6、引言及正文

1、1.引言机械、机器和机床等机械结构是由部件和零件装配成的，部件又是由组件和零件装配而成的。所以零件的精度决定了，组件的精度，组件的精度又决定了部件的精度。由此可知，零件的加工精度在整台设备上占着由为重要的地位，零件的精度主要取决于设备精度及加工工艺，零件的主要精度包括精度(尺寸)、精度(几何形状)及精度(相对位置)等三项。一般，加工表面是机械零件重要的工作表面，加工表面的精度和粗糙度是通过加工保证的。本设计通过对输出轴类零件的机械加工工艺和铣槽用夹具设计，试图找出一种简单、实用的加工方法，以供生产同类零件的企业参考。2.传动轴生产类型由题目知：年产量为8000件，备品率为3%，废品率为2.5%

2、，Q=8000件/年，n=1件/台，备品率a%和废品率b%分别为3%和2%。代入公式： N=Qn(1+a+)得： N=8000(1+3%+2.5%) =8440件/年该零件的年产量为8440件，根据机械制造工艺学教材中生产类型与生产纲领的关系，确定其生产类型为大批生产。表1 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输出轴零件分析轴是组成机器零件的主要零件之

3、一。轴类零件在机器中可起支承、定位或连接作用（题目中未明确），但可确定一切做回转运动的传动零件（例如：齿轮，带轮，链轮等）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

4、强度、刚度和韧性，以适应其工作条件。3.1零件图零件图如下图1所示，其主要加工表面技术要求见表1 图1 输出轴零件图3.2分析零件图技术要求及主要加工表面输出轴零件形状为较曲型的轴类零件，此零件涵盖知识面较广，由图可知其各个外圆及端面精度等级和表面粗糙度求不高，并且对其形位要求也并不太高，故在加工外圆时不需要磨屑,可用车床两顶尖进行精车。但对于10-20的孔精度要求较高，故需要专用分度夹装夹定位，为节约工时，最好采用数控加工中心进行批量加工。对于此类输出轴类零件，需要定位并承受一定的转矩，因此需要进行调质处理，从而获得更好的力学性能。该零件主要加工表面为表1 例举的6项；形位公差及尺寸公差见表

5、2 。表2 输出轴零件主要加工表面序号表面加工尺寸及偏差/mm公差/mm及精度等级表面粗糙度/m形位公差/mm1外圆面 +0.02855 +0.003IT7Ra12.5相对与A和B的外圆跳动0.04mm2外圆面 +0.06560 +0.045IT7Ra12.5相对与A和B的外圆跳动0.04mm3外圆 +0.02375 +0.003IT7Ra12.5无4内孔 +0.04280 +0.012IT7Ra3.2相对与A和B的外圆跳动0.04mm5定位孔 -0.01920 -0.042IT7Ra1.6相对与D的位置度为最大实要求为0.04mm 0.04mm6键槽 -0.016 -0.043IT9Ra1.

6、6对称度为0.063mm7键槽底面到外圆 050 -0.2IT9Ra1.6对称度为0.063mm3.3热处理分析因以锻件为毛坯，故毛坯在车削加工前需要先正火。正火是把钢加热到成为完全的奥氏体组织状态，保温后在空气中进行冷却的操作，其目的大体可分为:（1） 使锻件的组织均匀和去除其残余应力；（2） 改善低碳钢的可切削性；（3） 改善铸件的组织和消除残余应力；（4） 改善大型锻件、大型铸件的机械性能。待粗加工完成后，零件再经调质200HBS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）。可获得较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能4. 选择毛坯4.1输出轴毛坯的选择：题

7、目已选定材料为45钢，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。轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。4.2毛坯制造方法由于该输出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，但是根据生产规模的不同，锻造方式有自由锻和模锻两种。中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模

8、锻，因此我们采用模锻。切锻件的形状和尺寸与零件相近，可以节约材料，减少切削量，降低生产成本。4.3毛坯的加工余量与余量公差确定机械加工余量时，根据锻件估算质量，形状复杂系数、零件加工精度要求、公差要求，表3、表4、表5可以查得。表3 锻件内孔直径的单边机械加工余量（JB3834-85） 表4 模锻件内外表面加工余量（JB3834-85）注：本表适用于热模锻压力机，模锻锤，平锻机及螺旋压力机上生产的模锻件。例：当锻件重量为3kg，在16000kN热模锻压力机上生产，零件无磨削精加工工序，锻件复杂系数S3锻件长度480mm，查出该零件的余量：厚度方向1.72.2mm水平方向：2.02.7mm。表5

