蜗杆零件的加工工艺综合及专业夹具设计 毕业论文.doc

1 目目 录录 摘要摘要1 1 0 0 文献综述文献综述3 3 0.1 蜗杆传动简介 .3 0.2 蜗杆传动特点 3 0.3 蜗杆传动类型 3 1 1 引言引言3 3 1.1 蜗杆轴类零件的功用与结构 .4 2 2 蜗杆轴类零件的技术要求蜗杆轴类零件的技术要求4 4 2.1 加工精度 .4 2.2 表面粗糙度 .5 3 3 蜗杆轴类零件的材料和毛坯蜗杆轴类零件的材料和毛坯5 5 3.1 蜗杆轴类零件的材料 .5 3.2 蜗杆轴类零件的毛坯 .5 3.2.1 蜗杆轴加工的工艺分析 .6 4 4 蜗杆轴加工的工艺路线蜗杆轴加工的工艺路线7 7 4.1 基本加工路线 .7 4.2 典型加工工艺路线 .7 4.3 蜗杆轴的加工工艺过程 .8 4.3.1 外圆表面的加工方法和加工精度 .8 4.3.2 外圆表面的车削加工 .9 4.3.3 外圆表面的磨削加工 10 4.3.4 外圆表面的光整加工 12 4.3.5 蜗杆轴的加工工总结 16 2 5 5 专用夹具的基本要求和设计步骤专用夹具的基本要求和设计步骤1717 5.1 对专用夹具的基本要求 17 5.2 专用夹具设计步骤 18 5.3 夹具体的设计 19 5.3.1 对夹具体的要求 19 5.3.2 夹具体毛坯的类型 20 5.3.3 专用夹具设计示例 20 5.4 夹具总图上尺寸、公差和技术要求的标注 22 5.4.1 夹具总图上应标注的尺寸和公差 22 5.4.2 夹具总图上应标注的技术要求 23 5.4.3 夹具总图上公差值的确定 23 5.5 工件在夹具上加工厂的精度分析 24 5.5.1 影响加工精度的因素 24 5.5.2 保证加工精度的条件 26 5.5.3 在钢套上钻 5mm 孔的加工精度计算 .27 5.6 夹具的经济分析 .27 5.6.1 经济分析的原始数据 .27 5.6.2 经济分析的计算步骤 28 5.6.3 经济分析举例 28 6 6 结论结论3131 参考文献参考文献3232 附录附录3333 致致 谢谢3838 1 蜗杆零件工艺综合及专用夹具设计蜗杆零件工艺综合及专用夹具设计 摘要：本论文主要阐述蜗杆零件工艺的指设计方法和专用夹具的设计，蜗杆是只具有一个 或几个螺旋齿，并且与蜗轮啮合而组成交错轴齿轮副的齿轮。其分度曲面可以是圆柱面， 圆锥面或圆环面。在论文中首先简单简述了蜗杆的设计，再以 kcsj-12 为例详细讲述就设 计蜗杆的步骤、要求、及注意事项。最后以铣槽为设计了夹具。 目前在蜗杆零件的设计、制造以及应用上，国内与国外先进水平相比仍有较大的差距。 国内在设计制造蜗杆零件过程中存在着很大程度上的缺点，正如论文中揭示的那样，重要 的问题如：齿轮的根切、蜗杆毛坯的正确设计、蜗轮蜗杆的校核，专一的夹具设计等。有 待于更好的探讨与发展。 关键词：蜗杆零件；圆锥面或圆环面；毛坯；校核。 2 0 0 文献综述文献综述 0.10.1 蜗蜗杆杆传传动动简简介介 蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右 旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称 为单头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称 为双头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿。 0 0. .2 2 蜗蜗杆杆传传动动特特点点 1.传动比大，结构紧凑。蜗杆头数用 z1 表示（一般 z1=14），蜗轮齿 数用 z2 表示。从传动比公式 i=z2/z1 可以看出，当 z1=1，即蜗杆为单头， 蜗杆须转 z2 转蜗轮才转一转，因而可得到很大传动比，一般在动力传动中， 取传动比 i=10-80；在分度机构中， i 可达 1000。这样大的传动比如用 齿轮 传动，则需要采取多级传动才行，所以蜗杆传动结构紧凑，体积小、重量轻。 2.传动平稳，无噪音。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿 啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳， 冲击、震动、噪音小。 3.具有自锁性。蜗杆的螺旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗 轮不能带动蜗杆转动。 4.蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。尤其是具有 自锁性的蜗杆传动，其效率在 0.5 以下，一般效率只有 0.70.9。 5.发热量大，齿面容易磨损，成本高。 0 0. .3 3 蜗蜗杆杆传传动动类类型型 按蜗杆形状的不同可分： 1圆柱蜗杆传动 2环面蜗杆传动 3锥 蜗杆传动 3 1 1 引言引言 1.11.1 蜗杆轴类零件的功用与结构蜗杆轴类零件的功用与结构 蜗杆轴是组成机械的重要零件，也是机械加工中常见的典型零件之一。它支撑 着其它转动件回转并传递扭矩，同时又通过轴承与机器的机架连接。 