燕山大学金属工艺三级项目——高速轴

1、金属工艺及机制基础金属工艺及机制基础三级项目报告三级项目报告高速轴的生产方法和加工工艺方案高速轴的生产方法和加工工艺方案班班 级：级： 机自机自 1313 班班 小组成员：小组成员： 指导教师：指导教师： 胡怡、刘利刚胡怡、刘利刚 提交时间：提交时间： 20162016 年年 6 6 月月 1919 日日 目录目录一、一、 对零件制造的总体方案进行论证选择对零件制造的总体方案进行论证选择.4（一）毛坯制造方案的可行性分析及比较.4（二）主要表面机械加工方案的分析及选择.4二、毛坯生产工艺方案的分析二、毛坯生产工艺方案的分析.5（一）工艺性综合分析 5（二）生产方法的确定 5（三）铸造工艺设计6

2、（四）锻造工艺设计10（五）下料13三、机械加工工三、机械加工工艺艺方案的分析方案的分析.14（一）零件机械加工工艺分析14（二）零件机械加工方案分析15（三）工艺基准的选定19（四）工艺过程的拟定19（五）工艺文件的编制.20（六）机械加工过程所需工艺图（部分）22四、加工工艺方案成本分四、加工工艺方案成本分析析.25五、感五、感悟悟.26六、参考文六、参考文献献.27团队自评分表团队自评分表.27一、一、 对零件制造的总体方案进行论证和选定对零件制造的总体方案进行论证和选定（一）毛坯制造方案的可行性分析及比较（一）毛坯制造方案的可行性分析及比较毛坯制造方案我们选择了铸造、锻造、下料来获得毛

3、坯。铸造方法我们选择砂型铸造，砂型铸造是目前应用最广的方法。手工造型操作灵活，工装简单，但劳动强度大生产率低。适用于单件小批量生产。锻造我们选择了自由锻，自由锻工艺灵活，设备和工具通用性强，成本低，但是自由锻尺寸精度差，加工余量大，生产效率低，故只适用于单件小批量生产，而且后续需要其他工序来保证工件精度。下料操作简单，质量偏差小，精度高，效率高。（二）主要表面机械加工方案的分析及选择（二）主要表面机械加工方案的分析及选择(1）车削类方案一般用于加工中等精度的盘套短轴销类零件的外圆，有色金属件的外圆，以及零件结构不易磨削的外圆等，(2）车磨类方案用于加工除有色金属件以外的结构形状适宜磨削而精度又

4、较高的各类零件上的外圆，尤其适用于需要淬火的外圆(3）特种加工方案用于加工各种特殊的难加工的材料上的外圆(4）选择表面加工的方案根据表面的尺寸精度和表面粗糙度，表面所在零件的结构形状和尺寸大小，零件热处理状况，零件材料的性能及零件批量选择，由于高速轴结构不适合磨削，所以我们采用了粗车调质半精车精车攻螺纹的方法。二、毛坯生产工艺方案的分析二、毛坯生产工艺方案的分析（一）工艺性综合分析（一）工艺性综合分析轴类零件的制造材料一般多为低碳钢，其中 45号优质碳素钢最为常用。故生产该轴是采用 45 号钢作为生产材料。毛坯的分析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

5、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较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。根据生产规模的不同，毛坯的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锻。所要生产的轴外圆直径相差不大，且为小批量生产，故毛坯形式采用棒料，锻造方式采用自由锻。（二）生产方法的确定（二）生产方法的确定锻造方法的分析和比较：毛坯制造方案选择铸造、锻造、下料来获得毛坯。铸造方法选择砂型铸造，砂型铸造是目前应用最广的锻造方法优点缺点自由锻工艺灵活，所用工具和设备简单，通用性强，成本低适合单件生产。锻件尺寸精度低，加工余量大，

6、劳动强度大，生产率也不高。模锻与一般锻压加工方法相比较，具有生产效率高、产品质量好、成本低，并可大大减少金属消耗等优点。对机器设备的要求较高，设备投资大，能量消耗大。工艺复杂，制造工艺复杂，成本高、周期长。方法。锻造选择了自由锻。（三）铸造工艺设计（三）铸造工艺设计(1)工艺分析：该轴的受力较大，不允许有铸造缺陷，可以直接铸造出来后加工键槽。(2)工艺方法： 零件材料为 45 钢，零件数量为 1，且结构简单对称，可以选用砂型分模铸造。(3)确定浇注位置和分型面： 确定浇注位置时要注意铸件重要表面朝下或处于侧面，铸件宽大表面朝下，铸件薄壁部分朝下，铸件厚大部分朝下，而选择分型面时则要注意尽量使铸