9、 模锻件的厚度公差及顶料杆压痕公差（普通级）（JB3834-85）例：当锻件重量3kg，材质系数为M1，锻件复杂系数为S3。锻件最大厚度尺寸为45，油炉加热时各类公差查法。5. 工艺规程设计根据加工性质和作用的不同，工艺过程一般可划分如下加工阶段，粗加工阶段，精加半工阶段，精加工阶段，光整加工阶段。（1）退火与正火：属于毛坯预备性热处理，应安排在机械加工之前进行。（2）对于45钢调质工序最好放在粗加工之后，为了淬透性更好。（3）按先“基准后其它” 的顺序，首先确定加工基准。（4）在重要的表面加工前应对精基准进行修正。（5）按“先主后次，先粗后精”的顺序，首先加工精基准面。（6）对于和主要表面有

10、位置精度要求的次要表面应安排在主要表面加工之后加工。（7）对于易出现废品的工序，精加工和光整加工可适当提前。一般情况主要表面的精加工和光整加工应放在最后阶段进行。此输出轴零件图纸可以初步确定为以下机械加工艺过程卡片：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精基准的选择根据输出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，这里选择输出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，

11、根据设计要求选择外圆A为和55外圆端面做为定位基准。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，同时一夹一顶车外圆；然后再以加工出的另一外圆定位，加工另一个端面和其中心孔，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输出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6 输出轴各表面加工方案加工表面尺寸精度等级表面粗糙度/m加工方法输出轴两端面无无粗车-半精车-精车输出轴两中心孔无Ra25钻中心孔修研中心孔55外圆面IT7Ra3.2粗车-半精车-精车55轴肩右端面无Ra12

12、.5粗车-半精车-精车60外圆面IT7Ra3.2粗车-半精车-精车60轴肩右端面无Ra12.5粗车-半精车-精车65外圆面IT7Ra3.2粗车-半精车-精车65轴肩右端面无Ra12.5粗车-半精车-精车75外圆面IT7Ra3.2粗车-半精车-精车75轴肩右端面无Ra12.5粗车-半精车-精车116斜度外圆面无Ra12.5粗车-半精车-精车116轴肩右端面无Ra12.5粗车-半精车-精车176外圆面无Ra12.5粗车-半精车-精车176轴肩右端面无Ra12.5粗车-半精车-精车104内孔无Ra12.5镗孔-半精镗-精镗104内孔右面无Ra12.5镗孔-半精镗-精镗80内孔IT7Ra3.2镗孔-半

13、精镗-精镗80内孔右面无Ra12.5镗孔-半精镗-精镗50内孔无Ra12.5镗孔-半精镗-精镗50内孔右面无Ra12.5镗孔-半精镗-精镗10-20内孔无Ra302点孔-钻孔扩孔铰孔2-8内孔无Ra12.5点孔-钻孔16槽无Ra3.2点孔-铣槽5.3工艺路线加工工艺路线为：锻造正火粗加工调质中检修研中心孔半精加工钻孔精加工铣槽去毛刺清洗检验。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。5.3.1精加工阶段粗加工阶段主要是去除各加工表面的余量，并

14、做出精基准。包括粗车外圆，钻中心孔。(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。(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。(3)粗镗台阶孔，使毛坯的孔接近工件的最终形状和尺寸，只留下适当的加工余量。5.3.2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，镗孔和修研中心孔。5.3.3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。它包括所有的外圆及内孔对所有表面统一加工后保证精度的一致性和基础的统一性，

15、最后铣槽。5.4确定加工余量及毛坯尺寸根据表3、3、5可查得毛坯件的加工余量，机械加工前模锻毛坯的质量约为10.35KG。材质系数为M1，锻件复杂系数为S1。本零件各圆柱表面的工序加工余量、工序尺寸及公差、表面粗糙度见下表：表7 外圆柱面176轴段加工余量计算工序名称工序间余量/mm工 序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度Ra/m精车 IT1012.5176 0176 -0.3半精车0.5IT1012.5176 0177 -0.3粗车1IT1012.5176 0178 -0.3毛坯2.5IT12 IT14181 181表8 外圆柱面55轴段加工余量计算工序名称工序

