齿轮轴零件的机械加工工艺和铣键槽专用夹具设计

齿轮轴零件的机械加工工艺和铣键槽专用夹具设计,齿轮轴,零件,机械,加工,工艺,键槽,专用,夹具,设计 本科毕业设计（论文） 题目：齿轮轴零件的机械加工工艺 与夹具设计 齿轮轴零件的机械制造工艺与夹具设计 摘 要 齿轮轴零件的主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。齿轮轴具备传动效率高、结构紧凑和使用寿命长等一系列优点，是通用机械特别是工程机械传动中的重要零件之一。齿轮轴加工材料、热处理方式、机械加工工艺过程的优化，将对提高齿轮轴的加工质量及寿命有着重要借鉴意义。本文“齿轮轴”零件进行了机械制造工艺规程设计和铣键槽专用夹具设计。本设计首先分析了齿轮轴零件的作用和加工工艺性，然后进行工艺规程设计，最后是铣键槽专用夹具设计。齿轮轴零件的机械综合性能要求较高，一般选择锻件作为毛坯。合理安排工艺路线，划分加工阶段对保证零件加工质量至关重要。使用夹具可以缩短辅助时间，提高劳动生产率，保证加工精度，稳定加工质量，降低对工人的技术要求，扩大机床工艺范围。本文对所设计的专用夹具进行了精度校核和定位误差分析，对夹具的设计质量也进行了评估。 关键词：齿轮轴；工艺分析；工艺规程设计；夹具设计 Machining Process Planning and Fixture Design of The Gear Shaft Abstract The main function of the gear shaft is to support rotating parts, achieve rotary motion and transfer torque and power. Gear shaft has a series of advantages, such as high transmission efficiency, compact structure, long service life and so on. It is one of the important parts in the general machinery, particularly the engineering machinery transmission. The optimization of the gear shaft’s machining materials, thermal treatment method and machining process will have great significance on the machining quality of the gear shaft and the service life. This paper discussed the machinery manufacturing process planning and fixture design of milling key of a "gear shaft" The paper firstly analyzed the function of the gear shaft and its mechanical properties, and then planned the machining process, finally, the fixture design. As gear shaft requires the higher machinery comprehensive properties, we usually select the forgings as the forging blank. It is very important for ensuring the processing quality of the gear shaft to arrange the process routereasonably and divide the processing stage. Using Fixture can reduce theauxiliary time, increase productivity, ensure machining accuracy, stabilize the processing quality, reduce the technical requirements for workers and expand the technology range of machine tool. In this paper, special fixture was checked for precision and was analyzed for the positioningerror.The quality of fixture design was evaluated too. Key Words: Gear shaft; Process analysis; Process planning Design; Fixture design I 目 录 1 绪论.........................................................................................................................1 1.1论文综述..............................................................................................................1 