7、件位于同一铸型内，尽量减少分型面，尽量使分型面垂直，尽量使型腔和主要型芯位于下型。 因此该高速轴浇注时零件轴线呈水平位置，沿轴线水平分型，采用分模造型时不容易错型。（4）确定加工余量：该轴为回转体，基本尺寸取直径为 55mm,本轴材料为铸钢通过查表可得尺寸公差等级为 CT13，于是可得加工余量等级为 MA-J 级，查表可得加工余量为5.5mm。（5）确定起摸斜度：两处侧壁高度均为 35mm，通过查表可得木模的起模斜度上增加值为 a 为 1mm。图中“6.5/5.5”表示侧壁加 6.5mm，比下端大 1mm 构成起模斜度。 （6）确定收缩率： 查砂型铸造时铸件线收缩率得。小铸件收缩率为1%。（7

8、）芯头设计：为保证型芯的稳固。芯头长度取决于型芯的直径和长度，查机械制造手册得芯头长度取 40mm，上芯头高度小斜度大，下芯头高度大斜度小。芯头斜度查得上芯头 7mm,下芯头 3.5mm，水平芯头与竖直芯头间隙为 2mm，由零件图知铸造圆角为 R1。(8）确定浇注系统：为使金属液流入铸型型腔通道。选用底注式浇注系统，由横浇道，纵浇道，内浇道，浇口杯组成。 (9)绘制铸造工艺图：注：图中外铸造圆角 R=4，内铸造圆角 R=1。（四）锻造工艺设计（四）锻造工艺设计自由锻过程中金属坯料在抵铁间受压变形，朝各个方向流动不受限制。自由锻工艺灵活，所用设备简单，设备和工具的通用性强，成本低。但精度较低，加

9、工余量大，生产率低，其形状和尺寸主要由操作者的技术来控制。适合于中小型生产，也是大型和特大型锻件的唯一方法。(1)绘制锻件工艺图锻件工艺图是生产中必不可少的一部分。确定锻造变形方案，根据锻件的形状，尺寸确定变形工艺，增加锻造余块来便于锻造。高速轴自由锻工艺卡锻件名称高速轴工艺类型自由锻材料45 钢设备75kg 空气锤加热次数一次锻造温度范围800-1200C锻件图(2)计算坯料质量及尺寸： a：计算质量：G 坯=G 锻+G 烧+G 切。 b：确定尺寸：45 号钢的锻造比约为 5。序号工序名称简图备注1拔长78mm*265.32mm的圆柱拔长至直径 65mm2压肩右端压肩长度为20mm3拔长右端

10、拔长至直径55mm4压肩左端压肩长度85mm5拔长左端拔长至55mm6修整（3） 确定锻造设备：考虑该轴质量轻，体积小，考虑车间的设备条件，选用锤即可达到目的。（4）确定锻造温度范围：始锻温度为 1100 到 1500 摄氏度，终锻温度为 800 摄氏度。（五）下料（五）下料 1 下料目的：完善员工安全生产意识，规范作业方式，避免在生产中发生安全事故，从而提高产品质量和生产效率。 2 材料：材料应满足技术要求，不允许有裂缝、弯曲、严重刮痕。 3 设备及工艺装备、工具 设备：金属圆锯机、锯床、剪板机 工具：手锤、钢卷尺、直角尺、游标卡尺。4 工艺准备：熟悉图纸和有关工艺要求，了解所加工零件的几何

11、形状和尺寸要求，按图纸要求的规格领料，并检查材料是否符合 要求。5 下料前准备 1）根据流程卡确定下料的件数、尺寸等。该轴基本尺寸为直径 55mm，长度 296mm，所以毛坯直径为选为 60 mm,长度选为 306mm。 2）根据流程卡选定所需要的圆棒料。3）以剩余最小边料为原则，合理利用材料,确定下料的方法。6 下料 根据已确定的下料方法， ，测量尺寸是否符合流程卡上的尺寸要求，将圆棒装卡在车床上进行加工,结束后处理毛刺。获得所需要的毛坯。三、机械加工工艺方案的分析三、机械加工工艺方案的分析（一）零件机械加工工艺分析（一）零件机械加工工艺分析机械零件尽管多多样，但均由一些诸如外圆，内圆，锥面

12、，平面，螺纹、齿形等常见形状特征所组成。因此种,合理选择常见形状特征的加工方案,是正确制定零件加工工艺的基础。每一种表面的加工方法，一般不是唯一的，常有许多种，表面的技术要求越高，加工过程就越长，采用的加工方法就越多，将这些加工方法按照一定的顺序组合起来，依次对表面进行由粗到细的加工，以逐步达到所规定的技术要求。外圆是组成轴类和盘套类零件的主要表面，外圆表面的主要技术要求有：1）尺寸精度外圆表面有直径长度的尺寸公差。在大多数情况下，直径尺寸公差等级较高，而长度多为未注公差尺寸。2）形状精度对要求高的外圆表面，标注圆度、圆柱度等形状公差。3）位置精度主要与相关外圆和空的同轴度公差，与端面的垂直度

