齒輪軸零件的機械加工工藝和銑鍵槽專用夾具設(shè)計

齒輪軸零件的機械加工工藝和銑鍵槽專用夾具設(shè)計,齒輪軸,零件,機械,加工,工藝,鍵槽,專用,夾具,設(shè)計 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：齒輪軸零件的機械加工工藝 與夾具設(shè)計 齒輪軸零件的機械制造工藝與夾具設(shè)計 摘 要 齒輪軸零件的主要作用是支撐回轉(zhuǎn)零件、實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動并傳遞轉(zhuǎn)矩和動力。齒輪軸具備傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和使用壽命長等一系列優(yōu)點，是通用機械特別是工程機械傳動中的重要零件之一。齒輪軸加工材料、熱處理方式、機械加工工藝過程的優(yōu)化，將對提高齒輪軸的加工質(zhì)量及壽命有著重要借鑒意義。本文“齒輪軸”零件進行了機械制造工藝規(guī)程設(shè)計和銑鍵槽專用夾具設(shè)計。本設(shè)計首先分析了齒輪軸零件的作用和加工工藝性，然后進行工藝規(guī)程設(shè)計，最后是銑鍵槽專用夾具設(shè)計。齒輪軸零件的機械綜合性能要求較高，一般選擇鍛件作為毛坯。合理安排工藝路線，劃分加工階段對保證零件加工質(zhì)量至關(guān)重要。使用夾具可以縮短輔助時間，提高勞動生產(chǎn)率，保證加工精度，穩(wěn)定加工質(zhì)量，降低對工人的技術(shù)要求，擴大機床工藝范圍。本文對所設(shè)計的專用夾具進行了精度校核和定位誤差分析，對夾具的設(shè)計質(zhì)量也進行了評估。 關(guān)鍵詞：齒輪軸；工藝分析；工藝規(guī)程設(shè)計；夾具設(shè)計 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 錄 1 緒論.........................................................................................................................1 1.1論文綜述..............................................................................................................1 1.1.1課題背景.........................................................................................................1 1.1.2研究意義.........................................................................................................1 1.1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況.....................................................................................2 1.2課題基礎(chǔ)知識...................................................................................................... .3 1.2.1 零件的作用 ................................................................................................3 1.2.2 機械制造工藝相關(guān)知識 ..............................................................................3 1.2.3 機床夾具設(shè)計基礎(chǔ)知識 ..............................................................................6 2 輪軸零件的機械制造工藝規(guī)程設(shè)計 ...........................................................8 2.1 零件的工藝性分析及生產(chǎn)類型確定 ................................................................ 8 2.1.1 零件的加工工藝性分析 .. ...........................................................................8 2.1.2 確定零件的生產(chǎn)類型 ................................................................................10 2.2 選擇毛坯，繪制毛坯圖.................................................................................... 11 2.2.1 選擇毛坯種類及制造形式 ....................................................................... 