机械制造技术课程设计-换挡轴加工工艺及铣齿夹具设计

摘要铣床是机加工中使用比较多的一种加工工具，而在铣床加工工具中，换挡轴铣床加工工具中一个使用性很高的一个零件。在机械加工中，换挡轴会直接影响机械加工的精度等级，零件的加工好坏，精度是否达到都与换挡轴的精度关系密切。因此设计换挡轴的夹具精度是非常重要的，依托于换挡轴的夹具进行加工换挡轴，这样精度要求才可以达到，并且可以用于大批量的生产。本次设计换挡轴的铣齿夹具设计，因此需要对换挡轴设计专用铣齿夹具。在设计铣齿夹具时，需要考虑到铣齿的精度要求，设计夹具时需要结合换挡轴的材料特性，加工工艺等进行设计，分析材质的处理，需要用到的去应力加工，热处理硬度，车削加工的车削力。只有清楚这一些列的加工工艺，才能在设计夹具的时候将这些因素考虑进去，达到铣齿的精度。本次设计换挡轴的铣齿夹具主要步骤可以将其分为，首先对零件的作用以及特性的分析介绍，其次是对换挡轴的工艺进行分析，分析选择出最佳的工艺方案，最后根据加工工艺分析结果设计专用的换挡轴铣齿夹具。以上是本次设计换挡轴夹具的整体步骤。关键词：精度等级、专用夹具、加工工艺、车削力目录TOC\o"1-3"\h\u绪论 3第一章零件分析 41.1零件的作用 41.2零件材料 41.3零件的工艺分析 41.3.1零件结构分析 41.3.2零件的加工表面与技术要求 51.3.3零件工艺特点、技术关键以及采取措施 5第二章零件工艺规程的设计 62.1制定零件工艺规程的原则与技术要求依据 62.2生产类型确定 72.3零件毛坯制造的选择 82.4工艺路线的制定 82.4.1加工方法的选择 82.4.2基准的选择 82.4.3加工工艺的比例 92.5机床工序设计 102.5.1指定工序余量，尺寸，公差及表面粗糙度的确定 102.5.2机床设备、刀具、夹具、切削用量的选择 102.6工时定额的计算 11第三章夹具设计 123.1概述 123.2定位方案的选择与定位元件的设计 133.3夹紧方案的选择与机构的设计 133.4夹具体类型的选择 143.5夹具体结构设计 153.6夹具定位误差分析 17总结 18参考文献 19绪论在机械加工中，会遇到很多的零件加工圆孔或者修内圆孔的退刀槽，这时一般的加工机械可能就加工不了，尤其是对内圆孔的退刀槽的加工，这种就需要用到镗床。镗床主要的作用就是对圆孔的镗削加工，对一般圆孔进行扩孔、对一些大的板材进行圆孔加工、以及加工螺纹孔等。随着时代的发展，机械加工工艺的提升，镗床也随之不断的进化。在最早的时期，镗床的动力来源是通过水力的驱动实现加工转动的，这种动力受水流影响，及其的不稳定，对加工的精度控制很难控制。在18世纪，瓦特利用蒸汽机的原理为机床提供动力，这种加工精度在原水力的基础上提高了很多，它的主要的受限是来自于对蒸汽气缸的加工，气缸的加工精度直接影响。到19世纪后期，德国生产出了第一款卧式镗床，该款卧式镗床应用广泛，应用于在很多机械加工领域。后面的卧式镗床都是在此基础上进行改进优化。到20世纪初，诞生了坐标镗床，该类型的镗床的诞生在一定程度上很大的提高了镗床的加工精度，此类的镗床得益于其他的工业发展，在这个时期先后出现了高精密的钟表仪器等，因此在生产坐标镗床的工艺与选用的零部件上精度都有大幅的提升。随着时代的发展，电子产品的产生，电子显示屏的出现，应用于镗床上，实现了自动化的控制，并且精度和自动化程度都很高,生产加工的效率得以大大提高,有利于大批量生产。根据镗床的分类可以将镗床分为卧式镗床、坐标镗床、落地镗床、坐标镗床等几种类型的镗床。根据以上的镗床的分类，可以分析这些镗床的特点：卧式镗床：诞生最好的镗床之一，因此是使用上和使用评率上是非常的高，比较适用于生产数量不大，对精度要求一般的零件。坐标镗床：它的精度是非常高的，具有高精度的的定位功能，可以使用于对一些高精度的孔进行加工生产，应用于工件的定位，划线等。