畢業(yè)設計（論文）-傳動軸零件加工工藝及銑鍵槽夾具設計

重慶大學網絡教育學院畢業(yè)論文 1.引言 軸類零件的加工工藝及鍵槽的夾具設計是制造這類零件的兩個基本要素，充分理解和掌握軸類零件加工工藝是提高制造能力和工藝水平的關鍵，同時配合優(yōu)良的夾具設計來達到現代機械制造業(yè)要求的高效率、高品質的目的。 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 2.傳動軸生產類型 由題目知：年產量為30000件，備品率為3%，廢品率為2%， Q=30000件/年，m=1件/臺，備品率a%和廢品率b%分別為3%和2%。代入公式： N=Qm(1+a%)(1+b%) 得： N=30000×(1+3%)×(1+2%) =31518件/年 該傳動軸的重量約為0.58KG，查表可得，傳動軸屬輕型零件，生產類型為大批量生產。 表1 不同機械產品的零件質量型別表 機械產品類別 加工零件的質量/kg 輕型零件 中型零件 重型零件 電子工業(yè)機械 <4 4～30 >30 機床 <15 15～50 >50 重型機械 <100 100～2000 >2000 表2 各種生產類型的規(guī)范 生產類型 零件的年生產綱領/（臺/年或件/年） 輕型機械 中型機械 重型機械 單件生產 ≤100 ≤20 ≤5 小批生產 100～500 20～200 5～100 中批生產 500～5000 200～500 100～300 大批生產 5000～50000 500～5000 300～1000 大量生產 >500000 >5000 >1000 3．傳動軸零件分析 3.1零件用途分析 軸是組成機器零件的主要零件之一。一切做回轉運動的傳動零件（例如：齒輪，蝸輪等）都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。因此，軸的主要用途是支撐回轉零件和傳遞運動和動力。跟據軸線形狀的不同可分為直軸、曲軸、撓性軸。按照承受載荷的不同又可分為轉軸，心軸，和傳動軸三類。工作中，既承受彎矩又承受轉矩的稱為轉軸，這類軸在各種機器中最為常見，只承受彎矩而不承受轉矩的稱為心軸，心軸又分為回轉心軸和靜止心軸兩種，只能承受轉矩而不承受彎矩的稱為傳動軸。 傳動軸在各種機械和傳動系統(tǒng)中廣泛使用，用來傳遞動力。在工作過程中主要承受交變扭轉負荷或有沖擊，因此該零件應具有足夠的強度、剛度和韌性，以適應其工作條件。 3.2零件技術要求 零件圖如下圖1所示，其主要加工表面技術要求見表3 圖1 傳動軸零件圖 表3 傳動軸零件技術要求表 加工表面 尺寸及偏差/mm 公差/mm及精度等級 表面粗糙度/μm 形位公差/mm 傳動軸兩端面 160 無 無 無 M軸外圓面 +0 φ24 -0.021 IT7 Ra1.6 無 N軸肩左端面 40 無 無 無 N軸肩外圓面 +0.023 φ25 +0.002 IT7 Ra1.6 無 O軸肩左端面 72 無 無 無 O軸外圓面 φ28 無 Ra1.6 無 O軸肩右端面 76 無 無 無 P軸外圓面 +0.023 φ25 +0.002 IT7 Ra1.6 無 P軸肩右端面 115 無 無 無 Q軸外圓面 +0 φ24 -0.021 IT7 Ra1.6 無 傳動軸零件形狀為較簡單的階梯軸，由圖可知其各個外圓表面精度等級和表面粗糙度求不高，并且傳動軸沒有形位誤差要求。為了在工作過程中承受交變扭轉負荷和沖擊，傳動軸需要有良好的力學綜合性能，一般要對其進行調質處理。 3.3熱處理分析 因以鍛件為毛坯，為改善鍛造過程中所造成的粗大晶粒，消除加工硬化，殘余應力和改善切削加工性能，故毛坯在車削加工前需要先正火。