11 2.2.2 確定毛坯尺寸及機械加工余量 ............................................................... 13 2.2.3 設(shè)計毛坯圖................................................................................................. 15 2.3 選擇加工方法，擬定工藝路線 ...................................................................... 15 2.3.1 定位基準的選擇......................................................................................... 15 2.3.2 零件表面加工方法的選擇 ....................................................................... 16 2.3.3 加工階段的劃分......................................................................................... 17 2.3.4 工序的集中和分散 ................................................................................... 18 2.3.5 工序順序的安排......................................................................................... 18 2.3.6 確定工藝路線 ........................................................................................... 19 2.3.7 加工設(shè)備及工藝裝備的選擇..................................................................... 22 2.3.8 工序間余量和工序尺寸的確定 ............................................................... 23 2.3.9 切削用量及基本時間定額的確定............................................................. 27 3 齒輪軸零件銑鍵槽專用夾具設(shè)計 ............................................................. 39 3.1 明確設(shè)計要求、收集設(shè)計資料 .......................................................................39 3.2 確定夾具結(jié)構(gòu)方案 .......................................................................................... 40 3.2.1 確定定位方式，選擇定位元件 ............................................................... 40 II 3.2.2 確定工件夾緊方案，設(shè)計夾緊機構(gòu) ........................................................ 41 3.2.3 確定夾具其他輔助定位部分..................................................................... 42 3.2.4 確定夾具總體結(jié)構(gòu)和尺寸 ....................................................................... 43 3.3 繪制夾具總圖 .................................................................................................. 44 3.4 繪制夾具零件圖................................................................................................ 44 3.5切削力和夾緊力的計算......................................................................................45 3.6 夾具精度校核及質(zhì)量評估................................................................................ 46 4 結(jié)論........................................................................................................................47 致謝............................................................................................................................ 48 參考文獻...................................................................................................................49 III 1 緒論 1.1 論文綜述 1.1.1 題目背景 機械制造工藝對產(chǎn)品的質(zhì)量控制起著重要作用，夾具是能夠使產(chǎn)品按一定的技術(shù)要求準確定位和牢固夾緊的工藝裝置，它的主要用于保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量、減輕勞動強度、輔助產(chǎn)品檢測、展示、運輸?shù)取? 1.1.2 研究意義 隨著科學技術(shù)的不斷進步，夾具已從一種輔助工具發(fā)展成為門類齊全的工藝裝備。