1.1.1课题背景.........................................................................................................1 1.1.2研究意义.........................................................................................................1 1.1.3国内外相关研究情况.....................................................................................2 1.2课题基础知识...................................................................................................... .3 1.2.1 零件的作用 ................................................................................................3 1.2.2 机械制造工艺相关知识 ..............................................................................3 1.2.3 机床夹具设计基础知识 ..............................................................................6 2 轮轴零件的机械制造工艺规程设计 ...........................................................8 2.1 零件的工艺性分析及生产类型确定 ................................................................ 8 2.1.1 零件的加工工艺性分析 .. ...........................................................................8 2.1.2 确定零件的生产类型 ................................................................................10 2.2 选择毛坯，绘制毛坯图.................................................................................... 11 2.2.1 选择毛坯种类及制造形式 ....................................................................... 11 2.2.2 确定毛坯尺寸及机械加工余量 ............................................................... 13 2.2.3 设计毛坯图................................................................................................. 15 2.3 选择加工方法，拟定工艺路线 ...................................................................... 15 2.3.1 定位基准的选择......................................................................................... 15 2.3.2 零件表面加工方法的选择 ....................................................................... 16 2.3.3 加工阶段的划分......................................................................................... 17 2.3.4 工序的集中和分散 ................................................................................... 18 2.3.5 工序顺序的安排......................................................................................... 18 2.3.6 确定工艺路线 ........................................................................................... 19 2.3.7 加工设备及工艺装备的选择..................................................................... 22 2.3.8 工序间余量和工序尺寸的确定 ............................................................... 