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1、 东 北 大 学NORTHEASTERN UNIVERSITY毕业设计GRADUATE DESIGN 论文题目：变速器一轴零件数控加工工艺设计及程序编制 摘 要本零件在设计加工过程中分析了轴的特点及作用，介绍了轴的数控加工工艺设计与程序编制。要体现在对材料的选择、刀具的选择、工装夹具、定位元件、基准的选择、定位方式、对刀、工艺路线拟定、程序的编制、数控车、数控铣等。着重说明了数控加工工艺设计的主要内容 、数控加工工艺与普通加工工艺的区别及特点 、控刀具的要求与特点 、数控刀具的材料 、选择数控刀具时应考虑的因素、工件的安装 、定位误差的概念和产生的原因 、数控车床的主要加工对象、数控车床的坐标
2、系、零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定 、工步顺序的安排 、切削参数选择 、数控铣床的主要加工对象等。全面审核投入生产制造中。其中轴的数控加工工艺分析、装夹、基准的选择、工艺路线的拟定、程序的编制既是重点又是难点。关键词：轴、工件装夹、基准、刀具、车削、铣削一、零件图样分析如图所示：(一) 结构分析该轴为一阶梯轴，工作时受弯曲和扭转应力作用，但承受的应力和冲击力不大，运转较平稳，工作条件较好。大端内孔工作时需经常与顶尖、卡盘有相对摩擦；花键部位与齿轮会有相对滑动或碰撞。(二) 选材分析由于该轴是用作变速器上的传动轴，对性能方面要求都较高，而且该主轴结构形状较简单，工作最大应力处于表层，应
3、选用合金调质钢，本设计选用40cr作轴的材料。成分：碳0.370.45，硅0.170.37，锰0.50.8，铬0.81.1 退火硬度：小于207HBS 正火硬度：小于250HBS 调质处理：试样直径：25mm，850度淬火加热油淬，520度回火后：抗拉1000兆帕，屈服800兆帕，延伸9，断面收缩45，冲击韧性588.3千焦/平方米。40cr：抗拉强度比相应的碳素钢约高20%，具有良好的淬透性，截面在50mm以下时，油淬后有较高的疲劳强度，切削加工性能良好，但焊接性能较差。40cr进行不同的热处理，具有不同的用途。例如：T235热处理工艺后：用于承受中等负荷，高速度及冲击的零件，如轴、套等；c
4、52热处理工艺后：用于承受重负荷，低冲击及要求耐磨的零件，如：轴、套、环、蜗杆等。D500热处理工艺后：用于表面耐磨、要求热处理变形小的零件，如伞齿轮、螺旋齿轮、花键套等。45钢也是轴类零件的常用材料，它价格便宜，经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达4552HRC。合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达5058HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。精密机床的主轴（例如磨床砂轮
5、轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。二、工件的装夹（一）技术要求分析由零件简图可知，该主轴呈阶梯状，其上有安装支承轴承、传动件的圆柱、圆锥面，安装滑动齿轮的花键等。下面分别介绍该轴各主要部分的作用及技术要求： 支承轴颈该轴左端17.4与36.4径向跳动公差为0.04mm；表面粗糙度Ra为1.6mm；支承轴颈尺寸精度为IT6-IT7。因为该轴支承轴颈是用来安装支承轴承，是轴上部件的装配基准面，所以它的制造精度直接影响到主轴部件的回转精度。
