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细长轴类零件车削夹具设计 郑州科技学院 专 科 毕 业 设 计题 目 细长轴类零件车削夹具设计 学生姓名 张辰浩 专业班级 机械制造与自动化2班 学 号 200724132 所 在 系 机械工程系 指导老师 邬宝寅 完成时间 2010.3.2 细长轴类零件车削夹具设计 摘 要机械加工精度是加工质量的重要组成部分。分析加工精度对保证加工质量、提高生产率和降低成本都有重要意义。 细长轴指长度与直径之比大于20的轴。细长轴类零件刚性差,车削时由于切削力、切削热所引起的线膨胀、轴自重、工艺系统刚性等因素很容易引起轴弯曲变形、振动,不易获得满意的加工精度。本文针对目前比较常见的机床CA6140机床的中心架进行设计，经过对成品的观察与分析，以及实际操作时的经验、测量，特设计出该类中心架的生产图纸。因为本人水平有限，文章中难免存在着不足与缺陷，望广大读者批评指正。关键词： 细长轴 中心架 车削machine-center designThe reasons that the machine cut precision affected by machine tool and that of machine tool,work piece and cutter by cutting for and cutting heating were analyzed in the clinder machine cut process.The principal of machine precision for slim shaft work piece was summarized. A reasonable improving proposal was put forward as well.Abstract view of the current more common C6163 Machine Tool Center frame for design, right through to the finished product observation and analysis, and the actual operational experience, measurement, Special design of such centers-production drawings. Because I was limited, and it is inevitable that the article had weaknesses and deficiencies and hopes readers criticized corrected. Keywords : Slender Shaft Center frame Turning 目 录 摘要3ABSTRACT41 引言 5 1.1 机械制造业的发展势 6 1.2 健康绿色的制业 8 2 课题来源13 2.1 课题来源133 设计介绍14 3.1 细长轴的定义14 3.2 夹具主要技术参数分析14 4 材料选用15 4.1材料的选用 155 中心架总成 15 5.1中心架总成 156 主要零件图及部件组织注意点167 热处理工艺18 7.1 预备热处理18 7.2 最终热处理19 致 辞 21 参考文献 22 1引言 随着现代制造业的发展，越来越多的设备被运用到制造业中，而制造业也需要越来越多的设备来满足发展。企业需要发展，就需要投入相应的设备来满足企业的需要，但是面对众多的新设备，这些设备的配件夜成为了我们越来越高的需 求。通常轴的长度与之直径比大于2025(即L/d2025)的轴称之为细长轴。 细长轴车削的工艺特点：细长轴刚性很差，车削时装夹不当，很容易因切削力及重力的作用而发生弯曲变形，产生振动，从而影响加工精度和表面粗糙度。超细长轴的热扩散性能差，在切削热作用下，会产生相当大的线膨胀。如果轴的两端为固定支承，则工件会因伸长而顶弯。