蜗杆轴类零件是旋转零件，其长度大于直径，由外圆柱面、圆锥面、内孔、 螺纹及相应端面所组成。加工表面通常除了内外圆表面、圆锥面、螺纹、端面 外，还有花键、键槽、横向孔、沟槽等。 根据功用和结构形状，蜗杆轴类有多种形式，如光轴、空心轴、半轴、阶 梯轴、花键轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴等。 2 2 蜗杆轴类零件的技术要求蜗杆轴类零件的技术要求 2.12.1 加工精度加工精度 1)尺寸精度：蜗杆轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺 寸精度。按使用要求，主要轴颈直径尺寸精度通常为 it6-it9 级，精密的轴颈 也可达 it5 级。轴长尺寸通常规定为公称尺寸，对于阶梯轴的各台阶长度按使 用要求可相应给定公差。 2)几何精度：蜗杆轴类零件一般是用两个轴颈支撑在轴承上，这两个轴颈 称为支撑轴颈，也是轴的装配基准。除了尺寸精度外，一般还对支撑轴颈的几 何精度（圆度、圆柱度）提出要求。对于一般精度的轴颈，几何形状误差应限 制在直径公差范围内，要求高时，应在零件图样上另行规定其允许的公差值。 3)相互位置精度 蜗杆轴类零件中的配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对 于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。通常普通精度的轴，配 合精度对支撑轴颈的径向圆跳动一般为 0.01-0.03mm，高精度轴为 0.001- 0.005mm。此外，相互位置精度还有内外圆柱面的同轴度，轴向定位端面与轴心 线的垂直度要求等。 2.22.2 表面粗糙度表面粗糙度 根据机械的精密程度，运转速度的高低，轴类零件表面粗糙度要求也不相 4 同。一般情况下，支撑轴颈的表面粗糙度 ra 值为 0.63-0.16 m ；配合轴颈 的表面粗糙度 ra 值为 2.5-0.63m 3 3 蜗杆轴类零件的材料和毛坯蜗杆轴类零件的材料和毛坯 3.13.1 蜗杆轴类零件的材料蜗杆轴类零件的材料 蜗杆轴类零件材料的选取，主要根据轴的强度、刚度、耐磨性以及制造工 艺性而决定，力求经济合理。 常用的蜗杆轴类零件材料有 35、45、50 优质碳素钢，以 45 钢应用最为广 泛。对于受载荷较小或不太重要的轴也可用 q235、q255 等普通碳素钢。 对于受力较大，轴向尺寸、重量受限制或者某些有特殊要求的可采用合金 钢。如 40cr 合金钢可用于中等精度，转速较高的工作场合，该材料经调质处理 后具有较好的综合力学性能；选用 cr15、65mn 等合金钢可用于精度较高，工作 条件较差的情况，这些材料经调质和表面淬火后其耐磨性、耐疲劳强度性能都 较好；若是在高速、重载条件下工作的蜗杆轴类零件，选用 20cr、20crmnti、20mn2b 等低碳钢或 38crmoa1a 渗碳钢，这些港经渗碳淬火或 渗氮处理后，不仅有很高的表面硬度，而且其心部强度也大大提高，因此具有 良好的耐磨性、抗冲击韧性和耐疲劳强度的性能。 球墨铸铁、高强度铸铁由于铸造性能好，且具有减振性能，常在制造外形 结构复杂的轴中采用。特别是我国研制的稀土镁球墨铸铁，抗冲击韧性好， 同时还具有减摩、吸振，对应力集中敏感性小等优点，已被应用于制造汽车、 拖拉机、机床上的重要轴类零件。 3.23.2 蜗杆轴类零件的毛坯蜗杆轴类零件的毛坯 蜗杆轴类零件的毛坯常见的有型材（圆棒料）和锻件。大型的，外形结构 复杂的轴也可采用铸件。内燃机中的曲轴一般均采用铸件毛坯。 型材毛坯分热轧或冷拉棒料，均适合于光滑轴或直径相差不大的阶梯轴。 锻件毛坯经加热锻打后，金属内部纤维组织沿表面分布，因而有较高的抗拉、 抗弯及抗扭转强度，一般用于重要的轴。 3.2.13.2.1 蜗杆轴加工的工艺分析蜗杆轴加工的工艺分析 实例，图 1-2 所示为一蜗杆轴，材料选用 40cr 钢。产品属于小批量生产。 5 图 1-2 kcsj-12 蜗杆 该蜗杆轴 由 a，b， b4/12.5 两外圆表面为支撑轴颈；锥体部分是装配离 合器的表面；30 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 70mm 的圆钢（棒料） ，在锯床上按 292mm 长度下料。图 1-3 为毛坯图 图 1-3 毛坯图 4 4 蜗杆轴加工的工艺路线蜗杆轴加工的工艺路线 4.14.1 基本加工路线基本加工路线 外圆加工的方法很多，基本加工路线可归纳为四条。 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。例如：图 2 中 kcsj-12 蜗杆的、面。 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。 例如：图 2 中 kcsj-12 蜗杆的面 粗车半精车铣车：对于有凹槽的零件，用车刀加工通常不易得到所 要求的表面粗糙度，因为有有凹槽不容易进刀，容易在退刀时，损坏刀具或零 6 件的效果。例如：图 2 中 kcsj-12 蜗杆的面。 