阶梯轴工艺编程以及转位车刀设计模板.doc

1. 零件分析
1、零件作用
阶梯轴是机械加工中经典零件之一，它关键用来支撑传动零件和传输转矩。
由零件图1.1可知，其材料为45钢，属于中碳钢，它含有足够强度、刚度和韧性，适适用于承受弯曲应力和冲击载荷作用工作条件。
图1.1 阶梯轴
2、零件工艺分析
该阶梯轴即使形状、结构简单，不过加工精度要求较高。这关键是为了提升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，是表面硬度达成48~55HRC。
在加工过程中，阶梯轴关键工作表面精度IT7，很轻易满足，依据表面粗糙度确定其加工工艺——粗车、半精车、精车加工方法；对加工表面为IT4、IT5，其加工精度要求较高，同时依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、研磨加工方法。
该零件关键工作表面43、45、38外圆表面粗糙度分别为，，，在设计工艺规程时应关键给予确保。
3、确定零件生产类型
依旧设计题目可知：产品年产量为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%，零件年产量为：

2. 确定毛坯类型
材料一样能够经过铸造，铸造得到，不过考虑到加工经济度，型材是最优选择。
因为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，取得纤维组织，毛坯选择型材，棒料，截断成。
3. 工艺规程设计
1、由零件生产类型详尽分析，依据表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可能选择专用夹具，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，再完成表面半精加工和精加工，而关键表面精加工则放在最终进行。
2、确定工艺路线
1）确定加工方案
方案一：采取一般机床，分散加工方法加工阶梯轴。
方案二：采取数控机床，分散加工方法加工阶梯轴。
2）方案比较，确定加工方案
因为该生产为大批量生产，在加工时应重视加工效率和经济性，所以综合分析后取最优结果，选择方案一。
3、表面加工方法确实定
依据零件图上个加工表面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所表示：
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
对于表面，尺寸精度为IT4，表面粗糙度为Ra0.2；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，研磨等多个阶段。
2）其它表面
对于其它表面，其加工精度相对较低，在机械加工过程中很轻易确保，所以可将加工阶段划分成粗加工，半精加工，精加工等多个阶段。
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
因为阶梯轴原材料为型材，它加工性能很好，所以加工后进行热处理只要确保阶梯轴工作性能即可。
粗加工后，L12，L23，L34，L56应安排调制处理，使其取得均匀细致回火索氏组织，提升综协力学性能。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次序安排标准基础上，确定阶梯轴机械加工工艺路线，见表3.3。
表3.3 阶梯轴机械加工工艺路线 （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，则她们所选择切削速度Vc和进给速度f相差不大，能够选择相同参数。
背吃刀量
背吃刀量ap1取为z1，z1等于左端面毛坯总余量等于毛坯总长度减去阶梯轴总长度差值二分之一。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择，该工序每齿进给量fz取为0.08mm/z。
（2）铣削速度
本工序采取高速钢镶齿铣刀，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。

因为工序采取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]，硬质合金刀常见切削速度
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、时间定额计算
1） 基础时间计算
（1）粗铣端面
查表5.41[1]铣削基础时间计算 ；
查表5.37[1]车外圆和镗孔基础时间计算
（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）辅助时间计算
辅助时间和基础时间tj之间关系 ，取，则各工序辅助时间为：
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）其它时间计算：
除了作业时间以外，每道工序单间时间还包含部署工作时间、休息和生理需要时间和准备和终止时间。因为阶梯轴生产类型为大批量生产，分摊到每个工件上准备和终止时间甚微，能够忽略不计，部署工作时间tb为作业时间2%~7%,休息和生理需要时间tx是作业时间2%~4%，均取为3%，则各工序其它时间（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设计
1、刀片结构确实定
1）选择刀片夹固结构
考虑到加工在C620—1一般车床上进行，且属于连续切削，参考表2.1[2]经典刀片夹固结构简图和特点，采取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，根据硬质合金选择标准，选择刀片材料（硬质合金牌号）为YT15。
3）选择车到合理角度
依据刀具合理几何参数选择标准，并考虑到可转位车刀几何角度形成特点，选择以下四个关键角度：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实际数值和副后角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
依据切削用量选择标准，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
选择有中心固定孔刀片，按选定主偏角κr=90°，参考2.4.4.2[2]刀片形状选择标准，选择三角形刀片。参考2.4.4.3[2]刀片精度等级选择标准，选择U级。
1）选择刀片内切圆直径d（或刀片边长L）。
依据已确定ap=3mm，κr=90°和λs=-6°，将ap、κr和λs代入，可求出刀刃实际参与工作长度为：
；
则选择刀片长度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。
依据已选定ap=3mm、f=0.4mm/r及经过图2.3[2]（选择刀片厚度诺普图），求得刀片厚度。
3、选择刀尖圆弧半径。
依据已选定ap=3mm、f=0.4mm/r，利用图2.4[2]（选择刀尖圆角半径诺普图），求得连续切削时；
4、选择刀片断削槽形式和尺寸
参考2.4.4.4[2]中刀片断削槽形式和尺寸选择标准，依据已知原始条件，选择A型断削槽，断削槽尺寸在选定刀片型号和尺寸后，便可确定。
综合以上七方面选择结果，确定选择好刀片型号是：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选择，取决于刀片夹固结构及刀片型号和尺寸。该刀选择和刀片形状相同刀垫，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验算公式：；
当初，则上式可变为
； ……………………………①
将γo=15°，λs=-6°代入①式得，则，和所选角度很近似，能够满足切削要求。而刀杆后角，故。
3）刀槽主偏角

因为，，所以。
车刀尖叫εr计算公式为

当初，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，能够满足切削要求。
刀槽副后角，故,取。
综合上述计算结果，能够归纳出：
车刀几何角度：

刀槽几何角度：

5、计算铣制刀槽时需要角度
参考2.4.4.4[2]中刀片断削槽形式和尺寸选择标准，依据已知原始条件，选择A型断削槽，断削槽尺寸在选定刀片型号和尺寸后，便可确定。

综合以上七方面选择结果，确定选择好刀片型号是：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 选择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C620-1一般车床，其中心高为220mm。根据表2.37[2]，并考虑到为提升刀杆强度，选择刀杆截面尺寸B×H=20×25㎜²。
因为切削深度ap=3mm，进给量f=0.4mm/r，能够无须校验刀杆强度。
（2）选择刀杆长度尺寸 参考2.5.1.3[2]刀杆长度尺寸选择标准，选择刀杆长度为160mm。
3）选择偏心销及其相关尺寸
（1）选择偏心销材料 偏心销材料选择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，选择自锁性很好螺钉偏心销，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位置
依据前边已选各尺寸，
，
取，代入则：
；
；
8、 绘制车刀零件图