金刚镗床：该类镗床根据名字可以知道，采用的刀具为高硬度的刀具，因此可以加工一些硬度高的工件，车削粗糙度低，对零件的表面光洁度有很好的效果，可以用于大批量的生产加工。落地镗床：该类型的镗床是可以承载较重或者尺寸较大的工件，对于大尺寸的加工有很好的加工特性。该类型的镗床一般用于重型机械的加工。零件分析1.1零件的作用换挡轴是一个至关重要的零部件，铣床的加工精度，铣床的运行特性等都会受到铣床的影响。铣床的主要作用可以分解为：主轴组件与轴承装在套筒内。主轴在套筒内做旋转主运动，套筒在主轴箱的导向孔内做直线进给运动。

主轴组件工作时，用其中的夹紧装置将夹紧在主轴箱内，提高主轴部件的刚度。主轴做旋转运动时，装在数控机床结构主轴前端平旋盘上的径向滑块带动刀具做径向进给运动[2]。因此在对换挡轴的加工上，对表面粗糙度的要求、尺寸精度的要求和形位公差的要求是非常高的，结合实际的应用，加工的误差径向圆跳动的公差≦0.02mm，对于高精度零件，表面光洁度的也需要达到0.02-0.04之间，由尺寸关系可以知道该类型的零件属于大尺寸的零件，因此在加工上误差控制是很关键的，对圆筒状的零件，壁厚的尺寸精度控制也是很重要的。1.2零件材料换挡轴的材料选用应该满足主轴的应用于零件的作用特性进行选择，主轴相配合，在配合的过程中相对的转动，因此需要承受高的转速与一定的应力，因此在材料的选择为45。1.3零件的工艺分析换挡轴的加工需要根据加工治具和加工机床等进行工艺的设计和分析。1.3.1零件结构分析换挡轴的结构上主要为圆柱状的结构，圆外设计有阶梯轴与锥形面。换挡轴的整体长度达到270mm精度误差需要控制在正负0.05mm之间，换挡轴的直径为22mm。由零件图可以知道，本次设计的铣齿面位于换挡轴的一端，铣齿部位会对换挡轴的壁厚有所减小，因此在此处夹具的设计应该考虑到因铣齿造成壁厚厚度减少等原因对换挡轴产生的形变影响。图1.1换挡轴零件图1.3.2零件的加工表面与技术要求换挡轴加工类型为铣削加工，加工为铣齿面，结合机床等加工工艺，必须充分了解零件的加工要求。从上面的零件图可知,对表面粗糙度的要求、形位公差的要求和尺寸精度的要求是非常高的，结合实际的应用，加工的误差径向圆跳动的公差≦0.02mm，对于高精度零件，表面光洁度的也需要达到0.02-0.04之间，领阿金的齿距精度需要控制在正负0.016mm之间。由尺寸关系可以知道该类型的零件属于大尺寸的零件，因此在加工上误差控制是很关键的，对圆筒状的零件，壁厚的尺寸精度控制也是很重要的。1.3.3零件工艺特点、技术关键以及采取措施根据《机械加工工艺手册》了解到，机械加工的工艺主要包括:铸造、机械加工、锻造、冲压、焊接、热处理、表面处理等工艺,本次设计可以知道，镗床主轴套是需要铣齿面，那么根据以上的工艺方法可以选择到，本次设计的选择的是机械加工等工艺，通过对换挡轴的铣削加工进行改变换挡轴的形状，从而得到我们需要得到的产品外形。图1.2镗床主轴套零件尺寸图由以上分析零件的作用，知道零件的的作用与运行状态，了解零件的特性，零件具有一定的硬度，高精度等基本的特性，结合工厂加工条件，以及机床的加工精度等信息合理制定工艺步骤。分析零件图纸上的一些重要尺寸以及重要的公差和行为公差。通常情况下，生产纲领决定零件的分类。零件加工的工艺路线，主要包括基准面的选择,加工面的加工方法，加工的工序等。最后进行机床的选择，选择合适的加工机床，选择合适的加工刀具，计算加工余量与加工误差以及机床的铣削速度。第二章零件工艺规程的设计2.1制定零件工艺规程的原则与技术要求依据工厂在生产加工零件的时候往往采用工艺规程的标准进行加工，工艺规程可以作为一种参考文件，作为在机加工的时候进行参考的标准，管理人员根据此工艺规程进行作业安排与布置，加工人员可以根据工艺规程进行参照加工，因此在工艺人员制定相关的工艺规程时，需要考虑本厂的加工情况进而合理的制定工艺规程，这样有效的提升了加工的效率与工时。