23 2.3.9 切削用量及基本时间定额的确定............................................................. 27 3 齿轮轴零件铣键槽专用夹具设计 ............................................................. 39 3.1 明确设计要求、收集设计资料 .......................................................................39 3.2 确定夹具结构方案 .......................................................................................... 40 3.2.1 确定定位方式，选择定位元件 ............................................................... 40 II 3.2.2 确定工件夹紧方案，设计夹紧机构 ........................................................ 41 3.2.3 确定夹具其他辅助定位部分..................................................................... 42 3.2.4 确定夹具总体结构和尺寸 ....................................................................... 43 3.3 绘制夹具总图 .................................................................................................. 44 3.4 绘制夹具零件图................................................................................................ 44 3.5切削力和夹紧力的计算......................................................................................45 3.6 夹具精度校核及质量评估................................................................................ 46 4 结论........................................................................................................................47 致谢............................................................................................................................ 48 参考文献...................................................................................................................49 III 1 绪论 1.1 论文综述 1.1.1 题目背景 机械制造工艺对产品的质量控制起着重要作用，夹具是能够使产品按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置，它的主要用于保证产品的加工质量、减轻劳动强度、辅助产品检测、展示、运输等。 1.1.2 研究意义 随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。机床夹具在机械加工中起着重要的作用，所以应用十分广泛。归纳起来有以下几个方面的作用：保证工件的加工精度，稳定产品质量；提高劳动生产率和降低加工成本；改善工人劳动条件；在流水线生产中，便于平衡生产节拍。 本设计是在我们学完了大学的全部基础课程、技术课程以及全部专业课之后进行的。此次的设计是对大学期间所学各课程及相关绘图软件的一次深入的综合性复习，也是使我们综合运用所学过的基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。我们在完成毕业设计的同时，也培养了我们正确使用技术资料、国家标准、有关手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件等方面的工作能力，也为我们以后的工作打下了坚实的基础。本次设计的目的在于： （1） 培养综合分析和解决本专业的一般工程问题的独立能力，拓宽和深化所学知识。 （2） 培养树立正确的设计思想、设计思维，掌握工程设计的一般程序、规范的能力。 （3） 培养正确地使用技术知识、国家标准、有关手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件等方面的工作能力。 （4） 培养自己进行调查研究、面向实际、面向生产，向工人和工程技术人员学习的基本工作态度、工作作风和工作方法。 （5） 熟悉齿轮轴零件加工工艺过程和掌握夹具设计的方法步骤，为以后从事相关的技术性工作打下坚实的基础。 （6） 通过对齿轮轴零件的机械制造工艺设计，使我们在机械制造工艺规程设计，工艺方案论证，机械加工余量计算，工艺尺寸的确定，编写技术文件及查 47 阅技术文献等各个方面得到一次综合性训练。初步具备设计一个中等复杂程度零件工艺规程的能力。 （7） 能根据被加工零件的技术要求，运用夹具设计的基本原理和方法，拟定夹具设计案，完成夹具机构设计，初步具备设计出高效、省力、经济合理并能保证加工质量的专用夹具的能力。 （8） 通过零件图、装配图的绘制，使我们进一步熟练三维造型软件（本文主要用的是Solidworks）和 AutoCAD 的使用）。学会先建好三维模型，再转化为二维工程图这一制图方法。熟悉和掌握我国相关的制图标准和要求。 本次设计的主要内容为：首先认真分析已给定的齿轮轴零件图纸，明确相关技术要求和加工质量要求，在读懂图纸的基础上，利用Solidworks绘制该齿轮轴的三维模型；然后根据图纸上相关要求等确定该零件的生产类型，本次设计的零件属大批量生产。其次，对零件进行工艺分析，确定毛坯类型和制造方法，齿轮轴的材料为20CrMnMo,拟采用以锻造的形式进行毛坯的制造，然后设计两套不同的工艺路线方案，分析两套方案的优劣并根据实际生产条件和相关要求确定最终方案，完成机械加工工序设计，进行必要地经济分析。最后，对铣键槽进行夹具装配图及主要零件图的设计，对夹具进行精度校核并对其设计质量进行评估。 1.1.3 国内外相关研究情况 夹具从产生到现在，大约可以分为三个阶段:第一阶段主要表现在夹具与人的结合上，这时夹具主要是作为人的单纯的辅助工具，是使加工过程加速和趋于完善；第二阶段，夹具成为人与机床之间的桥梁，夹具的机能发生了变化，它主要用于工件的定位和夹紧，人们越来越认识到夹具与操作人员改进工作及机床性能的提高有着密切的关系，所以对夹具引起了重视；第三阶段表现为夹具与机床的结合，夹具为机床的一部分，成为机械加工中不可缺少的工艺装备。 发展现状、趋势：(1) 现代机械制造技术的现状，在产品设计方面，普遍采用计算机辅助产品设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)和计算机仿真技术；在加工技术方面，已实现了底层(车间层)的自动化，包括广泛地采用加工中心(或数控技术)、自动引导小车(AGV)等．近10余年来，发达国家主要从具有全新制造理念的制造系统自动化方面寻找出路，提出了一系列新的制造系统。如计算机集成制造系统、智能制造系统、并行工程、敏捷制造等；(2) 机械加工工艺的未来发展趋势， 集成化的发展趋势、 微纳化发展趋势、自动化发展趋势、数字化发展趋势。 随着机械工业的迅速发张，对产品的品种和生产率提出了愈来愈高的要求，使多品种，中小批生产作为机械生产的主流。为了适应机械生产的这种发展趋势，必然对机床夹具提出了更高的要求。特别像推动架零件的加工还处于落后的阶段。在今后的发展过程中，应大力推广使用组合夹具、半组合夹具、可调夹具，尤其是成组夹具。在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精度、高效、模块组合、通用、经济等方向发展。 1.2 课题背景知识 1.2.1 零件的作用 本设计所采用的是某厂提供的一根输入齿轮轴。齿轮轴零件的主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。齿轮轴零件是将齿轮部分和轴做成一体无需键配合的一种常见机械零件。齿轮轴具备传动效率高、结构紧凑和使用寿命长等一系列优点，是通用机械特别是工程机械传动中的重要零件之一。齿轮轴的工作能力一般取决于轴的强度和刚度，转速高时还取决于轴的振动稳定性。该齿轮轴主要作用是和相啮合的齿轮一起传递运动和速度，要求传动平稳。轴Φ55 mm 圆柱面处有圆弧形的键槽，主要是通过键和其他部件相连。轴的两端各有两个深20mm的螺纹孔M10。轴的中间部位为斜齿轮部分，主要传递运动和动力。 1.2.2 机械制造工艺相关知识 a. 基本概念 （1）生产过程是指从原材料到产品出厂的全部劳动过程。 （2）机械加工工艺过程是机械产品生产过程的一部分，是对零件采用机械加工的方法直接改变毛坯的形状、尺寸、和表面质量等，使之成为合格零件的过程。 （3）工序是指一个（或一组）工人在一个工作地对一个（或同时对几个）工件连续完成的那一部分工艺过程。 （4）安装是指如果在一个工序中需要对工件进行几次装夹，则每次装夹下完成的那一部分内容称为一个安装。 （5）工位是指在工件的一次装夹后，工件（或装配单元）与夹具或设备的可动部分一起相对刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置称为工位。 （6）工步是指在加工表面（或装配时的连接表面）和加工（或装配）工具不变的情况下，所连续完成的那一部分工序称为工步。 （7）走刀是指切削刀具在加工表面上切削一次所完成的工步内容，称为一次走刀。 （8）生产纲领是在计划期内生产的产品产量和进度计划。 （9）生产类型是指企业（或车间、工段、班组、工作地）生产专业化的程度分类。一般分为单件生产、成批生产和大批量生产三种类型。 b. 机械加工工艺规程 （1）机械加工工艺规程有：机械加工工艺过程卡片、机械加工工序卡片、标准零件或典型零件工艺过程卡片、单轴自动车床调整卡片、多轴自动车床调整卡片、机械加工工序操作指导卡片、检验卡片等。 （2）制定工艺规程的基本要求是：在保证产品质量的前提下，能尽量提高生产率和降低成本，并充分利用现有生产条件，保证工人具有良好而安全的劳动条件。 （3）制定工艺规程的步骤：1)收集和熟悉制定工艺规程的有关资料图样，进行零件的结构工艺性分析；2)确定毛坯的类型及制造方法；3)选择定位基准；4)拟定工艺路线；⑤确定各工序的工序余量、工序尺寸及其公差；⑥确定各工序的设备、刀具、夹具、量具和辅助工具；⑦确定各工序的切削用量及时间定额；⑧确定主要工序的技术要求及检验方法；⑨进行技术经济分析；⑩编制工艺文件。 