阶梯轴工艺编程以及转位车刀设计.docx

1. 零件分析
1、零件的作用
阶梯轴是机械加工中的典型零件之一，它主要用来支撑传动零件和传递转矩。
由零件图1.1可知，其材料为45钢，属于中碳钢，它具有足够的强度、刚度和韧性，适用于承受弯曲应力和冲击载荷作用的工作条件。
图1.1 阶梯轴
2、零件的工艺分析
该阶梯轴虽然形状、结构简单，但是加工精度要求较高。这主要是为了提高阶梯轴在工作中承受冲击载荷能力，同时为增强其耐磨性，阶梯轴表面需要高频淬火处理，是表面硬度达到48~55HRC。
在加工过程中，阶梯轴主要工作表面精度IT7，很容易满足，根据表面粗糙度确定其加工工艺——粗车、半精车、精车的加工方法；对加工表面为IT4、IT5，其加工精度要求较高，同时根据表面粗糙度确定其加工工艺——粗车、半精车、精车、粗磨、粗精磨、精磨、研磨的加工方法。
该零件主要工作表面43、45、38的外圆表面粗糙度分别为，，，在设计工艺规程时应重点予以保证。
3、确定零件的生产类型
依旧设计题目可知：产品的年产量为30000件/年，结合生产实际，备品率α和废品率β分别取3%和0.5%，零件的年产量为：

2. 确定毛坯类型
材料同样可以通过锻造，铸造得到，但是考虑到加工的经济度，型材是最优选择。
由于阶梯轴在工作过程中要求受冲击载荷，为增强其强度和冲击韧度，获得纤维组织，毛坯选择型材，棒料，截断成。
3. 工艺规程设计
1、由零件的生产类型的详尽分析，根据表7.4[3]，该生产类型为轻型机械，大批量生产。所以在生产过程中应尽量选择专用夹具，专用刀具以节省加工时间和加工成本。在安排工序时，应将粗精加工分开，先完成表面粗加工，再完成表面的半精加工和精加工，而主要表面的精加工则放在最后进行。
2、拟定工艺路线
1）拟定加工方案
方案一：采用普通机床，分散的加工方法加工阶梯轴。
方案二：采用数控机床，分散的加工方法加工阶梯轴。
2）方案比较，确定加工方案
由于该生产为大批量生产，在加工时应注重加工的效率和经济性，所以综合分析后取最优结果，选取方案一。
3、表面加工方法的确定
根据零件图上个加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，查表2.34[1]车床加工经济精度，确定阶梯轴各表面加工方法，如表3.1所示：
表3.1 阶梯轴各表面加工方案
加工表面
最终尺寸
精度/mm
尺寸精
度等级
表面粗
糙度/um
余量（毛坯）
加工方案
备注
轴12