16、间余量/mm工 序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度Ra/m精车 IT712.555 -0.02855 -0.003半精车0.5IT9IT1012.556 056 -0.12粗车1IT11IT132512.558 057 -0.3毛坯2.5IT12 IT1412.56060表9 60轴段加工余量计算工序名称工序间余量/mm工 序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度Ra/m精车 IT712.560 +0.06560 +0.045半精车0.5IT1012.561 061 -0.012粗车1IT1212.562 062 -0.3毛坯2.5IT

17、12 IT1412.56565表10 65轴段加工余量计算工序名称工序间余量/mm工 序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度Ra/m精车 IT712.565 +0.02365 +0.003半精车0.5IT1012.566 066-0.12粗车1IT1212.567 067 -0.3毛坯2.5IT12 IT1412.57070表11 75轴段加工余量计算工序名称工序间余量/mm工 序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度Ra/m精车 IT612.575 +0.02375 +0.003半精车0.5IT1012.576 076 -0.12粗车1I

18、T1212.577 077 -0.3毛坯2.5IT12 IT1412.58080表12 104内孔加工余量计算工序名称工序间余量/mm工 序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度Ra/m精镗IT1012.5104+0.12104 0半精镗0.5IT1012.5103+0.12103 0粗镗1IT1012.5102 +0.12102 0毛坯2.6IT12 IT1412.598.898.8表13 80内孔加工余量计算工序名称工序间余量/mm工 序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度Ra/m精镗 IT73.280+0.04280 +0.012半精

19、镗 0.5IT103.279+0.01279 0 粗镗1IT106.378+0.1278 0毛坯2.5IT12 IT1412.57575表14 50内孔加工余量计算工序名称工序间余量/mm工 序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度Ra/m精镗IT106.350+0.1250 0半精镗0.5IT106.349+0.1249 0 粗镗1IT106.348+0.1248 0毛坯2IT12 IT1412.545465.4 .1毛坯图设计 图2 输出轴毛坯图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CAK614

20、0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-610钻斜孔南通机床厂立式铣床 X5040，其主轴大功率11KW， 最大回转角度 45度，主轴转速30-1500r/min，轴向移动85mm，工作台尺寸1700x400。 图5 立式铣床 X50405.6 刀具的选择选用车刀时，车端面选用硬质合金YT15主

21、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，粗镗、半精镗、精镗时选用YT15主偏角90偏刀，钻孔选用17高速钢钻头，扩孔选用19.8高速钢扩孔钻, 铰孔选用铰刀,铣键槽选用高速钢立铣刀。5.7工艺过程卡见工艺工序卡片。5.8加工余量、切削余量、工时定额的确定。（查切削用简明手册）粗车工序1工步1 车55端面；毛坯外圆直径60，需要切削深度是直径的1/2，为30mm。进给量f=0.5mm/r（1）切削速度：； （2）进给速度：；（3）加工时间：；粗车工序1工步3 车55、60、65、70、75、116外圆；粗车119两端面总长L=214 mm的加工时间，从毛坯119加工

22、到116，背吃刀量1.5mm切削长度为214mm，进给量f=0.5mm/r ； （1）切削速度：； （2）进给速度：；（3）加工时间：；粗车工序1工步4 车176端面；毛坯外圆直径181，需要切削深度是直径的1/2，为90.5mm。进给量f=0.5mm/r （1）切削速度：；（2）进给速度：；（3）加工时间；粗镗工序1工步6 镗孔104、80、50；毛坯内孔深度为40mm；毛坯内孔最大直径98.8，需要切削深度是直径的1/2，为49.4mm。进给量f=0.5mm/r（1）切削速度：；（2）进给速度：；（3）加工时间：；粗车工序1工步7车外回圆176；毛坯长度为35mm；进给量f=0.5mm/r

23、 （1）切削速度：；（2）进给速度：（3）加工时间：；则粗车左右端面及外圆共用时间为0.12+0.86+0.36+0.36=1.84min半精车工序5工步1平端面55；半精加工外圆直径57，需要切削深度是直径的1/2，为28.5mm。进给量f=0.4mm/r（1）切削速度：； （2）进给速度：；（3）加工时间：；半精车工序5工步2 车55、60、65、70、75、116外圆；半精车118两端面总长L=246 mm的加工时间，从毛坯118加工到116，背吃刀量1mm进给量f=0.4mm/r （1）切削速度：；（2）进给速度：；（3）加工时间：；半精车工序5工步3平端面176；半精加工外圆直径17