由于轴较长，一次走刀时间长，刀具磨损大，从而影响零件的几何形状精度。车超细长轴时由于使用跟刀架，若支承工件的两个支承块对零件压力不适当，会影响加工精度。若压力过小或不接触，就不起作用，不能提高零件的刚度：若压力过大，零件被压向车刀，切削深度增加，车出的直径就小，当跟刀架继续移动后，支承块支承在小直径外圆处，支承块与工件脱离，切削力使工件向外让开，切削深度减小，车出的直径变大，以后跟刀架又跟到大直径圆上，又把工件压向车刀，使车出的直径变小，这样连续有规律的变化，就会把细长的工件车成“竹节”形。造成机床、工件、刀具工艺系统的刚性不良给切削加工带来困难，不易获得良好的表面粗糙度和几何精度。我们在实践中，经过不断摸索，采用各种车削装置：如三支承块跟刀架、弹性活络顶针、垫块、托架支承：车削中采用反向进给车削，配合以最佳的刀具几何参数、切削用量、等一系列有效措施。提高了超细长轴的刚性，满足了加工要求。使的加工的超细长轴效果良好，表面粗糙度达到Ra3.2以上，锥度误差在工件全长4m 中仅0.04mm，椭圆度为0.01mm，弯曲度仅为0.15mm。且工效大大提高。细长轴的加工是车削中比较棘手的问题,细长轴在机械系统中运用比较广泛,一根轴的加工质量会直接影响到机器的正常运转。本文我将结合CA6140车床的中心架展开设计，由于条件不足，设计中一定存在许多不足之处，望老师给予指正。1.1 机械制造业的发展趋势随着当今社会的发展机械制造行业受到了越来越多人的关注，而目前机械制造业的发展趋势有以下几个特点柔性化、灵捷化、智能化和信息化一、柔性化使工艺装备与工艺路线能适应于生产各种产品的需要。二、灵捷化使生产力推向市场准备时间为最短，使工厂机械灵活转向。三、智能化柔性自动化的重要组成部分，它是柔性自动化的新发展和延伸。 四、信息化机械制造业将不再由物质和能量借助于信息的力量生产出的价值，而是由信息借助于物质和能量的力量生产出的价值，因此信息产业和智力产业将成为社会的主导产业，机械制造业也将是由信息主导的，并采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织合理方式的全新的机械制造业。21世纪初机械制造业的重要特征表现在它的全球化、网络化、虚拟化以及环保协调的绿色制造等，人类不仅要摆脱繁重的体力劳动，而且要从烦琐的计算分析等脑力劳动中解放出来，以便有更多的精力从事高层次的创造性劳动。智能化促进柔性化，它使生产系统具有更完善的判断与适应能力。近年来产品更迭不断加快，各种各样的需求不断增加。一些发达工业国家，例如美国、西德、瑞士等国统计表明，1995-1998年机械零件的种类增加了50%；80%的工作人员不直接与材料打交道，而与信息打交道；85%的活动不直接增加产品的附加值，产品、工艺过程、组织管理日益复杂化；设计、工艺准备等均占去为完成用户订货总时间的65%以上。另一方面，在激烈的市场竞争中，供货期与质量往往起着比价格更为重要的作用，灵捷化就成为摆在机械制造业面前的头等重大课题。机械制造行业是创造人类财富的支柱产业，但同时又大量消耗掉人类社会的有限资源，并且是造成当前环境污染问题的主要根源之一，为此，机械行业实施可持发展战略已势在必行。绿色制造正是基于这一点而产生和发展起来的，是机械行业的发展趋势，或者说绿色制造是21世纪制造业的可持续发展模式。 传统制造业一般是纯粹从经济效益的角度去实施制造过程的，在设计产品时着力考虑产品的功能与品质，制造产品时片面追求高效率与低成本。不断涌现的新颖高效的先进制造技术推动了制造业的快速发展，产品更新换代周期不断缩短，加速了材料的消耗和工艺装备的淘汰;同时也产生了更多的废弃物，从而使人类赖以生存的环境不堪重负，严重制约了社会经济及人类文明的可持续发展。目前在环境保护方面，制造业存在以下问题：1.废旧或闲置设备回收和再利用率低 近年来，由于数控机床、加工中心及FMSCIMS的应用，大多数传统机床在工厂逐步被摒弃。如何改造这些旧设备成了摆在我们面前的一大课题。2.