工艺规程设计制定原则有以下几点：工艺人员设计制定的工艺规程必须符合本厂的加工水平与加工精度，因此在设计加工加工工艺规程时，还需要满足被加工的零件的精度以及零件的使用功能等等。制定的工艺规程应该符合加工生产要求，符合大批量生产规范。制定工艺规程应该充分结合人力，物力，加工机床等因素，充分发挥机械加工的工时效率。制定的工艺规程在操作上需要尽量简单，便于工人操作加工，便于生产安排协调。工艺规程的技术要求：要制定工艺规程的计算要求，就需要先了解工艺规程的组成，根据组成制定相应的技术要求。工艺规程的组成主要包括：机械加工工艺规程，工序，安装零件，工位，公步等。通过以上工艺规程的组成，根据选择依据，选择合适的加工工艺，合适的机械加工方法，制定几人组加工，工件的装夹方式，选择加工刀具，制定铣削转速等。2.2生产类型确定生产类型的确定是零件加工的一项重要分类，确定之前需要了解零件的加工数量，根据加工数量进行分类，根据加工数量可以分为单件、成批和大量生产[6],根据成批生产中数量还可以分为小批量、中批量和大批量生产。查阅有关的生产分类,根据下图加工类型进行分类。图2.1机加工加工类型本次设计的换挡轴零件根据使用的数量，一般使用的数量在100件左右每年，那么可以根据上图的加工分类，可以将改生产类型进行分成批生产中的小批量生产。2.3零件毛坯制造的选择有本次设计图纸可以知道，换挡轴材料为结构类钢材，材料牌号为：45，由于形状为圆状，因此在选择原材料上，选用圆钢进行初加工，由于最后需要的外形尺寸选择直径24×274mm，那么在原材料尺寸选择上，需要大于这个基本尺寸，留出足够的余量和材料的规格，那么可以选择为直径24×274mm的棒材。图2.2外圆表面加工余量2.4工艺路线的制定2.4.1加工方法的选择有本次设计图纸可以知道，换挡轴材料为结构类钢材，材料牌号为：45，可以根据该类材料选择加工方法。选择加工方法上需要选择合适的，因为对于一个零件的加工可以有很多种不同的加工方法，那么选择的加工方法不同也就会是加工的时间有所不同。工艺人员需要根据零件的特征和零件的零件加工精度来选择最合适的加工方法,用最高效的时间和效率来完成对零件的加工，同时也需要减轻工人的操作。2.4.2基准的选择加工的首先是对零件的定位，对零件的基准的一个选择，选择合适的基准面加工才能得到加工合格的零件。那么基准面又分为粗基准面和精基准面。往往在选择粗基准面的时候，都是应用于原材料，对毛坯的基准面的选择为粗基准面。精基准面的选择是对加工后的表面，只有加工后的表面才能被选择为精基准面，那样的基准面精度才能得到保证。粗基准的选择原则：粗基准是用于第一道工序使用的，因此在这道工序上使用的加工精度是不需要高的。一般满足条件的都可以，那么选择粗基准有以下几点原则：位置精度原则，位置精度原则应该选择零件的不加工面为基准，且相对被加工面要有一定的位置精度保证。加工余量合理的分配，选择的基准应该保证加工的准确性，然后就是保证加工有足够的余量。选择的基准应该便于装夹，使用便于方便，夹具固定可靠。2.4.3加工工艺的比例根据加工的精度，可以知道镗床主轴套的精度等级达到为IT4级，属于高精度的零件体，制定加工工艺时必须考虑粗加工、半精加工、精加工等。各个加工工序的步骤主要内容可以分为：1：粗加工，在换挡轴的毛坯基础上进行车削加工，粗加工时，对镗床主轴套的尺寸留有足够的尺寸余量，为后面的加工留足余量。2：半精加工，通过粗加工初步形成需要的尺寸轮廓，在经过半精加工，使加工的尺寸更加的精确。3:精加工，在半精加工的基础上进行微量的铣削加工，以达到零件的表面度，粗糙度，公差精度等。本次设计的换挡轴外圆面要求粗糙度精度非常的高，因此在加工完后，还需要加入研磨工序，通过研磨，以使零件的表面达到使用的精度的要求。