待粗加工完成后，零件再經調質200～230HBS來滿足設計要求（將淬火和高溫回火相結合的熱處理稱為調質）。 3.4零件表面加工方法的選擇 傳動軸的加工面有外圓、端面、鍵槽、退刀槽。從傳動軸技術要求分析，本傳動軸僅外圓面有精度要求和表面粗糙度要求，且要求不高。 常用外圓表面加工方法如下表4所示。 表4 外圓表面加工方法 加工方法 經濟加工精度等級（IT） 表面粗糙度Ra/μm 粗車 11~12 50~12.5 半精車 8~10 6.3~3.2 精車 6~7 1.6~0.8 磨削 6~7 0.8~0.4 常用鍵槽表面加工方法如下表5所示。 表5鍵槽加工方法 加工方案 經濟加工精度等級（IT） 表面粗糙度Ra 銑 11~12 12.5 因此本傳動軸采用車削加工即可滿足加工精度等級IT7及表面粗糙度要求。 4. 選擇毛坯 4.1傳動軸毛坯材料 題目已選定材料為45，45鋼是軸類零件的常用材料，它價格便宜且經過調質（或正火）后可以得到較好的切削加工性能，而且能獲得較高的強度、剛度和韌性等綜合機械性能。 4.2毛坯制造方法 由于該傳動軸在工作過程中要承受交變負荷和沖擊，為增強其強度和沖擊韌度，獲得纖維組織，故毛坯宜選用鍛件，鍛件的形狀和尺寸與零件相近，可以節(jié)約材料，減少切削加工的勞動量，降低生產成本。由于生產類型為大批量生產，故采用模鍛的方法來制造毛坯。 4.3毛坯設計 如下圖2為傳動軸毛坯圖。機械加工前模鍛毛坯的質量為0.86KG。 圖2 傳動軸毛坯圖 4.4毛坯加工余量分析 毛坯加工信息量如下表4所示。 表6 傳動軸毛坯加工余量表 加工表面 工序名稱 加工余量 工序尺寸 尺寸公差 表面粗糙度（μm） φ24 精車 0.1 24 h7 Ra1.6μm 半精車 0.4 24.2 h9(+0/-0.052) Ra6.3μm 粗車 2 25 Ra12.5μm 毛坯 29 φ25 精車 0.1 25 k7 Ra1.6μm 半精車 0.4 25.2 k9(+0.052/-0) Ra6.3μm 粗車 1.5 26 Ra12.5μm 毛坯 29 φ28 半精車 0.5 28 Ra6.3μm 粗車 1.5 29 Ra12.5μm 毛坯 32 5.工藝規(guī)程設計 5.1定位基準的選擇 定位基準有粗基準和精基準之分，通常先確定精基準，然后再確定粗基準。 5.1.1精基準的選擇 根據傳動軸零件圖的設計意圖和精基準的選擇原則要求定位基準與設計基準相重合，這里選擇傳動軸的兩端面中心孔作為定位基準，這樣可以方便的加工各個軸肩端面和各外圓表面，而且能保證加工軸肩面相對于中心軸線的圓跳動誤差，保證加工軸線相對于中心軸線的同軸度誤差。在加工鍵槽時需改變定位基準，根據設計要求選擇左右兩個端面作為定位基準加工鍵槽。 5.1.2粗基準的選擇 一般先選擇外圓表面作為粗基準，先加工出一個端面和端面的中心孔，然后再以加工出的端面定位加工另一個端面和其中心孔，而不是用外圓表面定位把兩個端面同時加工出來，這樣加工可以保證兩端面中心線的同軸度，并為后續(xù)的精加工做好準備。5.2零件表面加工方法的選擇 根據傳動軸零件上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，確定加工件各表面的加工方法如下表： 表7 傳動軸各表面加工方案 加工表面 尺寸精度等級 表面粗糙度/μm 加工方法 傳動軸兩端面 無 無 粗車 M軸外圓面 IT7 Ra1.6 粗車-半精車-精車 N軸肩左端面 無 無 粗車 N軸肩外圓面 IT7 Ra1.6 粗車-半精車-精車 O軸肩左端面 無 無 粗車 O軸外圓面 無 Ra1.6 粗車-半精車-精車 O軸肩右端面 無 無 粗車 P軸外圓面 IT7 Ra1.6 粗車-半精車-精車 P軸肩右端面 無 無 粗車 Q軸外圓面 IT7 Ra1.6 粗車-半精車-精車 5.3加工順序的安排 工工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗加工→調質→半精加工→淬火→精加工→銑槽→去毛刺→清洗→檢驗。 