機床夾具在機械加工中起著重要的作用，所以應用十分廣泛。歸納起來有以下幾個方面的作用：保證工件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量；提高勞動生產(chǎn)率和降低加工成本；改善工人勞動條件；在流水線生產(chǎn)中，便于平衡生產(chǎn)節(jié)拍。 本設(shè)計是在我們學完了大學的全部基礎(chǔ)課程、技術(shù)課程以及全部專業(yè)課之后進行的。此次的設(shè)計是對大學期間所學各課程及相關(guān)繪圖軟件的一次深入的綜合性復習，也是使我們綜合運用所學過的基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問題而進行的一次基本訓練。我們在完成畢業(yè)設(shè)計的同時，也培養(yǎng)了我們正確使用技術(shù)資料、國家標準、有關(guān)手冊、圖冊等工具書，進行設(shè)計計算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)文件等方面的工作能力，也為我們以后的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。本次設(shè)計的目的在于： （1） 培養(yǎng)綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程問題的獨立能力，拓寬和深化所學知識。 （2） 培養(yǎng)樹立正確的設(shè)計思想、設(shè)計思維，掌握工程設(shè)計的一般程序、規(guī)范的能力。 （3） 培養(yǎng)正確地使用技術(shù)知識、國家標準、有關(guān)手冊、圖冊等工具書，進行設(shè)計計算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。 （4） 培養(yǎng)自己進行調(diào)查研究、面向?qū)嶋H、面向生產(chǎn)，向工人和工程技術(shù)人員學習的基本工作態(tài)度、工作作風和工作方法。 （5） 熟悉齒輪軸零件加工工藝過程和掌握夾具設(shè)計的方法步驟，為以后從事相關(guān)的技術(shù)性工作打下堅實的基礎(chǔ)。 （6） 通過對齒輪軸零件的機械制造工藝設(shè)計，使我們在機械制造工藝規(guī)程設(shè)計，工藝方案論證，機械加工余量計算，工藝尺寸的確定，編寫技術(shù)文件及查 47 閱技術(shù)文獻等各個方面得到一次綜合性訓練。初步具備設(shè)計一個中等復雜程度零件工藝規(guī)程的能力。 （7） 能根據(jù)被加工零件的技術(shù)要求，運用夾具設(shè)計的基本原理和方法，擬定夾具設(shè)計案，完成夾具機構(gòu)設(shè)計，初步具備設(shè)計出高效、省力、經(jīng)濟合理并能保證加工質(zhì)量的專用夾具的能力。 （8） 通過零件圖、裝配圖的繪制，使我們進一步熟練三維造型軟件（本文主要用的是Solidworks）和 AutoCAD 的使用）。學會先建好三維模型，再轉(zhuǎn)化為二維工程圖這一制圖方法。熟悉和掌握我國相關(guān)的制圖標準和要求。 本次設(shè)計的主要內(nèi)容為：首先認真分析已給定的齒輪軸零件圖紙，明確相關(guān)技術(shù)要求和加工質(zhì)量要求，在讀懂圖紙的基礎(chǔ)上，利用Solidworks繪制該齒輪軸的三維模型；然后根據(jù)圖紙上相關(guān)要求等確定該零件的生產(chǎn)類型，本次設(shè)計的零件屬大批量生產(chǎn)。其次，對零件進行工藝分析，確定毛坯類型和制造方法，齒輪軸的材料為20CrMnMo,擬采用以鍛造的形式進行毛坯的制造，然后設(shè)計兩套不同的工藝路線方案，分析兩套方案的優(yōu)劣并根據(jù)實際生產(chǎn)條件和相關(guān)要求確定最終方案，完成機械加工工序設(shè)計，進行必要地經(jīng)濟分析。最后，對銑鍵槽進行夾具裝配圖及主要零件圖的設(shè)計，對夾具進行精度校核并對其設(shè)計質(zhì)量進行評估。 1.1.3 國內(nèi)外相關(guān)研究情況 夾具從產(chǎn)生到現(xiàn)在，大約可以分為三個階段:第一階段主要表現(xiàn)在夾具與人的結(jié)合上，這時夾具主要是作為人的單純的輔助工具，是使加工過程加速和趨于完善；第二階段，夾具成為人與機床之間的橋梁，夾具的機能發(fā)生了變化，它主要用于工件的定位和夾緊，人們越來越認識到夾具與操作人員改進工作及機床性能的提高有著密切的關(guān)系，所以對夾具引起了重視；第三階段表現(xiàn)為夾具與機床的結(jié)合，夾具為機床的一部分，成為機械加工中不可缺少的工藝裝備。 