2.5机床工序设计2.5.1指定工序余量，尺寸，公差及表面粗糙度的确定划线，在φ24mm274mm的毛坯一端划中心线。钳工，按线钻中心孔。粗车1，粗车外圆φ24mm至φ22.8mm（调头后注意接平）。热处理1，调质处理，硬度达到HBS257。半精车1，在工件打标号的一端割下一个6mm的试片，工件的相应端再打同样的标号，待试片的金相组织检验合格以后转入到下道程序。半精车2，车外圆φ22.8mm至φ22+0.02+0.04mm，表面粗糙度Ra值5μm(调头后注意接平半精车3，车两端面至270±0.2mm尺寸，切槽，倒角45度。粗磨1，两端以45°倒角进行定位，粗磨外园（φ22+0.02+0.04mm）至尺寸

φ22mm,表面粗糙度Ra值为0.8μ铣，粗精铣齿条，在中经上留磨量0.50+0.1mm,齿面粗糙度Ra值5μ磨齿1，粗磨齿条，在中经上留精磨量0.20+0.05mm，齿面粗糙度Ra值1.25μ磨齿2，以外圆和端面进行定位安装，精磨齿条至图纸要求。2.5.2机床设备、刀具、夹具、切削用量的选择本次设计的换挡轴，由于加工的数量有限，因此在机床设备的选择上，应该选择常用的且易于加工的机床设备。机床的选择应该满足机床的一般选择原则进行选择。查阅机床的相关参数明细，根据以上的加工工序和加工余量可以选择出，本次设计选择的有普通车床C6140，立式铣床X5030，外圆磨床M1432A，万能外圆磨床，F13×1000等相关加工机床。机床刀具的选择，本次设计选择都加工刀具都是选择为常用的刀具，无特殊刀具的选择，钻孔采用中心钻头1×60°；车端面时采用端面车刀；车外圆时采用外圆车刀;车内圆时采用内圆车刀,磨圆选择砂轮；精铣齿轮选择齿轮铣刀；研磨选用三点式磨具，磨料选用粒度为W3.5的碳化硼BC[8]；研磨内孔选用可调式磨具，磨料选用粒度为W3.5的碳化硼BC。切削用量的选择，本工序的选择时根据零件图纸的尺寸精度进行选择，结合以上的选择各种的刀具进行适量的余量管控。切削余量的选择原则是，要尽可能大的预留钻孔的深度，选择一个较大的给进量，选择合适的切向转速。切向深度的选择ap：该加工余量的选择应该是在考虑到后面半精加工与精加工的切削余量，每一道工序都应该为后面的加工余量留有足够的余量空间。进给量f选择：给进量的选择依据是主要根据零件的材料的硬度与应力大小进行选择。2.6工时定额的计算粗车外圆φ24，计算单边余量根据计算结果，本次设计留1mm的加工余量。确定给进量f：f的选择时根据机械加工工艺进行选择，一般取值范围在0.6~0.9mm之间，本次设计取f=0.8mm/r，根据切削速度与主轴的关系，查表可以得到v=1.33~1.83mm/s。那么可以换算出v=1.5mm/s=90m/min，所以可以根据公式计算：本处应该选择整数：n=270r/min。由车床C6140的技术参数表取n=260r/min。根据以上的转速可以计算出实际的切削速度：因此可以选择各个参数值为：粗加工钻孔计算：切削深度查表确定进给量f，f选择数值范围为0.45~0.55mm/r。本次设计选择f=0.48mm/r。根据设计表参数，选择切削速度v=0.25mm/s=1.5m/min。那么根据这些参数可以计算出：根据车床的技术参数，n=132r/min。由数据计算实际的切削速度；根据计算结构，选择各个加工用量为：铣齿面切肖速度v=35.00-85.00m/min,取v=50.00m/min，进给量f=0.3mm/r，切肖深度ap=5.5mm。计算主轴转速根据铣床X5030的转速参数表，可以选择n=800r/min。计算实际的切削速度，那么可以得出铣齿面的各个参数：第三章夹具设计3.1概述在日常加工中，对于一些特殊的零件，或者要求精度较高的零件，往往会通过夹具固定来进行车削加工，以保证加工的精度要求。夹具也可以分为很多种，根据零件的不同可以分为成组、专用、通用和组合夹具，每一种夹具使用的特性有所差别。