗大晶粒，消除加工硬化，残余应力和改善切削加工性能，故毛坯在车削加工前需要先正火。待粗加工完成后，零件再经调质200230HBS来满足设计要求（将淬火和高温回火相结合的热处理称为调质）。3.4零件表面加工方法的选择传动轴的加工面有外圆、端面、键槽、退刀槽。从传动轴技术要求分析，本传动轴仅外圆面有精度要求和表面粗糙度要求，且要求不高。常用外圆表面加工方法如下表4所示。表4 外圆表面加工方法加工方法经济加工精度等级（IT）表面粗糙度Ra/m粗车11125012.5半精车8106.33.2精车671.60.8磨削670.80.4常用键槽表面加工方法如下表5所示。表5键槽加工方法加工方案经济加工精度等级（IT）表面粗糙度Ra铣111212.5因此本传动轴采用车削加工即可满足加工精度等级IT7及表面粗糙度要求。4. 选择毛坯4.1传动轴毛坯材料题目已选定材料为45，45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜且经过调质（或正火）后可以得到较好的切削加工性能，而且能获得较高的强度、刚度和韧性等综合机械性能。4.2毛坯制造方法由于该传动轴在工作过程中要承受交变负荷和冲击，为增强其强度和冲击韧度，获得纤维组织，故毛坯宜选用锻件，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。由于生产类型为大批量生产，故采用模锻的方法来制造毛坯。4.3毛坯设计如下图2为传动轴毛坯图。机械加工前模锻毛坯的质量为0.86KG。图2 传动轴毛坯图4.4毛坯加工余量分析毛坯加工信息量如下表4所示。表6 传动轴毛坯加工余量表加工表面工序名称加工余量工序尺寸尺寸公差表面粗糙度（m）24精车0.124h7Ra1.6m半精车0.424.2h9(+0/-0.052)Ra6.3m粗车225Ra12.5m毛坯2925精车0.125k7Ra1.6m半精车0.425.2k9(+0.052/-0)Ra6.3m粗车1.526Ra12.5m毛坯2928半精车0.528Ra6.3m粗车1.529Ra12.5m毛坯325.工艺规程设计5.1定位基准的选择定位基准有粗基准和精基准之分，通常先确定精基准，然后再确定粗基准。5.1.1精基准的选择根据传动轴零件图的设计意图和精基准的选择原则要求定位基准与设计基准相重合，这里选择传动轴的两端面中心孔作为定位基准，这样可以方便的加工各个轴肩端面和各外圆表面，而且能保证加工轴肩面相对于中心轴线的圆跳动误差，保证加工轴线相对于中心轴线的同轴度误差。在加工键槽时需改变定位基准，根据设计要求选择左右两个端面作为定位基准加工键槽。 5.1.2粗基准的选择一般先选择外圆表面作为粗基准，先加工出一个端面和端面的中心孔，然后再以加工出的端面定位加工另一个端面和其中心孔，而不是用外圆表面定位把两个端面同时加工出来，这样加工可以保证两端面中心线的同轴度，并为后续的精加工做好准备。5.2零件表面加工方法的选择根据传动轴零件上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，确定加工件各表面的加工方法如下表：表7 传动轴各表面加工方案加工表面尺寸精度等级表面粗糙度/m加工方法传动轴两端面无无粗车M轴外圆面IT7Ra1.6粗车-半精车-精车N轴肩左端面无无粗车N轴肩外圆面IT7Ra1.6粗车-半精车-精车O轴肩左端面无无粗车O轴外圆面无Ra1.6粗车-半精车-精车O轴肩右端面无无粗车P轴外圆面IT7Ra1.6粗车-半精车-精车P轴肩右端面无无粗车Q轴外圆面IT7Ra1.6粗车-半精车-精车5.3加工顺序的安排 工工艺路线为：下料锻造正火粗加工调质半精加工淬火精加工铣槽去毛刺清洗检验。5.4工艺路线该轴为阶梯轴，为了提高毛胚生产效率，需要对毛胚进行简化，但是这会使后面的切削加工余量增大，使车削过程中产生大量的切削热，从而引起残余应力重新分布而变形。因此，安排工序时需要将加工过程分为以下阶段。5.4.1粗加工阶段粗加工阶段主要是去除各加工表面的余量，并做出精基准。包括粗车外圆，钻中心孔。5.4.1.1粗车两端面，钻中心孔为精基面作好准备，使后续工序定位精准，从而保证其他加工表面的形状和位置要求。