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。 4.24.2 典型加工工艺路线典型加工工艺路线 蜗杆轴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。 对普通精度的蜗杆轴加工，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。 1）蜗杆轴的预加工：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直。 2）蜗杆轴加工的定位基准和装夹 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。 以外圆和中心孔作为定位基准（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。 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。 7 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。 4.34.3 蜗杆轴的加工工艺过程蜗杆轴的加工工艺过程 4.3.14.3.1 外圆表面的加工方法和加工精度外圆表面的加工方法和加工精度 轴类、套类和盘类零件是具有外圆表面的典型零件。外圆表面常用的机械 加工方法有车削、磨削和各种光整加工方法。车削加工是外圆表面最经济有效 的加工方法，但就其经济精度来说，一般适于作为外圆表面粗加工和半精加工 方法；磨削加工是外圆表面主要精加工方法，特别适用于各种高硬度和淬火后 的零件精加工；光整加工是精加工后进行的超精密加工方法（如滚压、抛光、 研磨等） ，适用于某些精度和表面质量要求很高的零件。 由于各种加工方法所能达到的经济加工精度、表面粗糙度、生产率和生产成本 各不相同，因此必须根据具体情况，选用合理的加工方法，从而加工出满足零 件图纸上要求的合格零件。 4.3.24.3.2 外圆表面的车削加工外圆表面的车削加工 (1)外圆车削的形式 轴类零件外圆表面的主要加工方法是车削加工。主要 的加工形式有如下表。 表 1 为外圆表面各种加工方案和经济加工精度 序号 加工方法经济精度 （公差等 级） 经济粗糙度 ra 值/ m 适用范围 1 粗车 it13-it1150-12.5 适用于淬火 钢以外的各 种金属 2 粗车 -半精车 it10-it86.3-3.2 3 粗车 -半精车-精车 it8-it71.6-0.8 4 粗车 -半精车-精车- 滚压 it8-it70.2-0.025 5 粗车 -半精车-磨削 it8-it70.8-0.4 主要用于淬 火钢，也可 用于未淬火 钢 6 粗车 -半精车-粗磨- 精磨 it7-it60.4-0.1 7 粗车 -半精车-粗磨- 精磨-超精加工（或轮 式超精磨） it50.1-0.012 8 8 粗车 -半精车-精车- 精细车（金刚车） it7-it60.4-0.025 主要用于要 求较高的有 色金属 9 粗车 -半精车-粗磨- 精磨-超精磨（或镜面 磨） it5 以上 0.025-0.006 极高精度的 外圆加工 10 粗车 -半精车-粗磨- 精磨-研磨 it5 以上 rz0.1 1）荒车 自由锻件和大型铸件的毛坯，加工余量很大，为了减少毛坯外 圆形状误差和位置偏差，使后续工序加工余量均匀，以去除外表面的氧化皮为 主的外圆加工，一般切除余量为单面 1-3mm。 2）粗车 中小型锻、铸件毛坯一般直接进行粗车。粗车主要切去毛坯大 部分余量（一般车出阶梯轮廓） ，在工艺系统刚度容许的情况下，应选用较大的 切削用量以提高生产效。 3）半精车 一般作为中等精度表面的最终加工工序，也可作为磨削和其它 加工工序的预加工。对于精度较高的毛坯，可不经粗车，直接半精车。 4）精车 外圆表面加工的最终加工工序和光整加工前的预加工。 5）精细车 高精度、细粗糙度表面的最终加工工序。适用于有色金属零件 的外圆表面加工，但由于有色金属不宜磨削，所以可采用精细车代替磨削加工。 但是，精细车要求机床精度高，刚性好，传动平稳，能微量进给，无爬行 现象。车削中采用金刚石或硬质合金刀具，刀具主偏角选大些（ 450 -900 ）, 刀具的刀尖圆弧半径小于 0.1-1.0mm，以减少工艺系统中弹性变形及振动。 (2)车削方法的应用 1）普通车削 适用于各种批量的轴类零件外圆加工，应用十分广泛。单件 小批量常采用卧室车床完成车削加工；中批、大批生产则采用自动、半自动车 床和专用车床完成车削加工。 2)数控车削 适用于单件小批和中批生产。近年来应用愈来愈普遍，其主要 优点为柔性好，更换加工零件时设备调整和准备时间短；加工时辅助时间少， 可通过优化切削参数和适应控制等提高效率；加工质量好，专用工夹具少，相 应生产准备成本低；机床操作技术要求低，不受操作工人的技能、视觉、精神、 9 体力等因素的影响。对于轴类零件，具有以下特征适宜选用数控车削。结构或 形状复杂，普通加工操作难度大，工时长，加工效率低的零件。加工精度一致 性要求较高的零件。切削条件多变的零件，如零件由于形状特点需要切槽，车 孔，车螺纹等，加工中要多次改变切削用量。