通用夹具使用范围是比较广的，适用于很多的零件加工。专用夹具使用性就是有针对性的，针对于某一种零件；成组夹具使用的是成组性，应用于一些固定的形状；组合夹具是以少量的机加工为主，配合标准件选择使用，使用成本较低；随性夹具是自动线夹具的一种，可以夹具零件做一个流水线式的运动。根据加工的零件的不同选择不同的加工夹具进行加工生产。3.2定位方案的选择与定位元件的设计要确定定位方案，就需要先了解定位零件的基本要求：具体有以下几点要求：①夹具定位要精确；②夹紧动作要简便，迅速，结构要简单；③夹具要有一定的强度，不能有形变产生。要对换挡轴进行定位，就需要做到6自由度的完全定位，这样才能通过夹具的定位，达到加工的精度要求。因本次设计的齿铣齿面夹具，那么夹具体需要在设计时考虑到镗床的结构，需要做到一定的支撑，防止变形，防止铣齿精度误差等。3.3夹紧方案的选择与机构的设计夹具体夹紧方案的选择，通过夹具体的组成设计原则，本着夹具体设计要点。整个方案可分为夹紧元件，定位元件，引导元件，夹具体等元件组成。以上的元件分别组成了整个夹具的设计组成元素，通过定位夹紧相配合等，实现对镗床主轴套的夹紧定位。通过引导元件实现对夹具体的固定和易于安装防止加工过程中的形变产生。本次定位元件设计考虑换挡轴的外形为圆形，因此在结构设计上，定位元件以圆弧形结构为主，采用与换挡轴外形一样的圆弧结构进行夹紧，保证精度的要求。通过螺栓固定的方式，对换挡轴的固定夹紧，利用V行槽限制换挡轴的上下运动，利用限位块限制镗床主轴套的前后移动，在设计中心轴固定换挡轴左右的移动，从而达到限制6个方向的自由度，达到完全限制的目的。图3.1换挡轴夹具定位图图3.2换挡轴夹具定位左视图3.4夹具体类型的选择有以以上的夹具体类型分类，结合夹具的设计。本次设计的换挡轴为高端精度的零件，精度等级为IT4级，因此从夹具体分类的区别来看，其他的夹具体类型不太实用与如何高精度的零件加工，因此在设计夹具是，应该选择专用夹具，专用夹具就是针对该换挡轴零件专门设计，有比较好的实用性，既满足了设计的要求，也达到了加工的精度，而且专用夹具在使用时夹紧方便，夹紧迅速，可以节约大量的公时，提高了生产效率，并且适合用在大批量的生产加工中，因此本次设计夹具需要专门定制设计，对换挡轴设计专用夹具。3.5夹具体结构设计结合换挡轴的齿面精度要求，齿距的精度要求在0.016范围之内，行为公差垂直度为0.02，结合给定的数据要求，设计计算需要的数值。夹紧力的计算：CFZ为切削力系数。CFZ=68.2ae为切削宽度，ae=5mmaf为每齿进给量，af=0.05mmd0为刀具直径，d0=10mmap为切削深度，ap=6.5mmZ为铣刀齿数，Z=8有上面的计算公式可以得出计算FH计算Fv那么需要计算夹紧力，夹紧力的大小是需要固定住镗床主轴套，夹紧力的公式为:防止工件轴向移动的夹紧力公式为：安全系数K在这里可以取值范围为2.5~3，T为扭矩，a为V性块夹角，a=90°F为轴向力，F=1995.6N，u为摩擦因数，u=0.12，根据以上公式可以计算得到：有轴向夹紧力计算公式可以得到：3.6夹具定位误差分析（1）定位元件尺寸及公差确定。镗床夹具设计主要采用的是定位销结合平面设计相配合。（2）工件的工序基准为孔心，当工件布置与定位夹具上，采用的定位基准是按照销的定位精度来定，那么最大的误差就是定位销与孔配合的误差。本夹具是用于一般铣床加工换挡轴的零件，因此采用定位定位需要保证工件与夹具保持固定接触。此时可求出孔心在接触点与销中心连线方向上的最大变动量为孔径公差多一半。工件的定位基准为孔心。工序尺寸方向与固定接触点和销中心连线方向相同，则其定位误差为：Td=Dmax-Dmin本次设计换挡轴铣齿夹具定位是以中心轴为定位，定位公差为74mm，为了满足工序的加工要求，必须使工序中误差总和等