c. 机械加工工艺规程制定中应注意的问题 （1）选择零件毛坯时，主要考虑下列因素：零件的材料（包括牌号及标准号）及其机械性能、零件的结构形状及外形尺寸、生产纲领、生产条件、积极推广应用新工艺、新技术和新材料。 （2）基准是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。从设计和工艺两个方面看可分为设计基准和工艺基准两大类。工艺基准又可进一步分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。定位基准又有粗基准和精基准之分。 （3）粗基准的选择原则有：保证相互位置要求的原则、保证加工表面加工余量合理分配的原则、粗基准不重复使用的原则、便于工件装夹的原则。 （4）精基准的选择原则有：基准重合原则、基准统一原则、自为基准原则、互为基准原则、便于装夹的原则。 （5）加工经济精度是指在正常加工条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间），所能保证的加工精度和表面粗糙度。 （6）选择加工方法时考虑的主要因素：工件的加工精度、表面粗糙度和其他技术要求，工件材料的性质，工件的形状和尺寸，生产类型、生产率和经济性，本厂设备、人员情况等。 （7）根据精度要求的不同，整个工艺过程可划分为：粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段、光整加工阶段、超精密加工阶段。划分加工阶段的原因主要有：1) 保证加工质量；2) 合理使用机床设备；3) 便于及时发现毛坯缺陷，避免精加工表面损伤；4) 便于安排热处理工序，使冷、热加工配合协调。 （8）机械加工工序的安排原则：1) 基面先行；2) 先粗后精；3) 先主后次；4) 先面后孔。 （9）热处理工序在工艺路线中的安排，主要取决于零件的材料和热处理的目的。预备热处理安排在机械加工之前；去除内应力的热处理安排在粗加工之后，精加工之前；最终热处理安排在精加工前后，变形较大的热处理应安排在精加工之前，变形较小的热处理应安排在精加工之后；表面的装饰性镀层和发蓝工序一般安排在工件精加工后；电镀工序后应进行抛光，耐磨性镀铬则放在粗磨和精磨之间。 （10）辅助工序包括检查、检验工序、去毛刺、平衡、清洗工序等，检验工序是主要的辅助工序。除了在每道工序中操作者自检外，还必须在下列情况下安排单独的检验工序：1)粗加工阶段结束后；2)关键工序前后；3)零件从一个车间转到另一个车间前后；4)零件全部加工结束之后。 （11）工序组合的原则：1)大批大量生产、零件结构叫复杂，适于采用工序集中地原则，对一些结构简单的产品，也可采用分散的原则。成批生产宜采用适当集中的原则，单件小批生产适于采用工序集中的原则；2)产品品种较多，又经常变换，适于采用工序分散的原则；3)零件加工质量、技术要求较高时一般采用工序分散的原则；4)零件尺寸、质量较大，不易运输和安装的，应采用工序集中地原则。 （12）选择设备时应考虑下列问题：1)机床的精度与工序要求的精度相适应；2)机床的规格与工件的外形尺寸，本工序的切削用量相适应；3)机床的生产率与被加工零件或产品的生产类型相适应；4)选择的设备尽可能与工厂现有条件相适应。 （13）加工余量是指加工过程中所切除的金属层厚度。加工余量可分为加工总余量（毛坯余量）和工序余量。加工总余量等于各工序余量之和。影响工序余量的因素有：1)上工序的各种表面缺陷和误差因素，包括表面粗糙度和缺陷层、尺寸公差和形位公差；2)本工序加工时的装夹误差。确定加工余量的方法有：分析计算法、查表法、经验估算法。 （14）工艺装备的选择包括确定各工序所需的夹具、刀具和计量器具等。夹具主要根据生产类型和加工要求来确定。刀具的选择主要取决于各工序所采用的加工方法、加工表面的尺寸、工件材料、加工精度和表面粗糙度要求，生产率和经济性等。计量器具主要根据生产类型和工件的加工精度来选取。 d. 时间定额与提高劳动生产率的工艺途径 （1）时间定额TT 包括：基本时间Tm、辅助时间Ta 、布置工作地时间Ts、休息与生理需要时间Tr、准备与终结时间。 单件和成批生产的单件时间定额：TT=Tp+ =Tm+Ta+Ts+Tr+ （1.1） 大批量生产的单件时间定额：TT=Tm+Ta+Ts+Tr （1.2） （2）提高劳动生产率的工艺途径有：1)缩短时间定额。缩短基本时间的措施有：提高切削用量和减少切削行程长度；缩短辅助时间的措施有：采用先进夹具、提高机床的自动化程度、采用先进的检测手段等直接缩短辅助时间，使基本时间与辅助时间重合等。2)推广应用新工艺和新方法。3)提高机械加工自动化程度。 e. 工艺过程的技术经济分析 （1）工艺成本是指生产成本中与工艺过程有关的那一部分费用。按照与年产量的关系分为可变费用V和不变费用C。 （2）若工件的年产量为N，则工件的全年工艺成本S（元/年）为： S= VN+C （1.3） 单件工艺成本 ： SP=V+ （1.4） 1.2.3 机床夹具设计基础知识 在机械制造的各个加工工艺工程中，必须使工件在工艺系统中处于正确的位置，以保证加工质量，并提高生产效率。把为了使工件处于正确位置上所使用的各种工艺装备称为夹具，如检验夹具、焊接夹具、装配夹具等。在机床上对工件进行切削加工时，为了保证加工精度，必须正确地安放工件，使工件相对于刀具和机床占有正确的位置，这一过程称为“定位”。为了保证这个正确位置在加工过程中稳定不变，应该对工件施加一定的夹紧力，这个过程称为“夹紧”。