6、 空套齿轮轴颈空套齿轮轴颈两端面对两端中心孔的径向圆跳动公差为0.02 mm。由于该轴颈是与齿轮孔相配合的表面，对支承轴颈应有一定的同轴度要求，否则引起主轴传动啮合不良，当轴的转速很高时，还会影响齿轮传动平稳性并产生噪声。其它部分达到尺寸要求即可。加工的主要问题是如何保证该轴支承轴颈的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度，更值得注意的是怎样保证轴上两轴颈及齿轮两端面处的圆跳动要求 ？考虑到该轴是以两端面做为该轴的设计基准，所以采用两顶尖装夹的方法加工该轴。（二）数控车床夹具1.数控车床夹具的定义和分类在数控车床上用于装夹工件的装置称为车床夹具。车床夹具可分为通用夹具和专用夹具两大类。通用夹具是指能
7、够装夹两种或两种以上工件的夹具，例如车床上的三爪卡盘、四爪卡盘、弹簧卡套和通用心轴等；专用夹具是专门为加工某一特定工件的某一工序而设计的夹具。2.夹具作用在数控车削加工过程中，夹具是用来装夹被加工工件的，因此必须保证被加工工件的定位精度，并尽可能做到装卸方便、快捷。选择夹具时应优先考虑通用夹具。使用通用夹具无法装夹、或者不能保证被加工工件与加工工序的定位精度时，才采用专用夹具。专用夹具的定位精度较高，成本也较高。专用夹具的作用为：（1）保证产品质量（2）提高加工效率（3）解决车床加工中的特殊装夹问题（4）扩大机床的使用范围使用专用夹具可以完成非轴套、非轮盘类零件的孔、轴、槽和螺纹等的加工，可扩
8、大机床的使用范围。在数控车削加工中，较短轴类零件的定位方式通常采用一端外圆固定，即用三爪卡盘、四爪卡盘或弹簧套固定工件的外圆表面，此定位方式对工件的悬伸长度有一定限制，工件悬伸过长会在切削过程中产生变形，工件悬伸过长还会增大加工误差甚至掉活。对于切削长度较长的轴类零件可以采用一夹一顶，或采用两顶尖定位。在装夹方式允许的条件下，零件的轴向定位面尽量选择几何精度较高的表面。（三） 通用夹具1.圆周定位夹具在数控车削加工中，粗加工、半精加工的精度要求不高时，可利用工件或毛坯的外圆表面定位。（1）三爪卡盘三爪卡盘是最常用的车床也是数控车床的通用卡具。三爪卡盘最大的优点是可以自动定心。它的夹持范围大，但
9、定心精度不高，不适合于零件同轴度要求高时的二次装夹。三爪卡盘常见的有机械式和液压式两种。液压卡盘装夹迅速、方便，但夹持范围小，尺寸变化大时需重新调整卡爪位置。数控车床经常采用液压卡盘，液压卡盘特别适用于批量加工。（2）软爪由于三爪卡盘定心精度不高，当加工同轴度要求较高的工件、或者进行工件的二次装夹时，常使用软爪。通常三爪卡盘的卡爪要进行热过处理，硬度较高，很难用常用刀具切削。软爪是改变上述不足而设计制造的一种具有切削性能的夹爪。加工软爪时要注意以下几方面的问题：1）软爪要在与使用时相同的夹紧状态下进行车削，以免在加工过程中松动和由于反向间隙而引起定心误差。车削软爪内定位表而时，要在软爪尾部夹一
10、适当的圆盘，以消除卡盘端面螺纹的间隙。2）当被加工件以外圆定位时，软爪夹持直径应比工件外圆直径略小。其目的是增加软爪与工件的接触面积。软爪内径大于工件外径时，会造成软爪与工件形成三点接触,此种情况下夹紧牢固度较差，所以应尽量避免。当软爪内径过小时，会形成软爪与工件的六点接触，不仅会在被加工表面留下压痕，而且软爪接触面也会变形。这在实际使用中都应该尽量避免。软爪有机械式和液压式两种。软爪常用于加工同轴度要求较高的工件的二次装夹。（3）卡盘加顶尖在车削质量较大的工件时，一般工件的一端用卡盘夹持，另一端用后顶尖支撑。为了防止工件由于切削力的作用而产生的轴向位移，必须在卡盘内装一限位支撑，或者利用工件