批量不大，但每批品种多变并有 一定复杂程度的零件。 对带有键槽，径向孔（含螺钉孔） 、端面有分布的孔（含螺钉孔）系的蜗杆 轴类零件，如带法兰的轴，带键槽或方头的轴，还可以在车削加工中心上加工， 除了能进行普通数控车削外，零件上的各种槽、孔（含螺钉孔） 、面等加工表面 也可一并能加工完毕。工序高度集中，其加工效率较普通数控车削更高，加工 精度也更为稳定可靠。 4.3.34.3.3 外圆表面的磨削加工外圆表面的磨削加工 (1)外圆表面磨削的工艺范围 用磨具以较高的线速度对工件表面进行加工的方法称为磨削。磨削加工是 一种多刀多刃的高速切削方法，它使用于零件精加工和硬表面的加工。磨削的 工艺范围很广，可以划分为粗磨、精磨、细磨及镜面磨。 磨削加工采用的磨具（或磨料）具有颗粒小，硬度高，耐热性好等特点， 因此可以加工较硬的金属材料和非金属材料，如淬硬钢、硬质合金道具、陶瓷 等；加工过程中同时参与切削运动的颗粒多，能切除极薄极细的切屑，因而加 工精度高，表面粗糙度值小。磨削加工作为一种精加工方法，在生产中得到广 泛的应用。目前，由于强力磨削的发展，也可直接将毛坯磨削到所需要的尺寸 和精度，从而获得了较高的生产率。 (2)外圆表面磨削的常用方法 1)纵磨法 砂轮高速旋转起切削作用，工件旋转作圆周进给运动，并和工 作台一起作纵向往复直线进给运动。工作台每往复一次，砂轮沿磨削深度方向 完成一次横向进给，每次进给（吃刀深度）都很小，全部磨削余量是在多次往 复行程中完成的。当工件磨削接近最终尺寸时（尚有余量 0.005-0.01mm） ，应 无横向进给光磨几次，直到火花消失为止。纵磨法加工精度和表面质量较高， 适应性强，用同一砂轮可磨削直径和长度不同的工件，但生产率低。在单件、 小批量生产及精磨中应用广泛，特别适用于磨削细长轴等刚性差的工件。 10 2)横磨法（切入法） 工件不作纵向往复运动，砂轮以缓慢的速度连续或间 断地向工件作横向进给运动，直到磨去全部余量。横磨时，工件与砂轮的接触 面积大，磨削力大，发热量大而集中，所以易发生工件变形、烧刀和退火。横 磨法生产效率高，适用于成批或大量生产中，磨削长度短、刚性好、精度低的 外圆表面及两侧都有台肩的轴径。若将砂轮修整成型，也可直接磨削成型面。 3)综合磨法 先用横磨法将工件分段进行粗磨，相邻之间有 5-15mm 搭接， 每段上留有 0.01-0.03mm 的精磨余量，精磨时采用纵磨法。这种磨削方法综合 了纵磨和横磨的优点，适用于磨削余量较大（余量 0.7-0.6mm）的工件。 4)深磨法 磨削时采用较小的纵向进给量（ 1-2mm/r）和较大的吃刀深度 （0.2-0.6mm）在一次走刀中磨去全部余量。为避免切削负荷集中和砂轮外圆棱 角迅速磨钝，应将砂轮修整成锥形或台阶形，外径小的台阶起粗磨作用，可修 粗些；外径大的起精磨作用，修细些。深磨法可获得较高的精度和生产率，表 面粗糙度值较小，适用于大批量生产中，加工刚性好的短轴。 (3)外圆表面的无心磨削 在无心磨床磨削工件外圆时，工件不用顶尖来定心和支撑，而是直接将工 件放在砂轮和导轮（用橡胶结合剂作的粒度较粗的砂轮）之间，由托板支撑， 工件被磨削的外圆面作定位面。无心外圆磨床有两种磨削方式。 1)贯穿磨削法（纵磨法） 磨削时将工件从机床前面放到托板上，推入磨削区， 由于导轮轴线在垂直平面内倾斜 角（=10 -60）,导轮与工件接触处的线速 度 v 导 可以分解成水平和垂直两个方向得分速度 v 导水平 和 v 导垂直 ，v 导垂直 控制工件的圆周进给运动，v 导水平 使工件作纵向进给。所以工件进 入磨削区后，便既作旋转运动，又作轴向移动，穿过磨削区，工件就磨削完毕。 角增大，生产率高，但表面粗糙度随之增大；反之，情况相反。为保证导轮 与工件呈线接触状态，需将导论形状修整成回转双面曲形。这种磨削方法不适 用带台阶的圆柱形工件。 2)切入磨削法（横磨法）先将工件放在托板和导轮之间，然后由工件（连 同导轮）或磨削砂轮横向切入进给，磨削工件表面。这时导轮的中心线仅倾斜 很小角度（约 30）,以便对工件产生一微小的轴向推力，使它靠住挡板，得到 可靠的轴向定位。切如磨法适用于磨削有阶梯或成形回转表面的工件，但磨削 11 表面长度不能大于磨削砂轮宽度。 在磨床上磨削外圆表面时，应采用充足的切削液，一般磨钢件多用苏打水 或乳化液；铝件采用加少量矿物油的煤油；铸铁、青铜件一般不用切削液，而 用吸尘器清除尘屑。 4.3.44.3.4 外圆表面的光整加工外圆表面的光整加工 对于超精密零件的加工表面往往需要采用特殊的加工方法，在特定的环境 下加工才能达到要求，外圆表面的光整加工就是提高零件加工质量的特殊加工 方法。 (1)研磨 研磨是一种古老、简便可靠的表面光整加工方法，属自由磨粒加 工。在加工过程中那些直接参与切除工件材料的磨粒不像砂轮、油石和沙带、 砂纸那样总是固结或涂附在磨具上，而是处于自由游离状态。经研磨表面，尺 寸和几何形状精度可达 1-3m ，表面粗糙度 ra 值为 0.16-0.01m。若研具 精度足够高，其尺寸和几何形状精度可达 0.3-0.1m，表面粗糙度值 ra 值小 于 0.04-0.01m。 1)研磨原理 研磨是通过研具在一定压力下与加工面作复杂的相对运动而 完成的。