5.4.1.2粗车阶梯轴外圆，使此时毛坯的形状接近工件的最终形状和尺寸，只留下适当的加工余量。5.4.1.3切出退刀槽。5.4.2半精加工阶段半精加工阶段的任务是减小粗加工留下的误差，使加工表面达到一定的精度，为精加工做好准备。包括主轴各处外圆和修研中心孔。5.4.3精加工阶段精加工阶段的任务是确保达到图纸规定的精度要求和表面粗糙度要求。它包括对表面粗糙度要求较高的外圆面M、N、P和Q面的精车加工，然后铣槽。5.5 机床设备的选用由于该轴生产类型为大批量生产，为提高生产效率及确保品质的稳定性，故采用沈阳一机数控车床CAK6140来加工外圆及各端，该机床最大功率7.5KW，主轴转速范围150-2400rpm，加工精度IT6-IT7。图3数控车床CAK6140 键槽的加工采用台湾邁鑫立式加工中心CNC VH-610，其最大功率7.5KW，定位精密：0.005mm300mm，重复精度：0.003mm，主轴转速8000rpm，FANUC数控系统。图4立式加工中心VH-6105.6 刀具的选择选用车刀时，车端面选用硬质合金YT5主偏角45端面车刀，粗车、半精车及精车外圆时选用YT15主偏角90偏刀，退刀槽选用YT5切槽刀，铣键槽选用YT15圆柱键槽铣刀。5.7 传动轴工艺过程卡片跟据上述加工工艺过程，其加工工艺过程卡片如表8：表8 加工工艺过程卡片机械加工工艺过程卡片轴类阶梯轴零件名称传动轴材料牌号45毛坯种类锻造毛坯外形尺寸164mm32 mm工序号工序名称工序内容设备刀具量具1锻造毛坯锻造毛坯模锻锤/2热处理正火处理热处理炉/3粗车、钻孔粗车传动轴两端面并在两端面钻中心孔CAK614045刀钻头游标卡尺4粗车粗车各轴肩端面及传动轴各外圆表面CAK614090刀游标卡尺5热处理调质处理 200230HBS热处理炉/布氏硬度计6研修研修中心孔钳工台麻花钻游标卡尺7半精车半精车M、N、O、P、Q轴外圆面及各轴肩端面CAK614090刀游标卡尺、外圆千分尺8车退刀槽在O左右端面车出退刀槽CAK6140切槽刀游标卡尺9精车精车M、N、P、Q外圆表面至尺寸CAK614090刀游标卡尺、外圆千分尺10铣槽在M、Q面上铣槽至规定尺寸VH-610键槽铣刀游标卡尺11去毛刺去除各锐利毛边毛刺钳工台平锉/12清洗去除零件加工过程中的污物清洗机/13终检检查传动轴零件外观及尺寸检验台/游标卡尺、外圆千分尺重庆大学网络教育学院设计（日期）校对（日期）审核（日期）标准化（日期）张小波5.8 机械加工工序卡片跟据上述加工工艺过程，其机械加工工序卡片如表9：表9 机械加工工序卡片重庆大学网络教育学院产品名称/零件图号/零件名称传动轴车间机加机械加工工序卡片夹具编号/使用设备/工步号工步内容工艺设备刀具主轴转速切削速度进给量背吃刀量工装r/minm/minmm/rmm1粗车两端面并在两端面钻中心孔CAK614045端面车刀50045.530.2/三抓卡盘2粗车轴肩端面及各外圆表面CAK614090偏刀60054.640.3/一夹一顶3半精车M、N、O、P、Q轴外圆面及各轴肩端面CAK614090偏刀700/0.2/一夹一顶4车退刀槽CAK6140切槽刀50039.250.1/一夹一顶5精车M、N、P、Q外圆表面至尺寸CAK614090偏刀1000/0.10.1一夹一顶6在M、Q面上铣槽至规定尺寸VH-610键槽铣刀1200300.08/专用夹具备注：部分参数因加工对像而没能统一填入此表格，请参考下面各工步计算过程。各工步加工时间计算工步1 车两端面毛坯两端外圆直径29，需要切削深度是直径的1/2，为14.5mm。进给量f=0.2mm/r进给速度Vf=fn=0.2x500=100mm/min加工时间Tm=L/vf=14.5/100=0.145min则车左右端面共用时间为2x0.145=0.29min工步2 粗车各轴肩端面及传动轴各外圆表面粗车24左右两端总长L=40+45=85mm的加工时间，从毛坯29加工到25，背吃刀量2mm切削速度：Vc=dn/1000=3.14X29X600/1000=54.64m/min进给量取f=0.3mm/r进给速度Vf=fn=0.3x600=180mm/min加工时间tm=L/Vf=85/180=0.472min粗车25左右两端总长L=32+39=71 