能源和原材料的浪费现象十分严重 目前，我国制造业工艺水平不高，多数企业缺乏环保意识。落后的制造工艺使得能源与原材料的利用率不高。且浪费也十分严重。3. 产品的回收利用率极低 长期以来，传统的生产模式是按照“生产一流通一消费一废弃”的开式循环。制造业的生产基本上不考虑废弃产品的回收利用，特别是机械制造业的回收利用率更低。4.制造过程中产生的废弃物得不到无公害处理 许多企业在产品制造过程中，注重的是如何以最低的成本高效地生产出产品，而很少关心加工过程中使用的工具及原材料等对环境的污染。高能耗、重污染的工艺仍然在生产中得到广泛的应用，而先进的环保型工艺由于成本较高而被搁置，企业不愿在治理废弃物方面有所花费。这样一来，在企业获得较高利润的同时，人类生存的环境却遭到了前所未有的破坏。随着这总形式的严峻发展，一个新的课题又摆在了我们的面前：如何在目前的基础上改造我们的机械制造业，使我们的制造业逐渐走向绿色、健康、环保的大道。1.2 绿色健康的制造业 工业革命以来，人类社会经过100多年的快速发展，目前已经面临社会发展与环境和资源之间的深刻矛盾。在人类对自己长期以来采用较为粗放的、大规模工业发展模式及由此而引起的资源枯竭、环境恶化等问题的反思之后，如何选择一条适合该国国情的可持续发展道路，实现人与自然的和谐相处，成为世界大多数国家的共识。这种共识的代表就是1972年在瑞典斯德哥尔摩召开的“联合国人类环境会议”通过的人类环境行动计划，1992年联合国在巴西里约热内卢召开的“世界环境与发展大会”通过的关于环境与发展的里约热内卢宣言、21世纪议程，以及2002年联合国在南非约翰内斯堡召开的“可持续发展世界首脑会议”通过的关于可持续发展的约翰内斯堡宣言与可持续发展世界首脑会议实施计划，其核心是提出了应建立社会、经济、资源和环境相协调的可持续发展战略。作为人类社会可持续发展的重要标志，是使子孙后代拥有与当代人相同，甚至比当代人还多的人均财富和生存发展空间。这就要求当代人要有对历史和子孙后代负责的精神，切实地改变现在传统的发展思维模式以及由这种思维模式而产生的生产、生活和经济发展方式，特别是在这么一个经济快速增长、人口众多、人均资源不到世界平均水平1/2的发展中国家更是如此。应该看到，由于中国经济基础薄弱，技术相对落后，发展大部分是通过以自然资源和劳动力为主要的投入手段所推动的，是一种粗放型的经济增长方式。这种发展的结果，是现在面临越来越严重的资源短缺和生态环境恶化问题。 经济发展必须有利于资源的良性利用，有利于生态系统的良性循环，有利于改善和提高人民的生活水平；而不能以浪费资源、破坏生态环境和降低人民生活质量为代价。党中央提出了“要树立以人为本，实现全面、均衡和可持续的科学发展观”，这体现了中国政府在国家经济发展基本模式上观念的进步。作为可持续发展战略的重要组成部分，以绿色设计和绿色制造为主要特征的绿色浪潮正在席卷全球。通过绿色设计和绿色制造，人们希望实现对资源的循环利用、降低能源消耗和最大程度地减小产品制造和使用对环境的影响，实现可持续发展的目标。 下面，从机械产品设计理念的角度，讨论绿色设计理念对机械设计的影响。 机械产品绿色设计的概念 有关机械产品绿色设计概念方面的研究，国内近年来进行得比较多。机械产品绿色设计的概念可归纳为：机械产品绿色设计是一种基于产品整个生命周期，并以产品的环境资源属性为核心的现代设计理念和方法，在设计中，除考虑产品的功能、性能、寿命、成本等技术和经济属性外，还要重点考虑产品在生产、使用、废弃和回收的过程中，对环境和资源的影响。 其基本的内涵有： (1) 在产品设计的全过程中，产品的基本技术性能属性与环境资源属性、经济属性并重，且环境资源属性优先。 (2) 在设计阶段应充分考虑产品在使用废弃后的可拆性和回收利用性。 (3) 提出了产品设计者和生产企业在环境保护、节约资源方面应承担的社会责任。即对大宗工业产品，企业不但要生产产品，同时，还应在可能的范围内，承担产品回收和再利用的义务。 (4) 它是对传统设计方法、设计理念的发展和创新，体现了人类对机械产品设计学科认识的深化。 