發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢：(1) 現(xiàn)代機械制造技術(shù)的現(xiàn)狀，在產(chǎn)品設(shè)計方面，普遍采用計算機輔助產(chǎn)品設(shè)計(CAD)、計算機輔助工程分析(CAE)和計算機仿真技術(shù)；在加工技術(shù)方面，已實現(xiàn)了底層(車間層)的自動化，包括廣泛地采用加工中心(或數(shù)控技術(shù))、自動引導小車(AGV)等．近10余年來，發(fā)達國家主要從具有全新制造理念的制造系統(tǒng)自動化方面尋找出路，提出了一系列新的制造系統(tǒng)。如計算機集成制造系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)、并行工程、敏捷制造等；(2) 機械加工工藝的未來發(fā)展趨勢， 集成化的發(fā)展趨勢、 微納化發(fā)展趨勢、自動化發(fā)展趨勢、數(shù)字化發(fā)展趨勢。 隨著機械工業(yè)的迅速發(fā)張，對產(chǎn)品的品種和生產(chǎn)率提出了愈來愈高的要求，使多品種，中小批生產(chǎn)作為機械生產(chǎn)的主流。為了適應機械生產(chǎn)的這種發(fā)展趨勢，必然對機床夾具提出了更高的要求。特別像推動架零件的加工還處于落后的階段。在今后的發(fā)展過程中，應大力推廣使用組合夾具、半組合夾具、可調(diào)夾具，尤其是成組夾具。在機床技術(shù)向高速、高效、精密、復合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動下，夾具技術(shù)正朝著高精度、高效、模塊組合、通用、經(jīng)濟等方向發(fā)展。 1.2 課題背景知識 1.2.1 零件的作用 本設(shè)計所采用的是某廠提供的一根輸入齒輪軸。齒輪軸零件的主要作用是支撐回轉(zhuǎn)零件、實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動并傳遞轉(zhuǎn)矩和動力。齒輪軸零件是將齒輪部分和軸做成一體無需鍵配合的一種常見機械零件。齒輪軸具備傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和使用壽命長等一系列優(yōu)點，是通用機械特別是工程機械傳動中的重要零件之一。齒輪軸的工作能力一般取決于軸的強度和剛度，轉(zhuǎn)速高時還取決于軸的振動穩(wěn)定性。該齒輪軸主要作用是和相嚙合的齒輪一起傳遞運動和速度，要求傳動平穩(wěn)。軸Φ55 mm 圓柱面處有圓弧形的鍵槽，主要是通過鍵和其他部件相連。軸的兩端各有兩個深20mm的螺紋孔M10。軸的中間部位為斜齒輪部分，主要傳遞運動和動力。 1.2.2 機械制造工藝相關(guān)知識 a. 基本概念 （1）生產(chǎn)過程是指從原材料到產(chǎn)品出廠的全部勞動過程。 （2）機械加工工藝過程是機械產(chǎn)品生產(chǎn)過程的一部分，是對零件采用機械加工的方法直接改變毛坯的形狀、尺寸、和表面質(zhì)量等，使之成為合格零件的過程。 （3）工序是指一個（或一組）工人在一個工作地對一個（或同時對幾個）工件連續(xù)完成的那一部分工藝過程。 （4）安裝是指如果在一個工序中需要對工件進行幾次裝夾，則每次裝夾下完成的那一部分內(nèi)容稱為一個安裝。 （5）工位是指在工件的一次裝夾后，工件（或裝配單元）與夾具或設(shè)備的可動部分一起相對刀具或設(shè)備的固定部分所占據(jù)的每一個位置稱為工位。 （6）工步是指在加工表面（或裝配時的連接表面）和加工（或裝配）工具不變的情況下，所連續(xù)完成的那一部分工序稱為工步。 （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內(nèi)容，稱為一次走刀。 （8）生產(chǎn)綱領(lǐng)是在計劃期內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和進度計劃。 （9）生產(chǎn)類型是指企業(yè)（或車間、工段、班組、工作地）生產(chǎn)專業(yè)化的程度分類。一般分為單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)三種類型。 b. 機械加工工藝規(guī)程 （1）機械加工工藝規(guī)程有：機械加工工藝過程卡片、機械加工工序卡片、標準零件或典型零件工藝過程卡片、單軸自動車床調(diào)整卡片、多軸自動車床調(diào)整卡片、機械加工工序操作指導卡片、檢驗卡片等。 （2）制定工藝規(guī)程的基本要求是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，能盡量提高生產(chǎn)率和降低成本，并充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)條件，保證工人具有良好而安全的勞動條件。 （3）制定工藝規(guī)程的步驟：1)收集和熟悉制定工藝規(guī)程的有關(guān)資料圖樣，進行零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析；2)確定毛坯的類型及制造方法；3)選擇定位基準；4)擬定工藝路線；⑤確定各工序的工序余量、工序尺寸及其公差；⑥確定各工序的設(shè)備、刀具、夾具、量具和輔助工具；⑦確定各工序的切削用量及時間定額；⑧確定主要工序的技術(shù)要求及檢驗方法；⑨進行技術(shù)經(jīng)濟分析；⑩編制工藝文件。 c. 機械加工工藝規(guī)程制定中應注意的問題 （1）選擇零件毛坯時，主要考慮下列因素：零件的材料（包括牌號及標準號）及其機械性能、零件的結(jié)構(gòu)形狀及外形尺寸、生產(chǎn)綱領(lǐng)、生產(chǎn)條件、積極推廣應用新工藝、新技術(shù)和新材料。 （2）基準是用來確定生產(chǎn)對象上幾何要素間的幾何關(guān)系所依據(jù)的那些點、線、面。從設(shè)計和工藝兩個方面看可分為設(shè)計基準和工藝基準兩大類。工藝基準又可進一步分為工序基準、定位基準、測量基準和裝配基準。定位基準又有粗基準和精基準之分。 （3）粗基準的選擇原則有：保證相互位置要求的原則、保證加工表面加工余量合理分配的原則、粗基準不重復使用的原則、便于工件裝夾的原則。 （4）精基準的選擇原則有：基準重合原則、基準統(tǒng)一原則、自為基準原則、互為基準原則、便于裝夾的原則。 （5）加工經(jīng)濟精度是指在正常加工條件下（采用符合質(zhì)量標準的設(shè)備、工藝裝備和標準技術(shù)等級的工人，不延長加工時間），所能保證的加工精度和表面粗糙度。 （6）選擇加工方法時考慮的主要因素：工件的加工精度、表面粗糙度和其他技術(shù)要求，工件材料的性質(zhì)，工件的形狀和尺寸，生產(chǎn)類型、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性，本廠設(shè)備、人員情況等。 （7）根據(jù)精度要求的不同，整個工藝過程可劃分為：粗加工階段、半精加工階段、精加工階段、光整加工階段、超精密加工階段。劃分加工階段的原因主要有：1) 保證加工質(zhì)量；2) 合理使用機床設(shè)備；3) 便于及時發(fā)現(xiàn)毛坯缺陷，避免精加工表面損傷；4) 便于安排熱處理工序，使冷、熱加工配合協(xié)調(diào)。 （8）機械加工工序的安排原則：1) 基面先行；2) 先粗后精；3) 先主后次；4) 先面后孔。 （9）熱處理工序在工藝路線中的安排，主要取決于零件的材料和熱處理的目的。預備熱處理安排在機械加工之前；去除內(nèi)應力的熱處理安排在粗加工之后，精加工之前；最終熱處理安排在精加工前后，變形較大的熱處理應安排在精加工之前，變形較小的熱處理應安排在精加工之后；表面的裝飾性鍍層和發(fā)藍工序一般安排在工件精加工后；電鍍工序后應進行拋光，耐磨性鍍鉻則放在粗磨和精磨之間。 （10）輔助工序包括檢查、檢驗工序、去毛刺、平衡、清洗工序等，檢驗工序是主要的輔助工序。除了在每道工序中操作者自檢外，還必須在下列情況下安排單獨的檢驗工序：1)粗加工階段結(jié)束后；2)關(guān)鍵工序前后；3)零件從一個車間轉(zhuǎn)到另一個車間前后；4)零件全部加工結(jié)束之后。 （11）工序組合的原則：1)大批大量生產(chǎn)、零件結(jié)構(gòu)叫復雜，適于采用工序集中地原則，對一些結(jié)構(gòu)簡單的產(chǎn)品，也可采用分散的原則。成批生產(chǎn)宜采用適當集中的原則，單件小批生產(chǎn)適于采用工序集中的原則；2)產(chǎn)品品種較多，又經(jīng)常變換，適于采用工序分散的原則；3)零件加工質(zhì)量、技術(shù)要求較高時一般采用工序分散的原則；4)零件尺寸、質(zhì)量較大，不易運輸和安裝的，應采用工序集中地原則。 （12）選擇設(shè)備時應考慮下列問題：1)機床的精度與工序要求的精度相適應；2)機床的規(guī)格與工件的外形尺寸，本工序的切削用量相適應；3)機床的生產(chǎn)率與被加工零件或產(chǎn)品的生產(chǎn)類型相適應；4)選擇的設(shè)備盡可能與工廠現(xiàn)有條件相適應。 （13）加工余量是指加工過程中所切除的金屬層厚度。加工余量可分為加工總余量（毛坯余量）和工序余量。加工總余量等于各工序余量之和。影響工序余量的因素有：1)上工序的各種表面缺陷和誤差因素，包括表面粗糙度和缺陷層、尺寸公差和形位公差；2)本工序加工時的裝夾誤差。確定加工余量的方法有：分析計算法、查表法、經(jīng)驗估算法。 （14）工藝裝備的選擇包括確定各工序所需的夾具、刀具和計量器具等。夾具主要根據(jù)生產(chǎn)類型和加工要求來確定。刀具的選擇主要取決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，生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等。計量器具主要根據(jù)生產(chǎn)類型和工件的加工精度來選取。 d. 時間定額與提高勞動生產(chǎn)率的工藝途徑 （1）時間定額TT 包括：基本時間Tm、輔助時間Ta 、布置工作地時間Ts、休息與生理需要時間Tr、準備與終結(jié)時間。 單件和成批生產(chǎn)的單件時間定額：TT=Tp+ =Tm+Ta+Ts+Tr+ （1.1） 大批量生產(chǎn)的單件時間定額：TT=Tm+Ta+Ts+Tr （1.2） （2）提高勞動生產(chǎn)率的工藝途徑有：1)縮短時間定額?？s短基本時間的措施有：提高切削用量和減少切削行程長度；縮短輔助時間的措施有：采用先進夾具、提高機床的自動化程度、采用先進的檢測手段等直接縮短輔助時間，使基本時間與輔助時間重合等。2)推廣應用新工藝和新方法。3)提高機械加工自動化程度。 e. 工藝過程的技術(shù)經(jīng)濟分析 （1）工藝成本是指生產(chǎn)成本中與工藝過程有關(guān)的那一部分費用。按照與年產(chǎn)量的關(guān)系分為可變費用V和不變費用C。 （2）若工件的年產(chǎn)量為N，則工件的全年工藝成本S（元/年）為： S= VN+C （1.3） 單件工藝成本 ： SP=V+ （1.4） 1.2.3 機床夾具設(shè)計基礎(chǔ)知識 在機械制造的各個加工工藝工程中，必須使工件在工藝系統(tǒng)中處于正確的位置，以保證加工質(zhì)量，并提高生產(chǎn)效率。把為了使工件處于正確位置上所使用的各種工藝裝備稱為夾具，如檢驗夾具、焊接夾具、裝配夾具等。