mm的加工时间，从毛坯29加工到26，背吃刀量1.5mm切削速度：Vc=dn/1000=3.14X29X600/1000=54.64m/min进给量取f=0.3mm/r进给速度Vf=fn=0.3x600=180mm/min加工时间tm=L/Vf=71/180=0.394min粗车28总长L=4mm的加工时间，从毛坯32加工到29，背吃刀量1.5mm切削速度：Vc=dn/1000=3.14X32X600/1000=60.29m/min进给量取f=0.3mm/r进给速度Vf=fn=0.3x600=180mm/min加工时间Tm=L/Vf=4/180=0.022min工步3 半精车各外圆表面半精车24左右两端总长L=40+45=85 mm的加工时间，从粗车后的尺寸25加工到24.2，背吃刀量0.4mm切削速度：Vc=dn/1000=3.14X25X700/1000=54.95m/min进给量取f=0.2mm/r进给速度Vf=fn=0.2x700=140mm/min加工时间tm=L/Vf=85/140=0.607min半精车25左右两端总长L=32+39=71 mm的加工时间，从粗车后的尺寸26加工到25.2，背吃刀量0.4mm切削速度：Vc=dn/1000=3.14X26X700/1000=57.148m/min进给量取f=0.2mm/r进给速度Vf=fn=0.2x700=140mm/min加工时间tm=L/Vf=71/140=0.507min半精车28总长L=4mm的加工时间，从粗车后的尺寸29加工到28，背吃刀量0.5mm切削速度：Vc=dn/1000=3.14X29X700/1000=63.742m/min进给量取f=0.2mm/r进给速度Vf=fn=0.2x700=140mm/min加工时间tm=L/Vf=4/140=0.029min工步4 车退刀槽半精加工后的外圆直径为25，切槽1mm深。进给量f=0.1mm/r进给速度Vf=fn=0.1x500=50mm/min加工时间Tm=L/vf=1/50=0.02min则切左右2个退刀槽共用时间为2x0.02=0.04min工步5 精车外圆精车24左右两端总长L=40+45=85 mm的加工时间，从半精车后的尺寸24.2加工到24，背吃刀量0.1mm切削速度：Vc=dn/1000=3.14X24.2X1000/1000=75.988m/min进给量取f=0.1mm/r进给速度Vf=fn=0.1x1000=100mm/min加工时间tm=L/Vf=85/100=0.85min精车25左右两端总长L=32+39=71 mm的加工时间，从半精车后的尺寸25.2加工到25，背吃刀量0.1mm切削速度：Vc=dn/1000=3.14X25.2X1000/1000=79.128m/min进给量取f=0.1mm/r进给速度Vf=fn=0.1x1000=100mm/min则加工时间tm=L/Vf=71/100=0.71min工步6 铣键槽轴M、Q外圆面上键槽尺寸为84，加工余量4mm，故一次走刀完成。左右2个键槽总长度尺寸L=26+31=57 mm刀具选YT15铣刀，d=8mm ,z=2，参考机床切削范围Vc取30m/minVc=dn/1000算得机床转速：n=1000*30/3.14*8=1194(r/min)，n取1200 r/min, fz取0.08mm/zVf=fn=fzzn每分钟进给量：Vf=0.08*2*1200=192(mm/min)。加工时间：tm=57/192=0.297(min)。机械加工时间总共为：tm=0.29+0.472+0.394+0.022+0.607+0.507+0.029+0.04+0.85+0.71+0.297=3.92min6. 键槽加工用夹具设计6.1夹具的目的和作用工件如何准确的装夹在机床上？如何保证同一批次的每个工作被装夹在相同的位置？夹具的实质是在机床上对工件进行定位和夹紧，其目的是通过定位和夹紧使工件在加工过程中始终保持正确的加工位置。夹具的作用表现在以下几个方面。6.1.1提高生产率 机床夹具能快速地将工件定位和夹紧，可以减少辅助时间，提高生产效率。尤其对于大批量零件的加工制造，优良的夹具是提高生产效率的前提和保证。6.1.2确保并稳定加工精度，保证产品质量 加工过程中，工件与刀具的相对位置容易得到保证，并且装夹过程中不受各种主观因素的影响，因而工件的加工精度稳定可靠。 