IT4
Ra0.2
18mm
粗车-精车-粗磨-精磨-研磨

轴23
43
IT7
Ra1.6
13mm
粗车-精车

轴34

IT5
Ra0.4
11mm
粗车-精车-粗磨-精磨

轴45
54
IT7
Ra1.6
2mm
粗车-精车

轴56
43
IT7
Ra1.6
13mm
粗车-精车

键槽

IT9
Ra3.2

粗铣-半粗铣

4、加工阶段划分
1）表面加工质量要求较高
对于的表面，尺寸精度为IT4，表面粗糙度为Ra0.2；的表面，尺寸精度为IT5，表面粗糙度为Ra0.4，可将加工阶段划分成粗加工，半精加工，精加工，粗磨，精磨，研磨等几个阶段。
2）其余表面
对于其他表面，其加工精度相对较低，在机械加工过程中很容易保证，所以可将加工阶段划分成粗加工，半精加工，精加工等几个阶段。
5、初拟阶梯轴机械加工工序安排，见表3.2。
表3.2 阶梯轴机械加工工序安排（初拟）
工序号
工序内容
定位基准
00
截断型材
外圆表面
05
铣端面，打顶尖孔
外圆表面
10
粗车外圆L12,L23,L34,L45,L56
顶尖孔
15
半精车外圆L12,L23,L34,L45,L56
顶尖孔
20
检验
顶尖孔
25
L12上铣键槽
顶尖孔
30
精车外圆L12,L23,L34,L45,L56
顶尖孔
35
清洗、检验
顶尖孔
40
粗磨L12,L34
顶尖孔
45
粗精磨L12，L34
顶尖孔
50
精磨L12
顶尖孔
55
研磨L12
顶尖孔
6、热处理工序
因为阶梯轴的原材料为型材，它的加工性能很好，所以加工后进行的热处理只要保证阶梯轴的工作性能即可。
粗加工后，L12，L23，L34，L56应安排调制处理，使其获得均匀细致的回火索氏组织，提高综合力学性能。同时，索氏体组织经加工后，表面粗糙度值较小。
7、确定工艺路线
在粗加工后，安排去毛刺和中间检验工序；精加工后，安排去毛刺、清洗和终检工序。
在综合考虑上述工序顺序安排原则的基础上，拟定阶梯轴的机械加工工艺路线，见表3.3。
表3.3 阶梯轴的机械加工工艺路线 （修改后）
工序号
工序内容
定位基准
工艺装备
加工设备
00
截断型材
外圆表面

05
铣端面，打顶尖孔
外圆表面
高速钢套式端铣刀，游标卡尺
专用机床
10
粗车外圆L12,L23,L34,L45,L56
顶尖孔
45°外圆车刀，游标卡尺
卧式车床C620-1
15
清洗、检验
顶尖孔
45°外圆车刀，游标卡尺

20
热处理，调质

25
L12上铣键槽
43外圆
键槽铣刀，游标卡尺
铣床X51
30
精车外圆L12,L23,L34,L45,L56
顶尖孔
45°外圆车刀，游标卡尺
卧式车床C620-1
35
粗磨L12,L34
顶尖孔
砂轮，游标卡尺
MGB1312
40
精磨L12,L34
顶尖孔
砂轮，游标卡尺
MGB1312
45
研磨L12
顶尖孔
砂轮，游标卡尺
MGB1312
50
清洗、检验

游标卡尺

8、切削用量的计算
1）工序05——粗铣阶梯轴两端面
（1）该工序以外圆面定位，先铣右端面，然后以外圆和右端面定位，再铣左端面，则他们所选用的切削速度Vc和进给速度f相差不大，可以选用相同参数。
背吃刀量
背吃刀量ap1取为z1，z1等于左端面的毛坯总余量等于毛坯总长度减去阶梯轴的总长度差值的一半。ap1=1mm。
进给量
X51型立式铣床功率为4.5kw，查表5.8[1]高速钢套式面铣刀粗进给量，按机床、工件、夹具系统刚度为中心等条件选取，该工序的每齿进给量fz取为0.08mm/z。
（2）铣削速度
本工序采用高速钢镶齿铣刀，dw=80mm、z=10,查表5.8[1]高速钢套式面铣刀铣削速度，确定铣削速度Vc=44.9m/min。

由于工序采用X51型立式铣床，查表3.6[1]，取转速nw=160r/min,故实际铣削速度

当nw=160r/min时，工作台每分钟进给量fm应为

2) 工序10——粗车外圆L12,L23,L34,L45,L56
查表5.2[1]，硬质合金刀常用切削速度
背吃刀量：ap=2.5~3mm，取ap=2.5mm;
进 给 量：f=0.35~0.65mm/r，取f=0.4mm/r;
切削速度：vc=60~80，取vc=70m/min;
实际主轴转速：dw12=45mm，；
dw23= dw56=50mm，；
dw34=52mm，；
dw45=62mm，；
取中间值，查表3.2[1]卧式车床主轴的转速，ns=477r/min；
3) 工序25——L12上铣键槽
由图得键槽深5mm，查表4.22[1]直柄键槽铣刀（GB/T 1112.1—1997），键槽铣刀参数：
D=12mm，L=65mm，l=22mm，d=12mm
4) 工序30——精车外圆L12,L23,L34,L45,L56
背吃刀量：ap=0.3~2mm，取ap=0.3mm; 对于轴45，ap=0.5mm；
进 给 量：f=0.1~0.3mm/r，取f=0.2mm/r;
切削速度：vc=75~90，取vc=85m/min;
实际主轴转速：dw12=39mm，
dw23= dw56=44mm，；
dw34=46mm，；
dw45=56mm，；
取中间值，查表3.2[1]卧式车床主轴的转速，ns=607r/min；
5）工序35——粗磨L12,L34，磨削进给量ap=0.02mm；
6）工序40——精磨L12，L34，磨削进给量ap=0.01mm；L34 L12
7）工序45——研磨L12，磨削进给量ap=0.001mm；L12
9、时间定额的计算
1） 基本时间计算
（1）粗铣端面
查表5.41[1]铣削基本时间计算 ；
查表5.37[1]车外圆和镗孔基本时间计算
（2）粗车外圆L12,L23,L34,L45,L56
;
（3）精车外圆L12,L23,L34,L45,L56