5.4工藝路線 該軸為階梯軸，為了提高毛胚生產效率，需要對毛胚進行簡化，但是這會使后面的切削加工余量增大，使車削過程中產生大量的切削熱，從而引起殘余應力重新分布而變形。因此，安排工序時需要將加工過程分為以下階段。 5.4.1粗加工階段 粗加工階段主要是去除各加工表面的余量，并做出精基準。包括粗車外圓，鉆中心孔。 5.4.1.1粗車兩端面，鉆中心孔為精基面作好準備，使后續(xù)工序定位精準，從而保證其他加工表面的形狀和位置要求。 5.4.1.2粗車階梯軸外圓，使此時毛坯的形狀接近工件的最終形狀和尺寸，只留下適當的加工余量。 5.4.1.3切出退刀槽。 5.4.2半精加工階段 半精加工階段的任務是減小粗加工留下的誤差，使加工表面達到一定的精度，為精加工做好準備。包括主軸各處外圓和修研中心孔。 5.4.3精加工階段 精加工階段的任務是確保達到圖紙規(guī)定的精度要求和表面粗糙度要求。它包括對表面粗糙度要求較高的外圓面M、N、P和Q面的精車加工，然后銑槽。 5.5 機床設備的選用 由于該軸生產類型為大批量生產，為提高生產效率及確保品質的穩(wěn)定性，故采用沈陽一機數控車床CAK6140來加工外圓及各端，該機床最大功率7.5KW，主軸轉速范圍150-2400rpm，加工精度IT6-IT7。 圖3數控車床CAK6140 鍵槽的加工采用臺灣邁鑫立式加工中心CNC VH-610，其最大功率7.5KW，定位精密：±0.005mm／300mm，重復精度：±0.003mm，主軸轉速8000rpm，FANUC數控系統(tǒng)。 圖4立式加工中心VH-610 5.6 刀具的選擇 選用車刀時，車端面選用硬質合金YT5主偏角45°端面車刀，粗車、半精車及精車外圓時選用YT15主偏角90°偏刀，退刀槽選用YT5切槽刀，銑鍵槽選用YT15圓柱鍵槽銑刀。 5.7 傳動軸工藝過程卡片 跟據上述加工工藝過程，其加工工藝過程卡片如表8： 表8 加工工藝過程卡片 機械加工工藝過程卡片 軸類 階梯軸 零件名稱 傳動軸 材料牌號 45 毛坯種類 鍛造 毛坯外形尺寸 164mm×φ32 mm 工序號 工序名稱 工序內容 設備 刀具 量具 1 鍛造毛坯 鍛造毛坯 模鍛錘 / / 2 熱處理 正火處理 熱處理爐 / / 3 粗車、鉆孔 粗車傳動軸兩端面并在兩端面鉆中心孔 CAK6140 45°刀 鉆頭 游標卡尺 4 粗車 粗車各軸肩端面及傳動軸各外圓表面 CAK6140 90°刀 游標卡尺 5 熱處理 調質處理 200—230HBS 熱處理爐 / 布氏硬度計 6 研修 研修中心孔 鉗工臺 麻花鉆 游標卡尺 7 半精車 半精車M、N、O、P、Q軸外圓面及各軸肩端面 CAK6140 90°刀 游標卡尺、外圓千分尺 8 車退刀槽 在O左右端面車出退刀槽 CAK6140 切槽刀 游標卡尺 9 精車 精車M、N、P、Q外圓表面至尺寸 CAK6140 90°刀 游標卡尺、外圓千分尺 10 銑槽 在M、Q面上銑槽至規(guī)定尺寸 VH-610 鍵槽銑刀 游標卡尺 11 去毛刺 去除各銳利毛邊毛刺 鉗工臺 平銼 / 12 清洗 去除零件加工過程中的污物 清洗機 / / 13 終檢 檢查傳動軸零件外觀及尺寸 檢驗臺 / 游標卡尺、外圓千分尺 重慶大學網絡教育 學院 設計（日期） 校對（日期） 審核（日期） 標準化（日期） 