24、8，需要切削深度是直径的1/2，为89mm。进给量f=0.4mm/r （1）切削速度：；（2）进给速度：；（3）加工时间：； 半精镗工序5工步4镗孔104；镗孔深度为10mm；进给量f=0.25mm/r （1）切削速度：；（2）进给速度：；（3）加工时间：；半精镗工序5工步5镗孔80；镗孔深度为13mm；进给量f=0.25mm/r （1）切削速度：；（2）进给速度：；（3）加工时间：；半精镗工序5工步6镗孔50；镗孔深度为40.5mm；进给量f=0.25mm/r （1）切削速度：；（2）进给速度：；（3）加工时间：；则半精车左右端面及外圆共用时间为0.14+1.2+0.45+0.08+0.1+

25、0.32=2.29min钻孔工序6工步2钻孔10-17；钻孔深度为35mm；进给量f=0.2mm/r （1）切削速度：； （2）进给速度：；（3）加工时间：；共10个孔,故时间为0.44x10=4.4min扩孔工序6工步3扩孔10-19；钻孔深度为35mm；进给量f=0.26mm/r （1）切削速度：；（2）进给速度：；（3）加工时间：；共10个孔,故时间为0.27x10=2.7min铰孔工序6工步3扩孔10-20；铰孔深度为35mm；进给量f=0.3mm/r （1）切削速度：；（2）进给速度（3）加工时间:共10个孔,故时间为0.58x10=5.8min则工序6共用时间为4.4+2.7+5.

26、8=12.9min钻孔工序7工步2钻孔2-8；钻孔深度为31mm；进给量：（1）切削速度：（2）进给速度：（3）加工时间：共2个孔,故时间为0.26x2=0.52min精车工序8工步1平端面55；半精加工外圆直径56，需要切削深度是直径的1/2，为28mm。进给量f=0.15mm/r （1）切削速度：（2）进给速度：（3）加工时间：精车工序8工步2 车55、60、65、70、75、116外圆；半精车118两端面总长L=24 mm的加工时间，从毛坯117加工到116，背吃刀量0.5mm进给量： （1）切削速度：（2）进给速度：（3）加工时间：精车工序8工步3平端面176；精加工外圆直径177，需

27、要切削深度是直径的1/2，为88.5mm。进给量：（1）切削速度：；（2）进给速度：（3）加工时间：精镗工序8工步4镗孔104、80、50；镗孔深度为40mm；进给量： （1）切削速度：（2）进给速度：（3）加工时间：则精车工序8共用时间为0.23+2.03+0.74+0.33=3.33min工步9 铣键槽轴55外圆面上键槽尺寸为1650，加工余量4mm，故一次走刀完成。刀具选YT15铣刀，d=16mm ,z=2，参考机床切削范围Vc取28m/min ，算得机床转速：，n取1100 r/min, fz取0.07mm/z ；z（1）每分钟进给量：。（2）加工时间：（3）机械加工时间总共为：tm=

28、1.84+2.29+12.9+0.52+3.33+0.32=21.2min6. 键槽加工用夹具设计6.1夹具的结构方案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。 图6 夹具结构方案图 6.2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，本工序采用快速螺旋夹紧机构。它的特点为径向型块定位，自动分中功能；轴向采用端面靠紧来实现工件位置的一致性，工件的锁紧方式采用铰链式星形螺栓紧固。结构简单，制造容易，拆装便捷。

29、如图6所示。工件需要用压盖板来将其固定在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。6.2.1夹具定位元件工件以外圆柱面A作为定位基准时，由于此外圆柱面的公差要求严格，故可以保证其定位的准确性。本夹具是用来加工输出轴零件的外键槽，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

30、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6所示，其中视图B-B 是V形定位结构，E-E为辅助定位。本夹具设计有4个腰形槽，该槽用来将夹具体定位于数控铣床的T形槽上，然后用4个M16螺栓紧固于铣床T形台上。本夹具设计有4个定位销，该销需要在数控机床上一次性加工成型，保证其位置度，从而保证工件放上去后的直线度，在安装好后打表，通过腰形槽微调。6.2.2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有对称度要求，故必须提高其制造精度。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。6.3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；用样件或对刀仪装置对刀。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。但由于我们所对刀的外圆精度要求高，故这里只需加