这两个过程总称为“安装”。在机床上实现安装过程的工艺装备，就是“机床夹具”。 机床夹具的种类很多，其中，使用范围最广泛的是通用夹具，如车床上用的三爪自定心卡盘和铣床上用的平口虎钳等。这类夹具的规格尺寸已经标准化，由专业厂家进行生产。而用于批量生产，专门为工件某加工工序服务的专用夹具，则必须由各个制造厂自行设计制造。 由于专用夹具的设计制造在很大程度上影响加工质量、生产率、劳动条件和生产成本，因此，它是各机械制造厂新产品投资、老产品改进和工艺更新中的一项重要生产技术准备工作，也是每一个从事机械加工工艺的技术人员必须掌握的基础知识。 机床夹具在机械加工中起着重要的作用，所以应用十分广泛。归纳起来有以下几个方面的作用： （1）保证工件的加工精度，稳定产品质量。夹具在机械加工中的基本作用就是保证工件的相对位置精度。由于采用了能直接定位的夹具，因此，可以准确地确定工件相对于道具和机床切削成形运动中的相互位置关系，不受或者少受各种主观因素的影响，可以稳定可靠地保证加工质量。 （2）提高劳动生产率和降低加工成本。提高劳动生产率，降低单件时间定额的主要技术措施是增大切削用量和压缩辅助时间。采用机床夹具，既可以提高工件加工时的刚度，有利于采用较大的切削用量，又可以省去划线找正等工作，使安装工作的辅助工时大大减小，因此能显著地提高劳动生产率和降低成本。 （3）改善工人劳动条件。采用夹具后，工件的装卸显然比不用夹具方便、省力、安全。使用专用夹具安装工件，定位方便、迅速，夹紧可采用增力、机动等装置，因此可以减轻工人的劳动强度。还可设计保护装置，确保操作者安全。 （4）在流水线生产中，便于平衡生产节拍。工艺工程中，当某些工件所需要工序时间特别长时，可以采用多工位或高效夹具等，以提高生产效率，使生产节拍能够比较平衡。 a. 机床夹具分类 （1）专用夹具。专用夹具是针对某一种工件的一定工序而专门设计的。因为不需要考虑通用性，所以夹具可以设计得结构紧凑、操作方便。还可以按需要采用各种省力机构、动力装置、分度装置等。因此，此类夹具可以保证较高的加工精度和劳动生产率。但是，由于这类夹具的专用性很强，并且设计和制造周期较长，制造费用也较高，当产品变更时，往往因无法再使用而报废。因此，这类夹具主要在产品固定和工艺稳定的较大批量生产中应用。 （2）可调式夹具。可调式夹具的特点是：加工完一种零件后，通过调整或更换夹具中的个别元件，即可加工形状相似、尺寸和加工工件相近的多种零件。可调式夹具又可以分为通用可调夹具和专用可调夹具。通用可调夹具如滑柱式钻模等，使用范围较大。专门化可调夹具常称为成组夹具，通常配合成组技术，用于装夹和加工一组结构与工艺相似的工件。因为这类夹具是在专门夹具基础上少量更换或调整夹具元件，所以只能到达有限目标的通用化。即使这样，也极大提高了专用夹具在多品种、中小批量生产中使用的经济性。 （3）专门化拼装夹具。专门化拼装夹具是针对其工件的特定工序加工要求，由实现制造好的通用性较强的标准化元件和部件拼装组成。从这个特点来看，这类夹具具有很大的通用性，但同时又是为某一种特定工序而专门拼装的夹具。因此，这类夹具又具有专门夹具的优点。 （4）自动化生产用夹具。自动化生产用夹具主要是自动线上所使用的夹具。基本上分为两类：一类是固定式夹具，它与一般专用夹具相似；一类是随行夹具，它除了具有一般夹具所担负的安装工件任务外，还担负着沿自动线输送工件的任务，即随着工件从一个工位移动到下一个工位。故称为“随行夹具”。属于自动化生产夹具的还有数控机床夹具。 b. 夹具设计的特点和基本要求 夹具设计的特点如下： （1）针对性强。设计人员必须全面掌握工艺和生产现场的实际情况。专用夹具是为某零件的某道工序设计的，设计人员必须全面了解和掌握产品零件的要求，工艺工程的安排以及所使用的机床、刀具，辅具的具体情况才可能提出合理可行的最佳方案，确定最合理的定位、夹紧装置。 （2）保证加工质量和劳动生产率是夹具设计的两项主要任务，而保证加工质量又是第一位的。因此，设计时应重点把住定位方案的确定和精度分析这两道关。对于制造精度要求不高的零件，其夹具设计应该重点保证提高劳动生产率和改善劳动条件。 （3）夹紧机构对整个夹具结构起决定性作用。夹紧装置的结构形式和种类很多，选用的灵活性很大，特别是夹紧装置中力源及传动机构的设计对夹具结构的影响最大。因此，在同样能保证工序要求的情况下，每个人设计的结构可能大不相同。而不同复杂程度的夹具在不同的生产规模条件下其经济效果也不一样，设计人员必须使自己的设计和生产规模相适应，不可片面追求高精度而忽视了经济性。 （4）夹具的制造多属于单件生产。因此，设计时应考虑采用组合加工，修配和调整等措施来保证夹具的制造精度，尽可能地考虑设置修配和调整环节，而不能完全依靠用完全互换的办法保证制造精度。 （5）设计周期短，一般不进行强度刚度计算。夹具设计是直接为产品生产服务的生产技术准备工作，其设计周期要求短，因此设计时多采用参照法或是凭经验确定的办法来保证受力件的强度和刚度，通常不进行详细计算，有时采用简便公式或用图表作为设计参考。要注意的是在设计一些具有较高精度的夹具时，应该对定位精度、夹紧力等进行必要的计算和分析。 夹具设计的原则是经济和实用，它可以概括为“好用、好造、好修”这六个字，其中好用是主要的，但好用也必须以不脱离生产现场的实际制造和维修水平为前提。具体要求为： 1）夹具的结构应与其用途和生产规模相适应，正确处理好质量、效率、方便性与经济性四者的关系。 2）保证工件精度。 3）保证使用方便，要便于装卸、便于夹紧、便于测量、便于观察、便于排屑排液、便于安装运输，保证安全第一。 4）注意结构工艺性，对加工、装配、检验和维修等问题应全面考虑，以降低制造成本。 