研具和工件之间的磨粒与研磨剂在相对运动中，分别起机械切削作用 和物理、化学作用，使磨粒能从工件表面上切去极薄的一层材料，从而得到极 高的尺寸精度和极细的表面粗糙度。研磨时，有大量磨粒在工件表面浮动着， 它们在一定的压力下滚动、刮擦和挤压，起着切除细微材料层的作用，磨粒在 研磨塑性材料时，受到压力的作用，首先使工件加工面产生裂纹，随着磨粒的 运动，裂纹的扩大、交错，以致形成了碎片（即切削）最后脱离工件。研具与 工件相对运动复杂，磨粒在工件表面上的运动不重复，可以除去“高点” 。这就 是机械切削的作用。研磨时磨粒与工件接触点局部压力非常大，因而瞬时产生 高温，产生挤压作用，以致使工件表面平滑，表面粗糙度 ra 值下降，这是研 磨时产生的物理作用。由于研磨时研磨液中加入硬脂酸或油酸，与覆盖在工件 表面的氧化物薄膜间还会产生化学作用，使被研表面软化，加速研磨效果。 2) 研磨方法： 手工研磨 研磨外圆时，工件夹持在车窗卡盘上或用顶尖支撑，作低速 回转，研具套在工件上，在研具与工件之间加入研磨剂，然后用手推动研具作 12 往复运动。往复运动速度常选用 20-70m/min 为宜； 机器研磨 机器研磨效率高，可以单面研磨，也可以双面研磨。此外， 机器研磨不仅可以研磨外圆柱面、内圆柱面，还适用于平面、球面、半球面的 表面研磨； 嵌砂与无嵌砂研磨 根据磨料是否嵌入研具，研磨又可分为嵌砂和无嵌 砂两种：a. 嵌砂研磨 研具材料比工件软，组织均匀，具有一定弹性，变形小， 表面无斑点等特点。常用材料委会朱铁、铜、铅、软钢等。在加工中，磨料直 接加入工作区域内，磨粒受挤压而自动嵌入研具称自由嵌砂法。若是在加工前， 事先将磨料直接挤压到研具表面中去的则称强迫嵌砂。此方法主要用于精密量 具的研磨；b. 无嵌砂的研磨 研具材料较硬，而磨料较软（如氧化铬等） 。在研 磨过程中，磨粒处于自由状态，不嵌入研具表面。研具材料常选用淬硬过的钢、 镜面玻璃等。 3) 研磨具和研剂： 研磨剂 研磨剂包含磨料、研磨液和辅助材料。 磨料 应具有高硬度，高耐磨性；磨粒要有适当的锐利性，在加工中破碎 后仍能保持一定的锋刃；磨粒的尺寸要大致相近，使加工中尽可能有均一的工 作磨粒。常见的研磨磨料见表 2 所示。 表 2 研磨常用磨料 种类主要成分显微硬度 /hv 适用材料 刚玉 al 2 o 32000-2300 各种碳钢、合金钢、不锈钢 碳化硅 sic2800-3400 铸铁、其他非铁金属及其合金（青铜、 铝合金） 、玻璃陶瓷、石材 碳化硼 b 4 c4400-5400 高硬钢、镀铬表面、硬质合金 碳硅硼 sic5700-6200 硬质合金、半导体材料、宝石、陶瓷 金刚石 c10000 硬质合金、陶瓷、玻璃、水晶、半导 体材料、宝石 氧化铬 cr 2 o 3 淬硬钢及一般金属的精细研磨和抛光 研磨液 研磨液使磨粒在研具表面上均匀散布，承受一部分研磨压力，以减少 磨粒破碎，并兼有冷却、润滑作用。常用的研磨液是煤油、汽油、机油、动物 油脂等。 辅助材料 辅助材料能使工件表面氧化物薄膜破坏，增加研磨效率。 13 研具 研磨工具简称研具，其作用是使研磨剂赖以暂时固着或获得一定 的研磨运动，并将自身的几何形状按一定的方式传递到工件上。因此，制造研 具的材料对磨料要有适当的嵌入性，研具自身几何形状应有长久的保持性。 4) 研磨特点 研磨能获得其他机械加工较难达到的稳定的高精度表面，研磨过的表面其 表面粗糙度细；耐磨性、耐蚀性能良好；操作技术、使用设备、工具简单；被 加工材料适应范围广，无论钢、铸铁、还是有色金属均可用研磨方法精加工， 尤其对脆性材料更显特色。适用于多品种小批量的产品零件加工，因为只要改 变研具形状就能方便地加工出各种形状的表面。但必须注意的事，研磨质量很 大程度取决于前道工序的加工质量。 (2) 超精加工 超精加工实际上是摩擦抛光过程，是降低表面粗糙度的一种有效的光整加 工方法。它具有设备简单、操作方便、效果显著、经济性好等优点。 1) 超精加工的工作原理 超精加工使用细粒度磨条（油石）以较低的压力和切削速度对工件表面进精密 加工的方法。加工中有三种运动，即工件的回转运动 1；磨头轴向进给运动 2；磨条高速往复振动 3。这三种运动使磨粒在工件表面形成的轨迹是正弦曲线。 超精加工的切削过程与磨削、研磨不同，只能切去工件表面的凸峰，当工件表 面磨平后，切削作用能自动停止。 超精加工大致可分为四个阶段： a 强力切削阶段 油石磨粒细，压力小，工件与磨条之间的油膜易形成，单 位面积上的压力大，故切削作用强烈； b 正常切削阶段 当少数凸峰磨平后，接触面积上的压力降低，切削磨条自 锐性作用减弱，进入正常切削阶段； c 微弱切削阶段 随着切削面积的增大，单位面积上的压力更低，切削作用 微弱，且细小的切屑形成氧化物而嵌入油石空隙中，使油石产生光滑表面，具 有摩擦抛光作用而降低工件表面的粗糙度； d 自动停止阶段 工件磨平，单位面积上压力极低，工件与磨条之间又形成 了油膜，不再窃笑，切削作用自动停止。 14 2) 超精加工的特点： 超精加工磨粒运动轨迹复杂，能由切削过程过渡到抛光过程，表面粗糙 度 ra 值达 0.01-0.04 m； 超精加工磨条的粒度极细，只能切削工件凸峰，所以加工余量很小，一 般为 0.005-0.00025mm； 磨条高速往复振动，磨条的微刃两面切削，磨屑易于清楚。