在機床上對工件進行切削加工時，為了保證加工精度，必須正確地安放工件，使工件相對于刀具和機床占有正確的位置，這一過程稱為“定位”。為了保證這個正確位置在加工過程中穩(wěn)定不變，應該對工件施加一定的夾緊力，這個過程稱為“夾緊”。這兩個過程總稱為“安裝”。在機床上實現(xiàn)安裝過程的工藝裝備，就是“機床夾具”。 機床夾具的種類很多，其中，使用范圍最廣泛的是通用夾具，如車床上用的三爪自定心卡盤和銑床上用的平口虎鉗等。這類夾具的規(guī)格尺寸已經(jīng)標準化，由專業(yè)廠家進行生產(chǎn)。而用于批量生產(chǎn)，專門為工件某加工工序服務的專用夾具，則必須由各個制造廠自行設(shè)計制造。 由于專用夾具的設(shè)計制造在很大程度上影響加工質(zhì)量、生產(chǎn)率、勞動條件和生產(chǎn)成本，因此，它是各機械制造廠新產(chǎn)品投資、老產(chǎn)品改進和工藝更新中的一項重要生產(chǎn)技術(shù)準備工作，也是每一個從事機械加工工藝的技術(shù)人員必須掌握的基礎(chǔ)知識。 機床夾具在機械加工中起著重要的作用，所以應用十分廣泛。歸納起來有以下幾個方面的作用： （1）保證工件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。夾具在機械加工中的基本作用就是保證工件的相對位置精度。由于采用了能直接定位的夾具，因此，可以準確地確定工件相對于道具和機床切削成形運動中的相互位置關(guān)系，不受或者少受各種主觀因素的影響，可以穩(wěn)定可靠地保證加工質(zhì)量。 （2）提高勞動生產(chǎn)率和降低加工成本。提高勞動生產(chǎn)率，降低單件時間定額的主要技術(shù)措施是增大切削用量和壓縮輔助時間。采用機床夾具，既可以提高工件加工時的剛度，有利于采用較大的切削用量，又可以省去劃線找正等工作，使安裝工作的輔助工時大大減小，因此能顯著地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。 （3）改善工人勞動條件。采用夾具后，工件的裝卸顯然比不用夾具方便、省力、安全。使用專用夾具安裝工件，定位方便、迅速，夾緊可采用增力、機動等裝置，因此可以減輕工人的勞動強度。還可設(shè)計保護裝置，確保操作者安全。 （4）在流水線生產(chǎn)中，便于平衡生產(chǎn)節(jié)拍。工藝工程中，當某些工件所需要工序時間特別長時，可以采用多工位或高效夾具等，以提高生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)節(jié)拍能夠比較平衡。 a. 機床夾具分類 （1）專用夾具。專用夾具是針對某一種工件的一定工序而專門設(shè)計的。因為不需要考慮通用性，所以夾具可以設(shè)計得結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便。還可以按需要采用各種省力機構(gòu)、動力裝置、分度裝置等。因此，此類夾具可以保證較高的加工精度和勞動生產(chǎn)率。但是，由于這類夾具的專用性很強，并且設(shè)計和制造周期較長，制造費用也較高，當產(chǎn)品變更時，往往因無法再使用而報廢。因此，這類夾具主要在產(chǎn)品固定和工藝穩(wěn)定的較大批量生產(chǎn)中應用。 （2）可調(diào)式夾具。可調(diào)式夾具的特點是：加工完一種零件后，通過調(diào)整或更換夾具中的個別元件，即可加工形狀相似、尺寸和加工工件相近的多種零件?？烧{(diào)式夾具又可以分為通用可調(diào)夾具和專用可調(diào)夾具。通用可調(diào)夾具如滑柱式鉆模等，使用范圍較大。專門化可調(diào)夾具常稱為成組夾具，通常配合成組技術(shù)，用于裝夾和加工一組結(jié)構(gòu)與工藝相似的工件。因為這類夾具是在專門夾具基礎(chǔ)上少量更換或調(diào)整夾具元件，所以只能到達有限目標的通用化。即使這樣，也極大提高了專用夾具在多品種、中小批量生產(chǎn)中使用的經(jīng)濟性。 （3）專門化拼裝夾具。專門化拼裝夾具是針對其工件的特定工序加工要求，由實現(xiàn)制造好的通用性較強的標準化元件和部件拼裝組成。從這個特點來看，這類夾具具有很大的通用性，但同時又是為某一種特定工序而專門拼裝的夾具。因此，這類夾具又具有專門夾具的優(yōu)點。 （4）自動化生產(chǎn)用夾具。自動化生產(chǎn)用夾具主要是自動線上所使用的夾具?；旧戏譃閮深悾阂活愂枪潭ㄊ綂A具，它與一般專用夾具相似；一類是隨行夾具，它除了具有一般夾具所擔負的安裝工件任務外，還擔負著沿自動線輸送工件的任務，即隨著工件從一個工位移動到下一個工位。故稱為“隨行夾具”。屬于自動化生產(chǎn)夾具的還有數(shù)控機床夾具。 b. 夾具設(shè)計的特點和基本要求 夾具設(shè)計的特點如下： （1）針對性強。設(shè)計人員必須全面掌握工藝和生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況。專用夾具是為某零件的某道工序設(shè)計的，設(shè)計人員必須全面了解和掌握產(chǎn)品零件的要求，工藝工程的安排以及所使用的機床、刀具，輔具的具體情況才可能提出合理可行的最佳方案，確定最合理的定位、夾緊裝置。 （2）保證加工質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率是夾具設(shè)計的兩項主要任務，而保證加工質(zhì)量又是第一位的。因此，設(shè)計時應重點把住定位方案的確定和精度分析這兩道關(guān)。對于制造精度要求不高的零件，其夾具設(shè)計應該重點保證提高勞動生產(chǎn)率和改善勞動條件。 （3）夾緊機構(gòu)對整個夾具結(jié)構(gòu)起決定性作用。