2 齿轮轴零件的机械制造工艺规程设计 2.1 零件的工艺性分析及生产类型确定 2.1.1 零件的加工工艺性分析 如图2.1所示的齿轮轴是某厂提供的输入齿轮轴，属于阶梯轴类零件，由圆柱面、轴肩、键槽、齿轮等不同形式的几何表面及几何实体组成。“齿轮轴的精度要求高，输入齿轮轴的加工难度大，必须对齿轮轴加工过程中的一些重要问题，如材料、基准、热处理和齿形加工等做出正确的选择和分析，才能保质保量地完成批量齿轮轴的加工。[7]”以输入齿轮轴为例，其多数外圆表面尺寸精度达IT6,表面粗糙度值Ra为 6.3~1.6，而位置精度则通常应为尺寸精度数值的 1/3~1/5；齿轮的精度等级为7级。 图2.1 齿轮轴零件图 图2.2 齿轮轴零件主要技术要求 零件的材料为20CrMnMo，属于合金结构钢。它的强度高于15CrMnMo，塑性及韧性稍低，淬透性及力学性能比20CrMnTi高，淬火低温回火后具有良好的综合力学性能和低温冲击韧度。渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性能，但磨削时易产生裂纹。焊接性不好，适于电阻焊接，焊前需预热，焊后需回火处理。切削加工性和热加工性良好。常用于制造高硬度、高强度、高韧性的较大重要渗碳件（其要求均高15CrMnMo），如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮轴、齿轮、销轴，还可代替12Cr2Ni4使用。 根据对零件图的分析，该零件需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求如下： （1）齿轮轴两端面和联接斜齿轮部位的两Φ77mm圆柱面表面粗糙度Ra值均为12.5μm，Φ77mm圆柱面的尺寸精度要求也较低，属于已加工表面。Φ77mm圆柱面和斜齿轮部分联接的地方R2mm圆角，远离齿轮部分的两端均2×45°倒角。 （2）齿轮轴右端的Φ65圆柱面表面粗糙度Ra值为1.6μm，尺寸精度为 6 级，对基准轴线的圆跳动为0.015mm，圆柱度为0.005mm。和Φ77mm圆柱面联接部位R2mm圆角，左台阶面的表面粗糙度Ra值为3.2μm，对基准轴线的垂直度为0.025mm，另一端2×45°倒角。这一部分主要是要和轴承的内圈相配合的，配合质量的好坏将直接影响齿轮轴工作情况的好坏。在加工时应特别注意满足图纸所示的加工精度要求。 （3）齿轮轴中间部位为斜齿轮部分，根据已知条件可计算出分度圆直径d 为73.894mm，齿顶圆直径为da为86.158mm，齿根圆直径为Φ68.158mm，由图可知齿顶圆的直径为Φ86.006h11 mm，直径范围为86.006~86.226 mm，86.158mm在这一尺寸范围内。齿轮两端沿齿廓倒R2mm圆角，顶部沿齿向倒R0.4 mm圆角，顶部沿轮齿周向倒2×45°斜角。分度圆表面粗糙度Ra值为0.8μm。齿轮部分是该轴的主要工作部分，对轮齿的硬度和强度要求较高。轮齿部分要进行渗碳淬火和磨削，还要进行磨削齿面探伤检查，防止裂纹产生。齿轮的精度等级为7级。 （4）齿轮轴左端Φ65mm圆柱面的尺寸精度为6级，表面粗糙度Ra值为0.8μm。圆柱面对基准轴线的圆跳动为0.015mm，圆柱度为0.005mm。和轴肩联接部位的台阶面对基准轴线的垂直度为0.025mm。左端面处有R2的圆角。 （5）齿轮轴最左端为Φ55mm圆柱面表面粗糙度Ra值为3.2μm，尺寸精度为6级，对基准轴线的圆跳动为0.015mm，圆柱度为0.005mm，左端面倒2×45°斜角。右端联接处倒R2mm圆角。 （6）齿轮轴左端的键槽深为6mm，宽为16N9mm，两侧面的表面粗糙度Ra值为3.2μm。键槽内侧面对Φ65mm圆柱面基准轴线的对称度为0.02mm。轴的两端均有两个深20mm的相距30mm的螺纹孔M10。 通过以上的分析可知，齿轮轴零件图样的视图正确、完整，尺寸、公差及技术要求齐全。各主要表面的尺寸精度、形状精度和位置精度通过选择合适的加工方法均可以满足。主要是斜齿轮的加工是一个难点，精度要求较高。如单个齿距偏差fpt为0.013 mm，齿距累计总误差Fp为0.039 mm，齿廓总偏差Fa为0.019 mm，螺旋线总偏差Fβ为0.020 mm,径向跳动Fγ为0.031mm。由于齿根圆直径为Φ68.158 mm小于Φ77mm，故不能采用插齿法加工轮齿，否则会损伤已加工表面。另外，对于斜齿轮用插齿法不便加工。 经分析，齿轮齿形的切削加工方法可选的有：1) 采用滚齿机利用展成运动加工齿轮；2) 采用铣床利用成形法加工齿轮。但后一种方法加工精度和生产率都较低，而该齿轮的精度等级为 7 级，齿轮轴是大批量生产，故该方法不是最佳方案。齿轮齿形的无切屑加工方法有：热轧、冷轧、模锻、精密铸造和粉末冶金等。在各种实际生产条件允许的情况下，可以考虑上述的无切屑加工方法。在加工各主要圆柱面时，以轴的中心线为定位基准，满足设计基准和定位基准重合，减少定位误差。 2.1.2 确定零件的生产类型 零件的生产类型是指企业（或车间、工段、班组、工作地等）生产专业化程度的分类，它对工艺规程的制订具有决定性的影响。生产类型一般可分为大量生产、成批生产和单件生产三种类型，不同的生产类型由着完全不同的工艺特征。零件的生产类型是按零件的年生产纲领和产品特征来确定的。生产纲领是指企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。年生产纲领是包括备品和废品在内的某产品年产量。 零件的生产纲领 N 可按下式[2]计算： N= Qm(1+ a%)(1+ b%) (2.1) 式中 N----零件的生产纲领 Q----产品的年产量（台、辆/年） m----每台（辆）产品中该零件的数量（件/台、辆） a%---备品率，一般取2%-4% b%---废品率，一般取0.3%-0.7% 根据上式就可以计算求得出零件的年生产纲领，再通过查表，就能确定该零件的生产类型。