传统的机械产品设计侧重的是产品的性能、质量、成本等产品的基本技术与经济属性，对产品的考虑最多到产品使用报废为止。按传统的机械产品设计理念，在产品使用报废后，就成了一堆废铁和垃圾，与制造企业也没有任何关系，报废产品金属零件的回收利用主要采用回炉冶炼方式，很少直接利用因而是一种“从摇篮到坟墓”的过程。 所以，绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要考虑产品的整个生命周期，从产品的构思开始，在产品的结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和回收利用过程中对环境、资源的影响，希望以最小的代价实现产品“从摇篮到再现”的循环。 绿色设计理念对现代机械产品设计的影响 想法决定生活，理念决定设计。理念或观念的进步对社会发展有巨大的推动作用，理念虽然不是具体的方法，但理念可以为具体方法的研究指引方向，而具体的设计方法，是建立在一定的设计理念之上的，理念是具体方法的基础。纵观人类机械产品设计理念和产品设计技术的进步历程，不难看出，设计理念的进步给产品设计带来的巨大影响。从机械设计学科的角度，近代设计方法学的发展主要体现为：“功能思想”的提出； “人机学”思想的形成； “工业设计”学科的发展和成熟。 在这三项近代机械设计学科的核心技术中，对后来机械产品设计的影响，都首先体现在由于它们出现而带来的设计理念的进步，其次才是具体的方法，所有先进的具体设计方法如：优化设计、可靠性设计、CAD等等，都是为实现设计理念服务的。 例如：以美国人麦尔斯“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”为标志的“功能思想”的提出，并逐步为人们广泛的理解和接受后，使设计者认识到：可以采取不同的原理、结构来实现同样的功能，它所带来的是人们在设计思想上的一次革命，大大地拓展了设计人员的视野，在此之前，人们在设计时，更多的是用数学、力学的方法来研究机械的设计，用更合理的结构设计去完善已能完成某种功能的机器，忽视了作为产品本质的“功能”的研究。正是在功能思想的指导下，涌现出了大量采用新的功能原理的产品，如电子手表、激光打印机、喷墨打印机以及现在的数码相机等。 绿色设计作为一种新的设计方法，出现的时间并不长，还远没有达到完善的程度，很多具体的方法还有待研究，但绿色设计作为一种新的设计理念，它的出现，使人们看到了过去设计思想方法的不足，意识到了在过去长期的设计活动中，所忽视的产品设计与环境资源之间的关系和产品设计对环境、资源的影响。绿色设计理念的提出，是机械设计学科发展历史上一个重要的里程碑，是机械设计理念的一次革命和飞跃，它对现代机械设计学科所带来的革命性影响主要表现为：(1) 第一次从人类整体利益的高度，强调了设计者、生产企业在人类社会可持续发展和环境资源保护方面应该承担的社会责任。这种责任一方面可以通过国家法律的形式强制企业承担，如汽车尾气的排放法规、锅炉的尾气排放法规、工业废水的排放法规等，而更重要的是作为设计者和生产企业，必须主动意识到自己应承担的社会责任，在企业的产品开发、生产和企业发展过程中，能进行自我约束，不能仅仅为了实现自己企业商业利益的最大化，而置社会利益于不顾。当今所面临的环境污染和资源短缺等问题，并不是由于个别企业或某一行业的行为造成的，而是整个社会在一段时间内共同行为的累计结果。所以，绿色设计理念反映了人们对现代生产方式和生活方式所引起的生态和环境破坏的反思，从道德层面上提高了对设计师和企业素质的要求，代表了一种新的设计文化，反映了人类道德认知水平的提高，这种提高和认识的深化，必将从更高的层次上，推动社会文明的进步和实现所追求的人类社会可持续发展的理想。绿色设计所代表的是“以人为本，实现人与自然和谐相处”的现代设计文化。所以，如果说“功能思想”的提出是在技术层面上推动了设计学科的进步；而“绿色设计理念”的提出是在人的思想道德和设计文化的层面上推动了设计学科的进步，它体现了：“地球环境与资源保护是大家的共同责任”的崇高思想。