張小波 5.8 機械加工工序卡片 跟據上述加工工藝過程，其機械加工工序卡片如表9： 表9 機械加工工序卡片 重慶大學網絡教育 學院 產品名稱 / 零件圖號 / 零件名稱 傳動軸 車間 機加 機械加工工序卡片 夾具編號 / 使用設備 / 工步號 工步內容 工藝設備 刀具 主軸轉速 切削速度 進給量 背吃刀量 工裝 r/min m/min mm/r mm 1 粗車兩端面并在兩端面鉆中心孔 CAK6140 45°端面車刀 500 45.53 0.2 / 三抓卡盤 2 粗車軸肩端面及各外圓表面 CAK6140 90°偏刀 600 54.64 0.3 / 一夾一頂 3 半精車M、N、O、P、Q軸外圓面及各軸肩端面 CAK6140 90°偏刀 700 / 0.2 / 一夾一頂 4 車退刀槽 CAK6140 切槽刀 500 39.25 0.1 / 一夾一頂 5 精車M、N、P、Q外圓表面至尺寸 CAK6140 90°偏刀 1000 / 0.1 0.1 一夾一頂 6 在M、Q面上銑槽至規(guī)定尺寸 VH-610 鍵槽銑刀 1200 30 0.08 / 專用夾具 備注：部分參數因加工對像而沒能統(tǒng)一填入此表格，請參考下面各工步計算過程。 各工步加工時間計算 工步1 車兩端面 毛坯兩端外圓直徑φ29，需要切削深度是直徑的1/2，為14.5mm。 進給量f=0.2mm/r 進給速度Vf=fn=0.2x500=100mm/min 加工時間Tm=L/vf=14.5/100=0.145min 則車左右端面共用時間為2x0.145=0.29min 工步2 粗車各軸肩端面及傳動軸各外圓表面 粗車φ24左右兩端總長L=40+45=85mm的加工時間，從毛坯φ29加工到φ25，背吃刀量2mm 切削速度：Vc=πdn/1000=3.14X29X600/1000=54.64m/min 進給量取f=0.3mm/r 進給速度Vf=fn=0.3x600=180mm/min 加工時間tm=L/Vf=85/180=0.472min 粗車φ25左右兩端總長L=32+39=71 mm的加工時間，從毛坯φ29加工到φ26，背吃刀量1.5mm 切削速度：Vc=πdn/1000=3.14X29X600/1000=54.64m/min 進給量取f=0.3mm/r 進給速度Vf=fn=0.3x600=180mm/min 加工時間tm=L/Vf=71/180=0.394min 粗車φ28總長L=4mm的加工時間，從毛坯φ32加工到φ29，背吃刀量1.5mm 切削速度：Vc=πdn/1000=3.14X32X600/1000=60.29m/min 進給量取f=0.3mm/r 進給速度Vf=fn=0.3x600=180mm/min 加工時間Tm=L/Vf=4/180=0.022min 工步3 半精車各外圓表面 半精車φ24左右兩端總長L=40+45=85 mm的加工時間，從粗車后的尺寸φ25加工到φ24.2，背吃刀量0.4mm 切削速度：Vc=πdn/1000=3.14X25X700/1000=54.95m/min 進給量取f=0.2mm/r 進給速度Vf=fn=0.2x700=140mm/min 加工時間tm=L/Vf=85/140=0.607min 半精車φ25左右兩端總長L=32+39=71 mm的加工時間，從粗車后的尺寸φ26加工到φ25.2，背吃刀量0.4mm 切削速度：Vc=πdn/1000=3.14X26X700/1000=57.148m/min 進給量取f=0.2mm/r 進給速度Vf=fn=0.2x700=140mm/min 加工時間tm=L/Vf=71/140=0.507min 半精車φ28總長L=4mm的加工時間，從粗車后的尺寸φ29加工到φ28，背吃刀量0.5mm 切削速度：Vc=πdn/1000=3.14X29X700/1000=63.742m/min 進給量取f=0.2mm/r 進給速度Vf=fn=0.2x700=140mm/min 加工時間tm=L/Vf=4/140=0.029min 工步4 車退刀槽 半精加工后的外圓直徑為φ25，切槽1mm深。 