13、公差等。4）表面质量主要是表面粗糙度 Ra 值的要求，对某些需要调质或淬火处理的零件，还有表面硬度等要求。（二）零件机械加工方案分析（二）零件机械加工方案分析（1）外圆表面加工方案 加工外圆的切削加工方法有车削，普通磨削，精密磨削，砂带磨削，超精加工，研磨和抛光等，特种加工方法有旋转电火花，超声波套料等。 1) 粗车 IT11 以下 5012.5 适用于淬火钢以外的各种金属。 2) 粗车一半精车 IT810 6.33.2 。3)粗车一半精车一精车 IT78 1.60.8 。4)粗车一半精车一精车一滚压（或抛光） IT78 0.20.025 。5) 粗车一半精车一磨削 IT78 0.80.4 主

14、要用于淬火钢，也可用于未淬火钢，但不宜加工有色金属 。 6) 粗车一半精车一粗磨一精磨 IT67 0.40.1。 7) 粗车一半精车一粗磨一精磨一超精加工（或轮式超精磨） IT5 0.1Rz0.1 。8) 粗车一半精车一精车一金刚石车 IT67 0.40.025 主要用于要求较高的有色金属加工。 9) 粗车一半精车一粗磨一精磨一超精磨或镜面磨 IT5 以上 0.025Rz0.05 极高精度的外圆加工 。10) 粗车一半精车一粗磨一精磨一研磨 IT5 以上 0.1Rz0.05 。由于该轴大部分为回转表面，所以应以车削为主。又因为主要表面尺寸公差等级较低，部分表面粗糙度较大，结构也不适合进行磨削。

15、所以车削加工之后不需进行磨削。（2）平面加工方案零件上常见的直槽，T 形槽，V 形槽，燕尾槽，平键槽等沟槽可以看做平面的不同组合，平面加工方案常用的是铣（刨）类，铣（刨）磨类，平面的主要技术要求有： 1）形状精度指平面本身的直线度，平面度公差。2）位置尺寸及位置精度指平面与其他表面之间的位置尺寸公差及平行度，垂直度公差等。3）表面质量指表面粗糙度及调质，淬火等热处理后的表面硬度等要求。 (3)选择表面加工的方案依据1）根据表面的尺寸精度和表面粗糙度值得选择表面加工发难在很大程度上取决于表面本身的尺寸精度和粗糙度值，因为对于精度较高的表面一般不能一次加工到规定的尺寸，而要你花粉囊加工阶段逐步进行

16、，以消除或减小粗加工时因切削力和切削热等因素所引起的变形，从而稳定零件的加工精度。2）根据表面所在零件的结构形状和尺寸大小选择零件的结构形状和尺寸大小对表面加工方案的选择有很大影响，这是因为有些加工方案的采用，常常受到零件某些结构形状和尺寸大小的限制，有时甚至需要选用不同类型的机床和装夹方法。3）根据零件热处理状况选择零件是否热处理或者热处理的方法对表面加工方案的选择有一定影响，特别是钢件淬火后硬度较高，用刀具切削较为困难，淬火后大多采用磨料切削加工，且对绝大多数零件来说，热处理一般不能作为工艺过程的最后工序，其后还应安排相应的加工，以便去除热处理带来的变形和氧化皮，提高精度和表面粗糙度。为满

17、足力求在提高产品质量、降低生产成本和提高生产效率的前提下，使工艺方案尽量简化的指导思想，制造方法为自由锻与轧制，成本较低，效率高，质量好，还可减少金属的损耗。45 号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高且容易切削加工按照 GB/T699-1999 标准规定的 45 钢推荐热处理制度为 850正火、840淬火、600回火，达到的性能为屈服强度355M，而标准规定的抗拉强度为 600MPa，屈服强度为 355MPa，伸长率为 16，断面收缩 40 冲击功为 39J 。所以需要我们根据 45 号钢的标准规定根据进行热处理。热处理方面，选用调质处理，在粗加工后，半精加工前，如果为锻件毛坯，首先要安排退火与正