（4）铣键槽

（5）磨削时间
2）辅助时间的计算
辅助时间与基本时间tj之间的关系 ，取，则各工序的辅助时间为：
粗铣端面：；
粗车外圆L12,L23,L34,L45,L56：；
精车外圆L12,L23,L34,L45,L56：；
铣键槽：；
磨削时间：；
3）其他时间的计算：
除了作业的时间以外，每道工序的单间时间还包括布置工作的时间、休息与生理需要时间和准备与终结时间。由于阶梯轴的生产类型为大批量生产，分摊到每个工件上的准备和终结时间甚微，可以忽略不计，布置工作的时间tb为作业时间的2%~7%,休息与生理需要时间tx是作业时间的2%~4%，均取为3%，则各工序的其他时间（tb+tx）可按关系式（3%+3%）×（tf+tj）计算，它们分别是：
粗铣端面：
粗车外圆L12,L23,L34,L45,L56：
；
精车外圆L12,L23,L34,L45,L56：
；
铣键槽：；
磨削时间：；
5）各单件时间的计算
粗铣端面：
粗车外圆L12,L23,L34,L45,L56：
;
精车外圆L12,L23,L34,L45,L56：
;
铣键槽：;
磨削时间：;
4. 硬质合金可转位车刀的设计
1、刀片结构的确定
1）选择刀片夹固结构
考虑到加工在C620—1普通车床上进行，且属于连续切削，参照表2.1[2]典型刀片夹固结构简图和特点，采用偏心式刀片夹固结构。
2）选择刀片材料（硬质合金牌号）
有原始条件给定：被加工材料为45钢（正火），连续切削，完成粗车一道工序，按照硬质合金的选择原则，选取刀片材料（硬质合金牌号）为YT15。
3）选择车到合理角度
根据刀具合理几何参数的选择原则，并考虑到可转位车刀几何角度的形成特点，选取如下四个主要角度：1.前角γo=15°，2后角αo=5°，3主偏角κr=90°，4刃倾角λs=-6°。
后角αo的实际数值以及副后角α¹o和副偏角κ¹r在计算刀槽角度时，经校验后确定。
4）选择切削用量
根据切削用量的选择原则，查表5.2[2]确定切削用量。
粗车时：背吃刀量： ap=3mm; 进 给 量： f=0.4mm/r; 切削速度： vc=70m/min;
精车时：背吃刀量： ap=1.0mm；进 给 量： f=0.2mm/r; 切削速度： vc=85m/min;
2、刀片型号和尺寸
选用有中心固定孔的刀片，按选定的主偏角κr=90°，参照2.4.4.2[2]刀片形状的选择原则，选用三角形刀片。参照2.4.4.3[2]刀片精度等级的选择原则，选用U级。
1）选择刀片内切圆直径d（或刀片边长L）。
根据已确定的ap=3mm，κr=90°和λs=-6°，将ap、κr和λs代入，可求出刀刃的实际参加工作长度为：
；
则选用刀片长度L>1.5=1.5×3.124=4.686mm，因为是三角形刀片，所以。
2）选择刀片厚度s。
根据已选定的ap=3mm、f=0.4mm/r及通过图2.3[2]（选择刀片厚度的诺普图），求得刀片厚度。
3、选择刀尖圆弧半径。
根据已选定的ap=3mm、f=0.4mm/r，利用图2.4[2]（选择刀尖圆角半径的诺普图），求得连续切削时的；
4、选择刀片断削槽形式和尺寸
参照2.4.4.4[2]中刀片断削槽形式和尺寸的选择原则，根据已知的原始条件，选用A型断削槽，断削槽的尺寸在选定刀片型号和尺寸后，便可确定。
综合以上七方面的选择结果，确定选用好的刀片型号是：TNUM220412（表2.11[2]），其具体尺寸为：，,, ,;
刀片刀尖角；刀片刃倾角；断削槽宽；取法前角。
5、选择硬质合金刀垫型号和尺寸
硬质合金刀垫型号和尺寸的选择，取决于刀片夹固结构及刀片的型号和尺寸。该刀选择与刀片形状相同的刀垫，正三角形，中心有孔。查表2.15[2]三角形双面沉头刀片，其型号为：T22A，其尺寸为：d=11.70mm，m=16.750mm，长度L=20.26mm，厚度S=3.18mm，中心孔直径d1=6.3mm。材料为YG8。
1）计算刀槽角度
可转位车刀几何角度、刀片几何角度和刀槽几何角度之间的关系
刀槽角度计算步骤：
刀杆主偏角 ：；刀槽刃倾角 ：；刀槽前角。
将γo=15°、γnb=20°、λs=-6°代入下式得：
；则；取。
2）验算车刀后角αo。
车刀后角αo的验算公式：；
当时，则上式可变为
； ……………………………①
将γo=15°，λs=-6°代入①式得，则，与所选角度很近似，可以满足切削要求。而刀杆后角，故。
3）刀槽主偏角