進給量f=0.1mm/r 進給速度Vf=fn=0.1x500=50mm/min 加工時間Tm=L/vf=1/50=0.02min 則切左右2個退刀槽共用時間為2x0.02=0.04min 工步5 精車外圓 精車φ24左右兩端總長L=40+45=85 mm的加工時間，從半精車后的尺寸φ24.2加工到φ24，背吃刀量0.1mm 切削速度：Vc=πdn/1000=3.14X24.2X1000/1000=75.988m/min 進給量取f=0.1mm/r 進給速度Vf=fn=0.1x1000=100mm/min 加工時間tm=L/Vf=85/100=0.85min 精車φ25左右兩端總長L=32+39=71 mm的加工時間，從半精車后的尺寸φ25.2加工到φ25，背吃刀量0.1mm 切削速度：Vc=πdn/1000=3.14X25.2X1000/1000=79.128m/min 進給量取f=0.1mm/r 進給速度Vf=fn=0.1x1000=100mm/min 則加工時間tm=L/Vf=71/100=0.71min 工步6 銑鍵槽 軸M、Q外圓面上鍵槽尺寸為8×4，加工余量4mm，故一次走刀完成。左右2個鍵槽總長度尺寸L=26+31=57 mm 刀具選YT15銑刀，d=8mm ,z=2，參考機床切削范圍Vc取30m/min Vc=πdn/1000 算得機床轉速：n=1000*30/3.14*8=1194(r/min)，n取1200 r/min, fz取0.08mm/z Vf=fn=fzzn 每分鐘進給量：Vf=0.08*2*1200=192(mm/min)。 加工時間：tm=57/192=0.297(min)。 機械加工時間總共為： tm=0.29+0.472+0.394+0.022+0.607+0.507+0.029+0.04+0.85+0.71+0.297=3.92min 6. 鍵槽加工用夾具設計 6.1夾具的目的和作用 工件如何準確的裝夾在機床上？如何保證同一批次的每個工作被裝夾在相同的位置？夾具的實質是在機床上對工件進行定位和夾緊，其目的是通過定位和夾緊使工件在加工過程中始終保持正確的加工位置。夾具的作用表現在以下幾個方面。 6.1.1提高生產率 　 機床夾具能快速地將工件定位和夾緊，可以減少輔助時間，提高生產效率。尤其對于大批量零件的加工制造，優(yōu)良的夾具是提高生產效率的前提和保證。 6.1.2確保并穩(wěn)定加工精度，保證產品質量 　 加工過程中，工件與刀具的相對位置容易得到保證，并且裝夾過程中不受各種主觀因素的影響，因而工件的加工精度穩(wěn)定可靠。 6.1.3降低對操作工人的技術要求和工人的勞動強度 由于多數專用夾具的夾緊裝置只需工人操縱扳手即可實現對工件的夾緊，這在相當大程度上降低了工人的工作強度、同時夾具的使用可以節(jié)省每次裝夾工件時找正和調整工件的時間與難度。 6.2.夾具的設計 6.2.1定位基準的選擇 由零件工藝分析可知，軸鍵槽與軸外圓表面雖然沒有對稱度要求，但我們也應盡量提高其制造精度。加工鍵槽時零件外圓已經完成精車，故以零件外圓柱表面為定位基準。為了簡化夾具的結構，方便操作，這里采用手動夾緊。 6.2.2夾具定位元件 工件以外圓柱面作為定位基準時，根據外圓柱面的完整程度，加工要求及安裝方式，可以在V形塊，定位套，半圓套及圓錐套中定位。 