(2) 对机械产品来讲，设计是源头。今天所面临的主要由工业设备、工业产品制造与使用所造成的环境污染、资源浪费等问题，除受当时时代的科学技术发展水平的限制，对可能引起的问题预见、认识不够有关外，还在很大程度上与一些传统落后的产品设计理念有关。例如：在过去的设计理念中，几乎不考虑环境问题，也不考虑产品的回收利用问题，并将烟囱林立、浓烟滚滚、污水横流、机器轰鸣等看成是工业化的标志就是最典型的代表。对所制造和销售的产品与企业和设计人员的关系，现在很多设计人员仍认为“产品过了保修期就与自己和企业没有关系了”。所以，必须改变产品设计的传统观念，要树立“今天的产品，就是明天的废品”的产品设计理念，从产品的性能、材料选择、制造、使用、合理的产品寿命、报废回收的整个过程来看待现在正进行的产品设计，尤其是考虑产品报废后的回收性，进行综合平衡和决策，树立全新的绿色产品设计理念。 对报废产品的重新认识。当今社会，科学技术发展很快，新产品层出不穷，产品的有效寿命周期明显缩短，很多产品不是因为不能使用，而是由于性能落后或仅仅由于外观老旧而报废。虽然可以花钱买新的，但被废弃的不仅是报废的产品，而且还有废弃产品中所包含的资源。所以，绿色设计强调对“物理报废”和“性能报废”产品的回收和再利用。为此，要在产品设计的各个环节上综合考虑对产品整个寿命周期的影响，对产品技术的发展有科学的预测，在现有产品、储备产品和研发产品之间有合理的技术继承和联系，充分考虑由于产品款式、技术升级等因素引起的产品报废，使产品具有合理的使用寿命，而不一味地追求产品的经久耐用。同时，在设计中，广泛运用现代的设计技术，如采用系列化、模块化和标准化设计技术，在产品设计中考虑产品零部件的技术和结构的继承性为产品在报废后的再制造奠定技术基础。运用面向拆卸的设计技术，注意考虑产品的装拆结构设计，方便装拆。同时，还应考虑对一些产量大、使用时间长的产品，在技术进步后，如何对已销售的产品进行合理的、较为经济的改装，以提高产品使用性能的设计方法，例如像家用空调、电冰箱等产品就是属于这种情况。由于技术进步，现在产品的耗电量较前几年已经明显降低，如前几年普通电冰箱24h耗电量为1kWh左右，但现在可以达到0.4kWh左右，与现在新的节能型电冰箱相比，大量还在使用的老电冰箱就像电老虎一样每天都在大量地消耗宝贵的电力。但由于这些老冰箱不能以较为方便的方式和用户能接受的价格实现节能方面的改装，依然会在若干年内继续使用这些弃之可惜的冰箱，并为它们多使用的电付钱，造成社会资源的巨大浪费。从政府的角度讲，如何在政策上大力鼓励和扶持对报废产品的再制造是值得研究的。2 课题来源 面对目前提倡的绿色制造特有这样的想法：利用有限的资源以及现有的技术设计出一种CA6140机床上的中心架，使其制造成本降低、实用度提高、且容易制造。 下面一章我将对我的设计作出具体的阐述。3 设计介绍 3.1细长轴的定义 细长轴定义：当工件长度跟直径直比大于2025倍（L/d2025）时，称为细长轴。3.2夹具力学数据分析由于细长轴本身刚性差（L/d值愈大，刚性愈差），在车削过程中会出现以下问题：1、工件受切削力、自重和旋转时离心力的作用，会产生弯曲、振动，严重影响其圆柱度和表面粗糙度。2、在切削过程中，工件受热伸长产生弯曲变形，；车削就很难进行，严重时会使工件在顶尖间卡住。因此，车细长轴是一种难度较大的加工工艺。虽然车细长轴的难度较大，但它也有一定的规律性，主要抓住中心架和跟刀架的使用、解决工件热变形伸长以及合理选择车刀几何形状等三个关键技术，问题就迎刃而解了。 在车削细长轴时，可使用中心架来增加工件刚性。一般车削细长轴使用中 心架的方法有：1、中心架直接支承在工件中间 当工件可以分段车削时，中心架支承在工件中间，这样支承，L/d值减少了一半，细长轴车削时的刚性可增加好几倍。在工件装上中心架之前，必须在毛坯中部车出一段支承中心架支承爪的沟槽，表面粗糙度及圆柱度误差要小，否则会影响工件的精度。车削时，中心架的支承爪与工件接触处应经常加润滑油。为了使支承爪与工件保持良好的接触，也可以在中 心架支承爪与工件之间加一层砂布或研磨剂，进行研磨抱合。