因为，，所以。
车刀尖叫εr的计算公式为

当时，上式变为
………②
将，代入②式，得
， 则
故，取
4）验算车刀副后角
车刀副后角的验算公式
将，代入上式，得：
……③
而 ………④
………⑤
将，，代入④、⑤中，得
，所以
， 所以
再将，代入③，得：
，
所以，可以满足切削要求。
刀槽副后角，故,取。
综合上述计算结果，可以归纳出：
车刀的几何角度：

刀槽的几何角度：

5、计算铣制刀槽时需要的角度
参照2.4.4.4[2]中刀片断削槽形式和尺寸的选择原则，根据已知的原始条件，选用A型断削槽，断削槽的尺寸在选定刀片型号和尺寸后，便可确定。
综合以上七方面的选择结果，确定选用好的刀片型号是：TNUM220412（表2.11②），其具体尺寸为：，,, ,;
刀片刀尖角；刀片刃倾角；断削槽宽；取法前角。
6、计算刀槽最大负前角及方位角
将、代入，得：
，则
将、代入，得：
，则
计算刀槽切深剖面前角和进给剖面前角
将、，代入和，可得：
，所以
，所以
7、选择刀杆材料和尺寸
1）选择刀杆材料 选用45钢为刀杆材料，热处理硬度为HRC38~45，发黑处理。
2）选择刀杆尺寸
（1）选择刀杆截面尺寸。
因为加工使用C620-1普通车床，其中心高为220mm。按照表2.37[2]，并考虑到为提高刀杆强度，选择刀杆截面尺寸B×H=20×25㎜²。
由于切削深度ap=3mm，进给量f=0.4mm/r，可以不必校验刀杆强度。
（2）选择刀杆长度尺寸 参照2.5.1.3[2]刀杆长度尺寸选择原则，选取的刀杆长度为160mm。
3）选择偏心销及其相关尺寸
（1）选择偏心销材料 偏心销材料选用40Cr，热处理硬度为HRC40~45，发黑。
（2）选择偏心销直径dc和偏心量
偏心销直径为，前面已经选定，取括号内最大数值，则。
偏心量e可用求出，为计算方便，取，则，取。
为使刀片夹固可靠，选用自锁性较好的螺钉偏心销，并取螺钉偏心销直径d2为M6。
（3）计算偏心销转轴孔在刀槽前刀面上的位置
根据前边已选的各尺寸，
，
取，代入则：
；
；
8、 绘制车刀零件图