本夾具是用來加工傳動軸零件的外鍵槽，這里選用V形塊作為定位元件，V形塊對中性好，可以使工件的定位基準軸線對中在V形塊兩斜面的對稱面上，不會發(fā)生偏移而且安裝方便，應用范圍廣泛，不論定位基準是否經過加工，不論是否完整，都可以采用V形塊定位。 V形塊上兩斜面間的夾角一般選用60°，90°，和120°。隨著V形塊的夾角的增大，其定位誤差減小，但夾角過大時，則工件需要更大的夾緊力，不然會引起工件定位不穩(wěn)定，綜合兩方面考慮選擇90°的V形塊。 本夾具采用的定位結構如圖5所示，其中視圖A是V形定位結構。 本夾具設計有2個凸起的定位塊，如圖5中視圖B所示。該定位塊用來將夾具體定位于數控銑床的T形槽上，然后用6個M10螺栓緊固于銑床T形臺上。 圖5夾具底座零件圖 6.2.3夾具導向及防誤操作機構 本夾具設計具有如下圖6所示的導向機構及防誤操作機構，裝夾時先將工件左端頂住V形塊左擋塊，右端用力按壓工件即可保證正確定位。如工件裝夾方向弄錯，則工件中間部分最大外圓柱面會與基座V形塊斜面干涉，導致其不能正確入位，如圖7所示。 圖6夾具導向機構 圖7工件反向裝夾 6.2.4夾具夾緊機構 夾緊機構常用的有斜楔，螺旋，偏心等夾緊機構，它們都是根據斜面加緊原理來實現夾緊工作的。但本工序采用數控銑床加工，考慮到切削力的方向變化不斷，加工時極易產生振動等因素，不建議采用偏心夾緊機構，而采用螺栓鉸鏈壓板組合夾緊機構，如圖8所示。 工件需要用壓板來將其固定在V形塊上，夾緊力過小會使夾緊不可靠；過大會使夾緊變形增大，因此，有必要確定一個恰當的夾緊力。由于切削力本身在加工過程中是受到切削用量、工件材料、刀具等多種因素影響，并且這些影響因素又是變化的，所以夾緊力大小的計算是一個很復雜的問題，實際上常常通過工藝實驗來確定夾緊力的大小。 圖8夾具結構3D視圖 本夾具可以同時裝夾2個工件，用六角扳手即可方便裝卸零件。若將多套夾具同時固定在機床的T形臺上，則可以一次性加工多個工件。 6.3夾具裝配圖的繪制 因生產類型為大批量生產，故設計夾具時除要考慮保證工件制造精度外，還要考慮如何提高生產效率。其設計如圖9所示。 圖9夾具爆炸圖 6.4夾具的對刀 夾具在機床上安裝完畢，在進行加工之前，還需進行夾具的對刀，使刀具相對夾具定位元件處于正確位置。對刀的方法通常有三種：試切法；調整法；用樣件或對刀裝置對刀。試切法對刀會在工件上留下刀痕，并且操作繁瑣；調整法對刀雖然不會留下刀痕，但操作起來仍然不方便。故這里采用方便的光電尋邊器對刀。 7夾具的精度核校 工件的外圓柱面在90度V形塊上定位時，若不考慮V形塊的制造誤差，則工件定位基準在V形塊的對稱面上，因此工件中心線在水平方向上的位移為零。在垂直方向上，因工件外圓有制造誤差會產生基準位移。工件精加工后外圓直徑為25mm，其上偏差為+0.023mm，下偏差為+0.002mm； 則基準位移誤差=0.707X0.021=0.015 mm 工序基準選在尺寸上線或是下線時，工序基準與定位基準不重合，其誤差值為 準不重合誤差=0.021/2=0.011 mm 工序基準選在下母線時，其定位誤差最小。其值為： 定位誤差=基準位移誤差-基準不重合誤差=0.015-0.011=0.04mm； 已知鍵槽的深度方向尺寸為20mm，圖上未標注公差，說明該工件對鍵槽深度尺寸要求不高，故滿足要求。 參考文獻： 【1】《機械制造工藝與裝備課程設計指導書》，倪森壽 【2】《機床夾具圖冊》，機械工業(yè)出版社 【3】《現代機械設備設計手冊》，機械工業(yè)出版社 【4】《機械工程手冊》，機械工業(yè)出版社 【5】《機床夾具設計》，機械工業(yè)出版社 21