6.1.3降低对操作工人的技术要求和工人的劳动强度 由于多数专用夹具的夹紧装置只需工人操纵扳手即可实现对工件的夹紧，这在相当大程度上降低了工人的工作强度、同时夹具的使用可以节省每次装夹工件时找正和调整工件的时间与难度。6.2.夹具的设计6.2.1定位基准的选择由零件工艺分析可知，轴键槽与轴外圆表面虽然没有对称度要求，但我们也应尽量提高其制造精度。加工键槽时零件外圆已经完成精车，故以零件外圆柱表面为定位基准。为了简化夹具的结构，方便操作，这里采用手动夹紧。6.2.2夹具定位元件工件以外圆柱面作为定位基准时，根据外圆柱面的完整程度，加工要求及安装方式，可以在V形块，定位套，半圆套及圆锥套中定位。本夹具是用来加工传动轴零件的外键槽，这里选用V形块作为定位元件，V形块对中性好，可以使工件的定位基准轴线对中在V形块两斜面的对称面上，不会发生偏移而且安装方便，应用范围广泛，不论定位基准是否经过加工，不论是否完整，都可以采用V形块定位。V形块上两斜面间的夹角一般选用60，90，和120。随着V形块的夹角的增大，其定位误差减小，但夹角过大时，则工件需要更大的夹紧力，不然会引起工件定位不稳定，综合两方面考虑选择90的V形块。本夹具采用的定位结构如图5所示，其中视图A是V形定位结构。本夹具设计有2个凸起的定位块，如图5中视图B所示。该定位块用来将夹具体定位于数控铣床的T形槽上，然后用6个M10螺栓紧固于铣床T形台上。图5夹具底座零件图6.2.3夹具导向及防误操作机构本夹具设计具有如下图6所示的导向机构及防误操作机构，装夹时先将工件左端顶住V形块左挡块，右端用力按压工件即可保证正确定位。如工件装夹方向弄错，则工件中间部分最大外圆柱面会与基座V形块斜面干涉，导致其不能正确入位，如图7所示。图6夹具导向机构图7工件反向装夹6.2.4夹具夹紧机构夹紧机构常用的有斜楔，螺旋，偏心等夹紧机构，它们都是根据斜面加紧原理来实现夹紧工作的。但本工序采用数控铣床加工，考虑到切削力的方向变化不断，加工时极易产生振动等因素，不建议采用偏心夹紧机构，而采用螺栓铰链压板组合夹紧机构，如图8所示。工件需要用压板来将其固定在V形块上，夹紧力过小会使夹紧不可靠；过大会使夹紧变形增大，因此，有必要确定一个恰当的夹紧力。由于切削力本身在加工过程中是受到切削用量、工件材料、刀具等多种因素影响，并且这些影响因素又是变化的，所以夹紧力大小的计算是一个很复杂的问题，实际上常常通过工艺实验来确定夹紧力的大小。图8夹具结构3D视图本夹具可以同时装夹2个工件，用六角扳手即可方便装卸零件。若将多套夹具同时固定在机床的T形台上，则可以一次性加工多个工件。6.3夹具装配图的绘制因生产类型为大批量生产，故设计夹具时除要考虑保证工件制造精度外，还要考虑如何提高生产效率。其设计如图9所示。图9夹具爆炸图6.4夹具的对刀夹具在机床上安装完毕，在进行加工之前，还需进行夹具的对刀，使刀具相对夹具定位元件处于正确位置。对刀的方法通常有三种：试切法；调整法；用样件或对刀装置对刀。试切法对刀会在工件上留下刀痕，并且操作繁琐；调整法对刀虽然不会留下刀痕，但操作起来仍然不方便。故这里采用方便的光电寻边器对刀。7夹具的精度核校工件的外圆柱面在90度V形块上定位时，若不考虑V形块的制造误差，则工件定位基准在V形块的对称面上，因此工件中心线在水平方向上的位移为零。在垂直方向上，因工件外圆有制造误差会产生基准位移。工件精加工后外圆直径为25mm，其上偏差为+0.023mm，下偏差为+0.002mm；则基准位移误差=0.707X0.021=0.015 mm工序基准选在尺寸上线或是下线时，工序基准与定位基准不重合，其误差值为准不重合误差=0.021/2=0.011 mm工序基准选在下母线时，其定位误差最小。其值为：定位误差=基准位移误差-基准不重合误差=0.015-0.011=0.04mm；已知键槽的深度方向尺寸为20mm，图上未标注公差，说明该工件对键槽深度尺寸要求不高，故满足要求。参考文献：【1】机械制造工艺与装备课程设计指导书，倪森寿【2】机床夹具图册，机械工业出版社【3】现代机械设备设计手册，机械工业出版社【4】机械工程手册，机械工业出版社【5】机床夹具设计，机械工业出版社21