夾緊裝置的結(jié)構(gòu)形式和種類很多，選用的靈活性很大，特別是夾緊裝置中力源及傳動機構(gòu)的設(shè)計對夾具結(jié)構(gòu)的影響最大。因此，在同樣能保證工序要求的情況下，每個人設(shè)計的結(jié)構(gòu)可能大不相同。而不同復雜程度的夾具在不同的生產(chǎn)規(guī)模條件下其經(jīng)濟效果也不一樣，設(shè)計人員必須使自己的設(shè)計和生產(chǎn)規(guī)模相適應，不可片面追求高精度而忽視了經(jīng)濟性。 （4）夾具的制造多屬于單件生產(chǎn)。因此，設(shè)計時應考慮采用組合加工，修配和調(diào)整等措施來保證夾具的制造精度，盡可能地考慮設(shè)置修配和調(diào)整環(huán)節(jié)，而不能完全依靠用完全互換的辦法保證制造精度。 （5）設(shè)計周期短，一般不進行強度剛度計算。夾具設(shè)計是直接為產(chǎn)品生產(chǎn)服務的生產(chǎn)技術(shù)準備工作，其設(shè)計周期要求短，因此設(shè)計時多采用參照法或是憑經(jīng)驗確定的辦法來保證受力件的強度和剛度，通常不進行詳細計算，有時采用簡便公式或用圖表作為設(shè)計參考。要注意的是在設(shè)計一些具有較高精度的夾具時，應該對定位精度、夾緊力等進行必要的計算和分析。 夾具設(shè)計的原則是經(jīng)濟和實用，它可以概括為“好用、好造、好修”這六個字，其中好用是主要的，但好用也必須以不脫離生產(chǎn)現(xiàn)場的實際制造和維修水平為前提。具體要求為： 1）夾具的結(jié)構(gòu)應與其用途和生產(chǎn)規(guī)模相適應，正確處理好質(zhì)量、效率、方便性與經(jīng)濟性四者的關(guān)系。 2）保證工件精度。 3）保證使用方便，要便于裝卸、便于夾緊、便于測量、便于觀察、便于排屑排液、便于安裝運輸，保證安全第一。 4）注意結(jié)構(gòu)工藝性，對加工、裝配、檢驗和維修等問題應全面考慮，以降低制造成本。 2 齒輪軸零件的機械制造工藝規(guī)程設(shè)計 2.1 零件的工藝性分析及生產(chǎn)類型確定 2.1.1 零件的加工工藝性分析 如圖2.1所示的齒輪軸是某廠提供的輸入齒輪軸，屬于階梯軸類零件，由圓柱面、軸肩、鍵槽、齒輪等不同形式的幾何表面及幾何實體組成?！褒X輪軸的精度要求高，輸入齒輪軸的加工難度大，必須對齒輪軸加工過程中的一些重要問題，如材料、基準、熱處理和齒形加工等做出正確的選擇和分析，才能保質(zhì)保量地完成批量齒輪軸的加工。[7]”以輸入齒輪軸為例，其多數(shù)外圓表面尺寸精度達IT6,表面粗糙度值Ra為 6.3~1.6，而位置精度則通常應為尺寸精度數(shù)值的 1/3~1/5；齒輪的精度等級為7級。 圖2.1 齒輪軸零件圖 圖2.2 齒輪軸零件主要技術(shù)要求 零件的材料為20CrMnMo，屬于合金結(jié)構(gòu)鋼。它的強度高于15CrMnMo，塑性及韌性稍低，淬透性及力學性能比20CrMnTi高，淬火低溫回火后具有良好的綜合力學性能和低溫沖擊韌度。滲碳淬火后具有較高的抗彎強度和耐磨性能，但磨削時易產(chǎn)生裂紋。焊接性不好，適于電阻焊接，焊前需預熱，焊后需回火處理。切削加工性和熱加工性良好。常用于制造高硬度、高強度、高韌性的較大重要滲碳件（其要求均高15CrMnMo），如曲軸、凸輪軸、連桿、齒輪軸、齒輪、銷軸，還可代替12Cr2Ni4使用。 根據(jù)對零件圖的分析，該零件需要加工的表面以及加工表面之間的位置要求如下： （1）齒輪軸兩端面和聯(lián)接斜齒輪部位的兩Φ77mm圓柱面表面粗糙度Ra值均為12.5μm，Φ77mm圓柱面的尺寸精度要求也較低，屬于已加工表面。Φ77mm圓柱面和斜齒輪部分聯(lián)接的地方R2mm圓角，遠離齒輪部分的兩端均2×45°倒角。 （2）齒輪軸右端的Φ65圓柱面表面粗糙度Ra值為1.6μm，尺寸精度為 6 級，對基準軸線的圓跳動為0.015mm，圓柱度為0.005mm。和Φ77mm圓柱面聯(lián)接部位R2mm圓角，左臺階面的表面粗糙度Ra值為3.2μm，對基準軸線的垂直度為0.025mm，另一端2×45°倒角。這一部分主要是要和軸承的內(nèi)圈相配合的，配合質(zhì)量的好壞將直接影響齒輪軸工作情況的好壞。在加工時應特別注意滿足圖紙所示的加工精度要求。 （3）齒輪軸中間部位為斜齒輪部分，根據(jù)已知條件可計算出分度圓直徑d 為73.894mm，齒頂圓直徑為da為86.158mm，齒根圓直徑為Φ68.158mm，由圖可知齒頂圓的直徑為Φ86.006h11 mm，直徑范圍為86.006~86.226 mm，86.158mm在這一尺寸范圍內(nèi)。齒輪兩端沿齒廓倒R2mm圓角，頂部沿齒向倒R0.4 mm圓角，頂部沿輪齒周向倒2×45°斜角。分度圓表面粗糙度Ra值為0.8μm。齒輪部分是該軸的主要工作部分，對輪齒的硬度和強度要求較高。輪齒部分要進行滲碳淬火和磨削，還要進行磨削齒面探傷檢查，防止裂紋產(chǎn)生。齒輪的精度等級為7級。 （4）齒輪軸左端Φ65mm圓柱面的尺寸精度為6級，表面粗糙度Ra值為0.8μm。圓柱面對基準軸線的圓跳動為0.015mm，圓柱度為0.005mm。和軸肩聯(lián)接部位的臺階面對基準軸線的垂直度為0.025mm。左端面處有R2的圓角。 （5）齒輪軸最左端為Φ55mm圓柱面表面粗糙度Ra值為3.2μm，尺寸精度為6級，對基準軸線的圓跳動為0.015mm，圓柱度為0.005mm，左端面倒2×45°斜角。右端聯(lián)接處倒R2mm圓角。 （6）齒輪軸左端的鍵槽深為6mm，寬為16N9mm，兩側(cè)面的表面粗糙度Ra值為3.2μm。鍵槽內(nèi)側(cè)面對Φ65mm圓柱面基準軸線的對稱度為0.02mm。軸的兩端均有兩個深20mm的相距30mm的螺紋孔M10。 