不会在工件 表面形成划痕； 切削速度低，磨条压力小，工件表面不易发热，不会烧伤表面，也不易 使工件表面变形； 超精加工的表面耐磨性好。 (3) 双轮珩磨 双轮珩磨也是一种高效的光整加工方法。珩磨时工件在两顶尖上以转速 n 旋转，两个修整成双曲线的磨轮轴线反向倾斜，与工件轴线成 角，安装 在工件两边，用弹簧 3 压向工件。工件靠摩擦力带动珩轮旋转，同时沿工件轴 向作往复运动。磨轮和工件的相对滑动速度 v 使其产生切削力。 双轮珩磨出来的工件表面呈黑色镜面，其表面粗糙度 ra 值达 0.012-0.025 m。此外，由于磨轮本身回转，磨损均匀，因此耐用度较高。采用这种加工方 法的最大特点是对前道工序的表面粗糙度要求不高，即使是车削表面，也可直 接进行珩磨。但采用这种方法，不能纠正前道工序的圆度误差。 (4) 滚压 滚压是冷压加工方法之一，属无屑加工。滚压加工是利用金属产生塑性变 形从而达到改变工件的表面性能、获得工件尺寸形状的目的。 外圆表面的滚压加工一般可用各种相应的滚压工具，在普通卧室车床上对 加工表面在常温下进行强行滚压，使工件金属表面产生塑性变形，修正金属表 面的微观几何形状，减小加工表面粗糙度值，提高工件的耐磨性、耐蚀性和疲 劳强度。例如经滚压后的外圆表面粗糙度可达 ra0.4-0.25m，硬化层深度 0.2-0.05 m，硬度提高 5%-20%。 滚压加工特点如下： 1）前道工序的表面粗糙度 ra 不大于 5m，压前表面要洁净，直径方向的 15 余量为 0.02-0.03mm。 2）滚压后工件的形状精度及相互位置精度主要取决于前道工序的形状位置 精度。前工序表面圆柱度、圆度较差则还会出现表面粗糙度不均匀的现象。 3）滚压的对象一般只适宜塑性材料，并要求材料组织均匀。经滚压后的工 件表面耐磨性、耐蚀性提高明显。 4）滚压加工生产率高，工艺范围广，不仅可以用来加工外圆表面，对于内 孔、端面的加工均可采用。 4.3.54.3.5 蜗杆轴的加工工总结蜗杆轴的加工工总结 该蜗杆轴先以外圆作为粗基准，车端面和钻中心孔，再以二中心孔为定位 基准粗车外圆，又以粗车外圆为定位基准加工锥孔，此即为互为基准原则，使 加工有一次比一次精度更高的定位基准面。螺纹因淬火后，在车床上无法加工， 如先车好螺纹后再淬火，会使螺纹产生变形。因此，螺纹一般不允许淬硬，所 以在工件中的螺纹部分的直径和长度上必需留去碳层。为保证工件外圆的磨削 精度，热处理后须安排研磨中心孔的工序，并要求达到较细的表面粗糙度。外 圆磨削时，影响工件的圆度主要是由于二顶尖孔的同轴度，及顶尖孔的圆度误 差。要获高精度外圆，磨削时应分粗磨、半精磨、精磨工序。精磨安排在高精 度磨床上加工。综合起来，该蜗杆轴的加工应按照下面的表进行： 表 3 加工顺序 序 号 工序名 称 工序内容定位基准 车端面 钻中心孔 三爪卡盘 夹一端 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 290mm ，钻中心孔 粗车右边各外圆，留余量 2-3mm 1 车削 粗车蜗杆螺旋部分，留余量 外圆及中 心孔 2 热处理 调质处理 3 车削修研中心孔 精车 30mm 到尺寸，留余量 0.2mm 车退刀槽及 卡圈槽，倒角 两中心孔 16 掉头精车左侧各外圆到 36mm、30mm、25mm、20mm 。车退刀槽，倒 角 两中心孔 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 两中心孔 4 热处理淬火 5 磨削修研中心孔，磨 17k5 、 20j6 外圆及锥 面到尺寸，磨蜗杆螺纹到尺寸 两中心孔 5 5 专用夹具的基本要求和设计步骤专用夹具的基本要求和设计步骤 5.15.1 对专用夹具的基本要求对专用夹具的基本要求 1、保证工件的加工精度 专用夹具应有合理的定位方案，标注合适的尺寸、 公差和技术要求，并进行必要的精度分析，确保夹具能满足工件的加工精度要 求。 2提高生产效率 应根据工件生产批量的大小设计不同复杂程度的高效夹 具，以缩短辅助时间，提高生产效率。 3、工艺性好 专用夹具的结构应简单、合理，便于加工、装配、检验和维 修。专用夹具的制造属于单件生产。当最终精度由调整或修配保证时，夹具上 应设置调整或修配结构，如设置适当的调整间隙，采用可修磨的垫片等。 4、使用性好 专用夹具的操作应简便、省力、安全可靠，排屑应方便，必 要时可设置排屑结构。 5、经济性好 除考虑专用夹具本身结构简单、标准化程度高、成本低廉外， 还应根据生产纲领对夹具方案进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经 济效益。 5.25.2 专用夹具设计步骤专用夹具设计步骤 1. 明确设计任务与收集设计资料； 2拟定夹具结构方案与绘制夹具草图：1) 确定工件的定位方案，设计定 位装置；2) 确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置；3) 确定对刀或导向方案， 设计对刀或导向装置；4) 确定夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基 面；5) 确定和设计其它装置及元件的结构型式，如分度装置、预定位装置及吊 装元件等；6)确定夹具体的结构型式及夹具在机床上的安装方式；7) 绘制夹具 草图，并标注尺寸、公差及技术要求。 