根据本零件的设计要求，Q =5000台，m=1件/台，分别取备品率和废品率为3%和0.5%，将数据代入上式计算得 N=5176件/年。根据表1−3[3]，表1−4[3]可知该零件为轻型零件，本设计齿轮轴零件的的生产类型为大批量生产。 2.2 选择毛坯，绘制毛坯图 2.2.1 选择毛坯种类及制造形式 毛坯的选用主要包括毛坯的材料、类型和生产方法的选用。选用正确与否直接关系到毛坯的制造质量、工艺和成本，并影响到机械加工质量、工艺和成本等。毛坯质量主要是指合格毛坯本身能满足用户要求的程度。它主要包括外观质量、内在质量和使用质量。其中，外观质量包括毛坯表面粗糙度、尺寸精度、质量偏差、形状偏差和表面缺陷等；内在质量包括毛坯的物理性能、力学性能、金相组织、化学成分、偏析、内应力、致密度、内部缺陷等；使用质量包括毛坯的抗疲劳性能、高温及低温力学性能、耐磨性、耐蚀性和精度保持性等。毛坯材料的选用是保证产品内在质量的一个主要因素。 毛坯选用的原则有：1)满足材料的工艺性能要求。如碳钢主要使用锻造生产，但其中某些牌号也有较好的铸造性能；2)满足零件的使用性能要求；3)降低制造成本；4)符合生产条件。 该零件的材料为 20CrMnMo，属于合金结构钢。由于齿轮轴机械强度要求高，在使用过程中要承受重载荷、冲击载荷或交变载荷，齿轮轴的毛坯宜选用锻件。因为锻件的强度与冲击韧度较高。锻件的材料主要是各种碳钢与合金钢。锻造方法有自由锻、模锻与胎膜锻和精密锻造等几种。其中，自由锻造生产率低、锻造精度低、表面质量差、加工余量大，但成本低，适于单件小批生产及大型锻件的生产；模锻生产率高、锻件精度高、表面质量好、加工余量小、可锻制较复杂的锻件，但成本较高，适用于成批大量生产中小型锻件；胎膜锻介于自由锻和模锻之间，适用于中小批生产小型锻件。尺寸大的齿轮轴通常选择自由锻造，中小型齿轮轴可选择模锻件，一些小齿轮轴也可制作成整体毛坯。若锻件毛坯为锤上钢质自由锻件，其机械加工余量与公差应遵循 GB/T15826 系列标准；若毛坯为钢质模锻件，其机械加工余量与公差应遵循 GB/T12362 系列标准。 通过以上分析，选择锻件作为毛坯，采用模锻成型的方法制造毛坯。另外，应注意锻件毛坯要防止晶粒不均匀、裂纹、龟裂等由于锻造工艺不当所产生的锻造缺陷。锻件金相组织评级及评定方法应遵循相应的国家标准，成批加工可采用抽检的方法。 2.2.2 确定毛坯尺寸及机械加工余量 （1）国标中规定钢质模锻件的公差分为两级，即普通级和精密级。精密级公差适用于有较高技术要求，但需要采取附加制造工艺才能达到的锻件，一般不宜采用。精密级公差可用于某一锻件的全部尺寸，也可用于局部尺寸。平锻件只采用普通级。由齿轮轴零件的功用和技术要求，可确定该零件的公差等级为普通级。锻件精度等级为F级。 （2）根据零件图的基本尺寸和表2-16、表2-17、表2-18和表2-19[3]可初步得粗车、半精车、粗磨和精磨外圆的加工余量分别为6mm 、1.1mm 、0.4mm 和0.1mm，又粗精加工分开时，对于粗车外圆的余量允许小于原表中余量的20﹪，故可取粗车余量为4.8mm。总的余量为6.4 mm。再根据表2-9[3]可知锻件机械加工余量和公差为：a=83, a=104（用于长度为467 mm）。根据上述数据可基本上确定锻件图的尺寸。 锻件图如下（图中粗实线代表锻件的外形，零件的轮廓线用双点画线表示）： 图2.3 齿轮轴零件的锻件图 （3）根据图2.3和计算式：w=π×r2×l×pñ （2.2） 则m锻=3.14×7.85×103×(672×82×772 ×171+892×127+982×107)10-9÷4=21.05kg，又已知机械加工后齿轮轴零件的重量为14.5 kg。以包容锻件最大轮廓的圆柱体作为实体计算重量，圆形锻件按《机械制造技术基础课程设计指导教程》[3]公式计算。假设锻件最大直径为Φ100 mm，长为500 mm。 m外包=π×52×50×7.85=30811g=30.81kg (2.3) S=21.05÷30.81=0.683 (2.4) 按表2.2-10[4]，可确定形状复杂系数为S1,属简单级别。 （4）锻件的材质系数M 锻件材质系数分为两级：M1和M2。M1级：碳的质量分数小于0.65﹪的碳素钢或合金元素总质量分数小于3.0﹪的合金钢；M2级：碳的质量分数大于或等于 0.65﹪的碳素钢或合金元素总质量分数大于或等于3.0﹪的合金钢。该零件的材料为20CrMnMo，属于合金结构钢。碳质量分数在0.17﹪和0.23﹪之间小于0.65﹪，合金元素的质量分数也小于3.0﹪，故该零件的材质系数属M1级。 （5）锻件的分模线形状 根据该零件的行为特点，本文选择零件的水平面为分模面，属平直分模线，如图2.4齿轮轴零件锻造毛坯图所示。 （6）零件表面粗糙度 零件表面粗糙度是确定锻件加工余量的重要参数。按Ra数值大小分为两类：1) Ra≥1.6μm2) Ra≤1.6μm。由零件图可知，该齿轮轴各加工表面的粗糙度 Ra 基本都大于等于1.6μm，只有Φ65e6、Φ65k6的外圆表面粗糙度Ra要求为0.8μm。 根据上述诸因素，可查表确定该锻件的尺寸公差和机械加工余量，所得结果列于下表2.1中。 表2.1 齿轮轴锻造毛坯尺寸公差及机械加工余量 项目 加工余量/ mm（单边） 锻件尺寸/ mm 尺寸公差/ mm Φ 55m6 3 Φ61 Φ65e6 3.5 Φ 72 Φ65k6 3.5 Φ72 Φ77 2.5 Φ 82 Φ86.006h11 3 Φ92.006 Φ77 2.5 Φ82