2、用过渡套筒支承车细长轴 用上述方法车削支承承中心架的沟槽是比较困难的。为了解决这个问题，可加用过渡套筒的处表面接触。过渡套筒的两端各装有四个螺钉，用这些螺钉夹住毛坯工件，并调整套筒外圆的轴线与主轴旋转轴线相重合，即可车削。4 材料的选用 根据中心架的特点以及对材料的要求，所以我选用的材料为：35、45Q235A、HT150以及ZQSnCu6-6-3。5 中心架总成图1如图一所示本中心架最大夹件直径为350，其主要配件为：圆销、特厚螺母、活结螺栓、垫圈、销轴、螺母、法兰、螺钉、锥销、丝杆、轴承、套筒、定位销、轴、挡圈、锥销锁紧挡圈。其中部分利用现有的标准配件，如：GB 6885、GB 11786、GB 617086等，具体的配件位置件装配总图。6主要零件图及部件组织注意点 6.1主要零件图 图2 轴 图3 丝 杆 图4 套 筒 图5 法 兰 图6 定 位 销6.2 部件组织的注意点 焊接件上体，筋板焊前周边加工，点焊后连续焊接，焊后应无焊接缺陷如图二 图7 上 体 7 热处理 所有需要热处理的工件，热处理必须达到要求，严格按照热处理工艺进行处理。 热处理的作用就是提高材料的机械性能、消除残余应力和改善金属的切削加工性。按照热处理不同的目的，热处理工艺可分为两大类：预备热处理和最终热处理。 7.1 预备热处理 预备热处理的目的是改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织。其热处理工艺有退火、正火、时效、调质等。 （ 1 ）退火和正火 退火和正火用于经过热加工的毛坯。含碳量大于 0.5% 的碳钢和合金钢，为降低其硬度易于切削，常采用退火处理；含碳量低于 0.5 % 的碳钢和合金钢，为避免其硬度过低切削时粘刀，而采用正火处理。退火和正火尚能细化晶粒、均匀组织，为以后的热处理作准备。退火和正火常安排在毛坯制造之后、粗加工之前进行。 （ 2 ）时效处理 时效处理主要用于消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力。 为避免过多运输工作量，对于一般精度的零件，在精加工前安排一次时效处理即可。但精度要求较高的零件（如座标镗床的箱体等），应安排两次或数次时效处理工序。简单零件一般可不进行时效处理。 除铸件外，对于一些刚性较差的精密零件（如精密丝杠），为消除加工中产生的内应力，稳定零件加工精度，常在粗加工、半精加工之间安排多次时效处理。有些轴类零件加工，在校直工序后也要安排时效处理。 （ 3 ）调质 调质即是在淬火后进行高温回火处理，它能获得均匀细致的回火索氏体组织，为以后的表面淬火和渗氮处理时减少变形作准备，因此调质也可作为预备热处理。 由于调质后零件的综合力学性能较好，对某些硬度和耐磨性要求不高的零件，也可作为最终热处理工序。 7.2 最终热处理 最终热处理的目的是提高硬度、耐磨性和强度等力学性能。 （ 1 ）淬火 淬火有表面淬火和整体淬火。其中表面淬火因为变形、氧化及脱碳较小而应用较广，而且表面淬火还具有外部强度高、耐磨性好，而内部保持良好的韧性、抗冲击力强的优点。为提高表面淬火零件的机械性能，常需进行调质或正火等热处理作为预备热处理。其一般工艺路线为：下料锻造正火（退火）粗加工调质半精加工表面淬火精加工。 （ 2 ）渗碳淬火 渗碳淬火适用于低碳钢和低合金钢，先提高零件表层的含碳量，经淬火后使表层获得高的硬度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性和塑性。渗碳分整体渗碳和局部渗碳。局部渗碳时对不渗碳部分要采取防渗措施（镀铜或镀防渗材料）。由于渗碳淬火变形大，且渗碳深度一般在 0.5 2mm 之间，所以渗碳工序一般安排在半精加工和精加工之间。其工艺路线一般为：下料锻造正火粗、半精加工渗碳淬火精加工。 当局部渗碳零件的不渗碳部分采用加大余量后，切除多余的渗碳层的工艺方案时，切除多余渗碳层的工序应安排在渗碳后，淬火前进行。 （ 3 ）渗氮处理