17 3进行必要的分析计算 工件的加工精度较高时，应进行工件加工精度分 析。有动力装置的夹具，需计算夹紧力。当有几种夹具方案时，可进行经济分 析，选用经济效益较高的方案。 4审查方案与改进设计 夹具草图画出后，应征求有关人员的意见，并送 有关部门审查，然后根据他们的意见对夹具方案作进一步修改。 5绘制夹具装配总图 夹具的总装配图应按国家制图标准绘制。绘图比例 尽量采用 1：1。主视图按夹具面对操作者的方向绘制。总图应把夹具的工作原 理、各种装置的结构及其相互关系表达清楚。 夹具总图的绘制次序如下： 1)用双点划线将工件的外形轮廓、定位基面、夹紧表面及加工表面绘制在 各个视图的合适位置上。在总图中，工件可看作透明体，不遮挡后面夹具上的 线条。 2)依次绘出定位装置、夹紧装置、对刀或导向装置、其它装置、夹具体及 连接元件和安装基面。 3)标注必要的尺寸、公差和技术要求。 4)编制夹具明细表及标题栏。 6.绘制夹具零件图 夹具中的非标准零件均要画零件图，并按夹具总图的 要求，确定零件的尺寸、公差及技术要求。 5.35.3 夹具体的设计夹具体的设计 5.3.15.3.1 对夹具体的要求对夹具体的要求 1、有适当的精度和尺寸稳定性 夹具体上的重要表面，如安装定位元件的 表面、安装对刀或导向元件的表面以及夹具体的安装基面(与机床相连接的表面)等， 应有适当的尺寸和形状精度，它们之间应有适当的位置精度。 为增加夹具体尺寸稳定，铸造夹具体要进行时效处理，焊接和锻造夹具体要进 行退火处理。 2、有足够的强度和刚度 加工过程中，夹具体要承受较大的切削力和夹紧 力。夹具体需有一定的壁厚，铸造和焊接夹具体常设置加强肋，或在不影响工 件装卸的情况下采用框架式夹具体(如图 2-1c 所示)。 18 3、结构工艺性好 夹具体应便于制造、装配和检验。铸造夹具体上安装各 种元件的表面应铸出凸台，以 减少加工面积。夹具体毛面与 工件之间应留有足够的间隙， 一般为 415mm。夹具体结构 型式应便于工件的装卸，如图 21 所示。分为开式结构 (图 2 一 la)；半开式结构 (图 2 一 lb)；框架式结构 (图 2 一 lc)等。 图 2- 1 4、排屑方便 切屑多时， 夹具体上应考虑排屑结构。 如图 22 所示，在夹具体上 开排屑槽及夹具体下部设置 排屑斜面，斜角可取 30一 50。 5、在机床上安装稳定可靠： 夹具在机床工作台上 图 2-2 夹具体上设置排屑结构 安装，夹具的重心应尽量低，重心越高则支承面应越大； 夹具底面四边应凸 出，使夹具体的安装基面与机床的工作台面接触良好，如图 23 所示，接触边 或支脚的宽度应大于机床工作台梯形槽的宽度，应一次加工出来，并保证一定 的平面精度； 夹具在机床主轴上安装，夹具安装基面与主轴相应表面应有较 高的配合精度，并保证夹具体安装稳定可靠。 图 2-3 夹具体安装基画的形式 a)周边接触 b)两端接触 c)四脚接触 5.3.25.3.2 夹具体毛坯的类型夹具体毛坯的类型 19 1铸造夹具体 夹具体材料一般是铸造，其特点是工艺性好，可铸出各种 复杂形状，具有较好的抗压强度、刚度和抗振性，但生产周期长，需进行时效 处理，以消除内应力。常用材料为灰铸铁。 2焊接夹具体 它由钢板、型材焊接而成，这种夹具体制造方便、生产周 期短、成本低、重量轻(壁厚比铸造夹具体薄)。但焊接夹具体的热应力较大， 易变形，需经退火处理，以保证夹具体尺寸的稳定性。 3锻造夹具体 它适用于形状简单、尺寸不大、要求强度和刚度大的场合。 锻造后也需经退火处理，此类夹具体应用较少。 4型材夹具体 小型夹具体可以直接用板料、棒料、管料等型材加工装配 而成，这类夹具体取材方便、生产周期短、成奉低、重量轻。 5装配夹具体 它由标准的毛坯件、零件及个别非标准件通过螺钉、销钉 连接，组装而成。此类夹具体具有制造成本低、周期短、精度稳定等优点，有 利于夹具标准化、系列化，也便于夹具的计算机辅助设计。 5.3.35.3.3 专用夹具设计示例专用夹具设计示例 图 24 如图 24 所示，本工序需在钢套上钻 5mm 孔，应满足如下加工要求： 1、5mm 孔轴线到端面 b 的距离 20 士 0.1mm； 2、5mm 孔对 20h7 孔的对称度为 0.1mm。 3、已知 工件材料为 q235a 钢，批量 n=500 件。 试设计钻 5mm 孔的钻床夹具。 一、定位方案 按基准重合原则定位基准确定为：b 面及 20h7 孔轴线。采用一凸面和一心轴 组合定位。 20 二、导向方案 为能迅速、准确地确定刀具与夹具的相对位 置，钻夹具上都应设置引导刀具的元件钻套。 钻套一般安装在钻模板上，钻模板与夹具体连接， 钻套与工件之间留有排屑空间，如图 25 所示。 三、夹紧方案 由于工件批量小，宜用简单的手动夹紧装置。 钢套的轴向刚度比径向刚度好，因此夹紧力 图 25 应指向限位台阶面。 四、夹具体的设计 如图 26 所示采用铸造夹具体的钢套钻孔钻模。 