18、火处理，该轴毛坯为热轧钢可不必进行正火处理。4）根据零件材料的性能选择零件材料的性能，尤其是材料的韧性，脆性，导电等性能，对切削加工特别是对特种加工方法的选择有较大影响。5）根据零件批量选择零件的批量是指根据零件年生产量将零件分批投产，每批投产零件数量，按照零件的大小，复杂程度和生产周期等因素，可分为单件呈批和大量生产三种，加工同一表面，常因批量不同而选用不同的加工方案，这是因为，在单件小批生产中一般采用普通机床上的加工方法，在大批大量生产中应尽量采用高效率的加工方法。本轴生产数量为 1 件，所以采用普通机床上的加工方法。综合以上分析，由于该轴大部分为回转表面，应以车削为主。又因为主要表面尺寸

19、公差等级较低，表面粗糙度较大，且结构不适合磨削，所以车削加工之后不需进行磨削。但由于部分表面粗糙度较小，所以应进行精车。且由零件图可知零件的材料为 45 号钢，经过调质处理 ，硬度为 HB220250，数量为 1，所以采用普通机床上的加工方法。为此其加工顺序为：粗车调质半精车精车攻螺纹。（三）工艺基准的选定（三）工艺基准的选定 定位基准有粗基准和精基准。选择加工余量小的为粗基准，精基准应与设计基准（在零件图中用于标注尺寸和表面相互位置关系的基准）重合。阶梯轴类零件，常选择两端中心孔作为定位基准。因为轴类零件各外圆表面，采用中心孔定位就能满足基准重合原则。而且由于多数工序都采用中心孔作为定位基准

20、，能最大限度的加工出多个外圆和端面，符合基准统一原则。轴的两孔用麻 花钻钻出。但要在粗车之前加工好。（四）工艺过程的拟定（四）工艺过程的拟定工艺过程的拟定要考虑两个原则：一是基面先行原则，定位基面一般要首先加工，然后用它定位加工其他表面。二是粗精分开的原则。切削加工一般划分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段，粗精分开有利于减小或消除粗加工，半径加工时因切削力和切屑热等因素所引起的应力和变形，以稳定零件的加工精度，保证加工质量，另外，粗加工切除的余量较大，容易发发现毛坯的内部缺陷，便于及时处理。除此之外还要确定各个工序加工余量、切削用量和工时定额，粗加工余量约为 11.5mm；半精加工余量约为

21、0.51mm.。切削用量与工时定额在单件小批量生产中由工艺员确定。工艺过程中考虑主要平面的同时，还要考虑次要平面和热处理。要求不高的外圆面粗车时就可加工到规定尺寸，倒角和螺纹应在半精车时加工，键槽在半精车后进行划线和铣削，调质处理安排在粗车之后。调质后一定要修研中心孔，以消除热处理变形和氧化。（五）工艺文件的编制（五）工艺文件的编制工序号工种工序内容加工简图设备夹具及刀具1下料60.5mm（或 60mm）*306mmm法一:三爪自定心卡盘夹持工件，车端面见平，钻中心孔，尺寸13*60 度。用尾架顶尖顶住，粗车两个台阶，直径均留余量 2mm2车调头，三爪自定心卡盘夹持工件的另一端，用车床三爪自定

22、心卡盘90 度车刀偏摆仪找正.车端面保证总长296mm，钻中心孔，尺寸 13*60度。用尾架顶尖顶住。粗车另外三个台阶，55 的台阶车到规定尺寸，其他两个台阶直径均留余量2mm法二:两个端面打孔,车床双顶尖车刀然后用双顶尖装夹,将所有阶梯轴车出.3热调质处理HB2202504钳修研两端中心孔车床 5半精车双顶尖装夹半精车35、45，55，40+-0.012六个台阶到规定尺寸 ，倒角一个车床 双顶尖车刀6钳划键槽车床7铣铣两个键槽到规定尺寸立式铣床虎钳铣刀8钻钻螺纹孔,2个 5 深10mm 的螺纹孔与键槽配合。台钻5 钻头,丝锥9检检验（六）机械加工过程所需工艺图（部分）（六）机械加工过程所需工

23、艺图（部分）（1） 车（2）调头（3）钳（修研两个端面，各修去 2mm）（4）半精车（5） 调头（6）铣键槽（7）钻孔四、加工工艺方案成本分析四、加工工艺方案成本分析高速轴零件小批量工艺设计方案尺寸见文档工艺卡片，零件毛坯为棒料，可在市场直接购得。工艺方案成本分析如下（按单件均价计算）：（一）直接材料费（一）直接材料费：零件材料为 45 号钢，毛坯采用棒料，尺寸为60*306。根据市场价格，45 号钢现在的价格约为 3000 元/吨。由此，可计算得一根高速轴的直接材料费用为：毛坯体积：V=RL=3.1430306=864.76cm345 号钢密度约为：=7.85g/cm3所以毛坯的质量：m=V=864.767.85=6.78kg因此，阶梯轴零件的直接材料费用为：F=pm=36.78=20.