11、的台阶面进行限位。此种装夹方法比较安全可靠，能够承受较大的轴向切削力，安装刚性好，轴向定位准确，所以在数控车削加工中应用较多。（4）芯轴和弹簧芯轴当工件用已加工过的孔作为定位基准时，可采用芯轴装夹。这种装夹方法可以保证工件内外表面的同轴度，适用于批量生产。芯轴的种类很多。常见的芯轴有圆柱芯轴、小锥度芯轴，这类芯轴的定心精度不高。弹簧芯轴（又称涨心芯轴），既能定心，又能夹紧，是一种定心夹紧装置。（5）弹簧夹套弹簧夹套定心精度高，装夹工件快捷方便，常用于精加工的外圆表面定位。它特别适用于尺寸精度较高、表面质量较好的冷拔圆棒料的夹持。它夹持工件的内孔是规定的标准系列，并非任意直径的工件都可以进行夹持
12、。（6）四爪卡盘加工精度要求不高、偏心距较小、零件长度较短的工件时，可以采用四爪卡盘进行装夹，如图3-12所示。四爪卡盘的四个卡爪是各自独立移动的，通过调整工件夹持部位在车床主轴上的位置，使工件加工表面的回转中心与车床主轴的回转中心重合。但是，四爪卡盘的找正烦琐费时，一般用于单件小批生产。四爪卡盘的卡爪有正爪和反爪两种形式。（四） 两顶尖装夹的方法两顶尖装夹工件时的安装为：先使用对分夹头或鸡心夹头夹紧工件一端的圆周，再将拨杆旋入三爪卡盘，并使拨杆伸向对分夹头或鸡心夹头的端面。车床主轴转动时，带动三爪卡盘转动，随之带动拨杆同时转动，由拨杆拨动对分夹头或鸡心夹头，拨动工件随三爪卡盘的转动而转动。两
13、顶尖只对工件有定心和支撑作用，必须通过对分夹头或鸡心夹头的拨杆带动工件旋转。两顶尖定位的优点是定心正确可靠，安装方便。顶尖作用是进行工件的定心，并承受工件的重量和切削力。使用两顶尖装夹工件时的注意事项：1）前后顶尖的连线应该与车床主轴中心线同轴，否则会产生不应有的锥度误差。2）尾座套筒在不与车刀干涉的前提下，应尽量伸出短些，以增加刚性和减小振动。3）中心孔的形状应正确，表面粗糙度应较好。4）两顶尖中心孔的配合应该松紧适当。工件的找正1、找正装夹数控车床进行工件的装夹时，必须将工件表面的回转中心轴线，即工件坐标系的Z轴，找正到与数控车床的主轴中心轴线重合。2.找正方法同于普通车床找正工件的的找正
14、方法。用打表找正。通过调整卡爪，使得工件坐标系的Z轴与数控车床的主轴回转中心轴线重合。使用三爪自动定心卡盘装夹较长的工件时，由于工件较长，工件远离三爪自动定心卡盘夹持部分的旋转中心与车床主轴的旋转中心不重合，此时必须进行工件的安装找正。在三爪自动定心卡盘的精度不高时，安装工件时也需要进行工件的装夹找正。三、数控刀具的选择a) 数控刀具的要求与特点1) 要有高的切削效率2) 要有高的精度和重复定位精度 3) 要有高的可靠性和耐用度 4) 实现刀具尺寸的预调和快速换刀5) 具有完善的模块式工具系统6) 建立完备的刀具管理系统 要有在线监控及尺寸补偿系统 数控车床能兼作粗精车削，因此粗车时，要迁强度
15、高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。此外，为减少换刀时间和方便对刀，应尽可能采用机夹刀和机夹刀片。夹紧刀片的方式要选择得比较合理，刀片最好选择涂层硬质合金刀片。目前，数控车床用得最普遍的是硬质合金刀具和高速钢刀具两种。 b) 数控刀具的材料 刀具的选择是根据零件、硬度、以及加工表面粗糙度要求和加工余量的已知条件来决定刀片的几何结构（如刀尖圆角）、进给量、切削速度和刀片牌号。 焊接式车刀和可转位车刀硬质合金焊接式车刀硬质合金焊接式车刀是由硬质合金刀片和普通结构钢刀杆通过焊接而成。其优点是结构简单、制造方便、刀具刚性好、使用灵活，故应用较为广泛。图 6-13 所示为焊接式车刀。1 刀片型号及其选择硬质合金刀片（ carbide tip ）除正确选用材料和牌号外，还应合理选择其型号。表 6-1 为硬质合金焊接式刀片示例。焊接式车刀刀片分为 A 、 B 、 C 、 D 、E 五类。刀片型号由一个字母和一个或二个数字组成。字母表示刀片形状、数字代表刀片主要尺寸。刀片尺寸中的 l要根据背吃刀量和主偏角确定。外圆车刀一般应使参加工作的