图 26 铸造夹具体钻模 1铸造夹具体 2定位心轴 3钻模板 4固定钻套 5开口垫圈 6具紧螺母 7防转销钉 8锁紧螺母 五、绘制夹具装配总图 如图 27 所示 图 2-7 为采用型材夹具体的钻模。夹具体由盘 l 及套 2 组成，定位心轴 3 安装在盘 l 上，套 2 下部为安装基面 8，上部兼作钻模板。此方案的夹具体为 框架式结构。采用此方案的钻模刚度好、重量轻、取材容易、制造方便、制造 周期短、成本较低。 21 1 2 3 图 2-7 型材夹具体钻模 1 一盘 2 一套 3 一定位心轴 4 一开口垫圈 5 一夹紧螺母 6 一固定钻套 7 一螺钉 8 一垫圈 9 一锁紧螺母 10 一防转销钉 11 一调整垫圈 5.45.4 夹具总图上尺寸、公差和技术要求的标注夹具总图上尺寸、公差和技术要求的标注 5.4.15.4.1 夹具总图上应标注的尺寸和公差夹具总图上应标注的尺寸和公差 1最大轮廓尺寸 若夹具上有活动部分，则应用双点划线画出最大活动范 围，或标出活动部分的尺寸范围。 如图 29 中最大轮廓尺寸为： 84mm、70mm 和 60mm。 2影响定位精度的尺寸和 公差 主要指工件与定位元件及 定位元件之间的尺寸、公差。如 图 图 28 车床夹具尺 寸标注示意 2-7 中标注的定位基面与限位基 面的配合尺寸 20；图 28 中标注为圆柱销及菱形销的尺寸 、及销 6 7 f h 1 d 2 d 间距 l。 l 3影响对刀精度的尺寸和公差 主要指刀具与对刀或导向元件之间的尺寸、 公差，如图 2-7 中标注的钻套导向孔的尺寸 5f7。 22 4影响夹具在机床上安装精度的尺寸和公差 主要指夹具安装基面与机 床相应配合表面之间的尺寸、公差，如图 28 中的尺寸 d1h7 。 5影响夹具精度的尺寸和公差 主要指定位元件、对刀或导向元件、分度 装置及安装基面相互之间的尺寸、公差和位置公差。 如图 2-7 中尺寸：20 土 003mm、对称度 003mm、垂直度 60：003、平 行度 005mm。 6其它重要尺寸和公差 一般是机械设计中应标注的尺寸、公差，如图 27 中标注的配合尺寸 14、40 、10。 6 7 n h 6 7 n h 6 7 n h 5.4.25.4.2 夹具总图上应标注的技术要求夹具总图上应标注的技术要求 1、夹具的装配、调整方法，如几个支承钉应装配后修磨达到等高、装配时 调整某元件或临床修磨某元件的定位表面等，以保证夹具精度； 2、某些零件的重要表面应一起加工，如一起镗孔、一起磨削等； 3、工艺孔的设置和检测； 4、夹具使用时的操作顺序； 5、夹具表面的装饰要求等。 5.4.35.4.3 夹具总图上公差值的确定夹具总图上公差值的确定 夹具总图上标注公差值的原则是：在满足工件加工要求的前提下，尽量降 低夹具的制造精度。 1直接影响工件加工精度的夹具公差 夹具总图上的尺寸公差或位置公差 为： =(1215) (21) j k 式中与相应的工件尺寸公差或位置公差。当工件批量大、加工精度低时， k j 取小值，反之取大值。 j 工件的加工尺寸未注公差时，工件公差娃视为 itl2itl4，夹具上相 应的尺寸公差按 it9itll 标注； 工件上的位置要求未注公差时，工件位置公差文视为 911 级，夹具 上相应的位置公差按 79 级标注； 工件上加工角度未注公差时，工件公差视为士 307士 l07，夹具上 相应的角度公差标为1037(相应边长为 10400mm，边长短时取大值)。 23 2夹具上其它重要尺寸的公差与配合 这类尺寸的公差与配合的标注对工 件的加工精度有间接影响。在确定配合性质时，应考虑减小其影响，其公差等 级可参照“夹具手册”或机械设计手册标注。 5.55.5 工件在夹具上加工厂的精度分析工件在夹具上加工厂的精度分析 5.5.15.5.1 影响加工精度的因素影响加工精度的因素 用夹具装夹工件进行机械加工时,其工艺系统中用夹具装夹工件进行机械加 工时，其工艺系统中影响工件加工精度的因素很多。与夹具有关的因素如图 211 所示，有定位误差d 对刀误t、夹具在机床上的安装误差a 和夹具 误差dj。在机械加工工艺系统中，影响加工精度的其它因素综合称为加工方 法误差g。上述各项误差均导致刀具相对工件的位置不精确，从而形成总的加 工误差。以图 2-7 钢套钻 5mm 孔的钻模为例计算。 1、定位误差d 加工尺寸 200.1mm 的定位误差，d=0。对称度 0.1mm 误差为工件定位孔与定位心轴配合的最大间隙。工件定位孔的尺寸为 20h7( mm)，定位心轴的尺寸 20f6(mm) 021 . 0 0 20 020 . 0 033 . 0 20 mm=0.54mm )033 . 0 021 . 0 ( max x d 2、对刀误差盘 因刀具相对于对刀或导向元件的位置不精确而造成的 t 加工误差，称为对刀误差。如图 2-7 中钻头与钻套间的间隙，会引起钻头的位 移或倾斜，造成加工误差。由于钢套壁厚较薄，可只计算钻头位移引起的误差。 钻套导向孔尺寸为声 5f7(mm)，钻头尺寸为声 5h9(mm)。尺寸 20 022 . 0 010 . 0 5 0 03 . 0 5 mm 及对称度 0.1mm 的对刀误差均为钻头与导向孔的最大间隙1 . 0 mm=0.052mm )03 . 0 022 . 0