通過以上的分析可知，齒輪軸零件圖樣的視圖正確、完整，尺寸、公差及技術(shù)要求齊全。各主要表面的尺寸精度、形狀精度和位置精度通過選擇合適的加工方法均可以滿足。主要是斜齒輪的加工是一個難點，精度要求較高。如單個齒距偏差fpt為0.013 mm，齒距累計總誤差Fp為0.039 mm，齒廓總偏差Fa為0.019 mm，螺旋線總偏差Fβ為0.020 mm,徑向跳動Fγ為0.031mm。由于齒根圓直徑為Φ68.158 mm小于Φ77mm，故不能采用插齒法加工輪齒，否則會損傷已加工表面。另外，對于斜齒輪用插齒法不便加工。 經(jīng)分析，齒輪齒形的切削加工方法可選的有：1) 采用滾齒機利用展成運動加工齒輪；2) 采用銑床利用成形法加工齒輪。但后一種方法加工精度和生產(chǎn)率都較低，而該齒輪的精度等級為 7 級，齒輪軸是大批量生產(chǎn)，故該方法不是最佳方案。齒輪齒形的無切屑加工方法有：熱軋、冷軋、模鍛、精密鑄造和粉末冶金等。在各種實際生產(chǎn)條件允許的情況下，可以考慮上述的無切屑加工方法。在加工各主要圓柱面時，以軸的中心線為定位基準，滿足設(shè)計基準和定位基準重合，減少定位誤差。 2.1.2 確定零件的生產(chǎn)類型 零件的生產(chǎn)類型是指企業(yè)（或車間、工段、班組、工作地等）生產(chǎn)專業(yè)化程度的分類，它對工藝規(guī)程的制訂具有決定性的影響。生產(chǎn)類型一般可分為大量生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和單件生產(chǎn)三種類型，不同的生產(chǎn)類型由著完全不同的工藝特征。零件的生產(chǎn)類型是按零件的年生產(chǎn)綱領(lǐng)和產(chǎn)品特征來確定的。生產(chǎn)綱領(lǐng)是指企業(yè)在計劃期內(nèi)應當生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和進度計劃。年生產(chǎn)綱領(lǐng)是包括備品和廢品在內(nèi)的某產(chǎn)品年產(chǎn)量。 零件的生產(chǎn)綱領(lǐng) N 可按下式[2]計算： N= Qm(1+ a%)(1+ b%) (2.1) 式中 N----零件的生產(chǎn)綱領(lǐng) Q----產(chǎn)品的年產(chǎn)量（臺、輛/年） m----每臺（輛）產(chǎn)品中該零件的數(shù)量（件/臺、輛） a%---備品率，一般取2%-4% b%---廢品率，一般取0.3%-0.7% 根據(jù)上式就可以計算求得出零件的年生產(chǎn)綱領(lǐng)，再通過查表，就能確定該零件的生產(chǎn)類型。根據(jù)本零件的設(shè)計要求，Q =5000臺，m=1件/臺，分別取備品率和廢品率為3%和0.5%，將數(shù)據(jù)代入上式計算得 N=5176件/年。根據(jù)表1?3[3]，表1?4[3]可知該零件為輕型零件，本設(shè)計齒輪軸零件的的生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)。 2.2 選擇毛坯，繪制毛坯圖 2.2.1 選擇毛坯種類及制造形式 毛坯的選用主要包括毛坯的材料、類型和生產(chǎn)方法的選用。選用正確與否直接關(guān)系到毛坯的制造質(zhì)量、工藝和成本，并影響到機械加工質(zhì)量、工藝和成本等。毛坯質(zhì)量主要是指合格毛坯本身能滿足用戶要求的程度。它主要包括外觀質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量和使用質(zhì)量。其中，外觀質(zhì)量包括毛坯表面粗糙度、尺寸精度、質(zhì)量偏差、形狀偏差和表面缺陷等；內(nèi)在質(zhì)量包括毛坯的物理性能、力學性能、金相組織、化學成分、偏析、內(nèi)應力、致密度、內(nèi)部缺陷等；使用質(zhì)量包括毛坯的抗疲勞性能、高溫及低溫力學性能、耐磨性、耐蝕性和精度保持性等。毛坯材料的選用是保證產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的一個主要因素。 毛坯選用的原則有：1)滿足材料的工藝性能要求。如碳鋼主要使用鍛造生產(chǎn)，但其中某些牌號也有較好的鑄造性能；2)滿足零件的使用性能要求；3)降低制造成本；4)符合生產(chǎn)條件。 該零件的材料為 20CrMnMo，屬于合金結(jié)構(gòu)鋼。由于齒輪軸機械強度要求高，在使用過程中要承受重載荷、沖擊載荷或交變載荷，齒輪軸的毛坯宜選用鍛件。因為鍛件的強度與沖擊韌度較高。鍛件的材料主要是各種碳鋼與合金鋼。鍛造方法有自由鍛、模鍛與胎膜鍛和精密鍛造等幾種。其中，自由鍛造生產(chǎn)率低、鍛造精度低、表面質(zhì)量差、加工余量大，但成本低，適于單件小批生產(chǎn)及大型鍛件的生產(chǎn)；模鍛生產(chǎn)率高、鍛件精度高、表面質(zhì)量好、加工余量小、可鍛制較復雜的鍛件，但成本較高，適用于成批大量生產(chǎn)中小型鍛件；胎膜鍛介于自由鍛和模鍛之間，適用于中小批生產(chǎn)小型鍛件。尺寸大的齒輪軸通常選擇自由鍛造，中小型齒輪軸可選擇模鍛件，一些小齒輪軸也可制作成整體毛坯。若鍛件毛坯為錘上鋼質(zhì)自由鍛件，其機械加工余量與公差應遵循 GB/T15826 系列標準；若毛坯為鋼質(zhì)模鍛件，其機械加工余量與公差應遵循 GB/T12362 系列標準。 通過以上分析，選擇鍛件作為毛坯，采用模鍛成型的方法制造毛坯。另外，應注意鍛件毛坯要防止晶粒不均勻、裂紋、龜裂等由于鍛造工藝不當所產(chǎn)生的鍛造缺陷。鍛件金相組織評級及評定方法應遵循相應的國家標準，成批加工可采用抽檢的方法。 2.2.2 確定毛坯尺寸及機械加工余量 （1）國標中規(guī)定鋼質(zhì)模鍛件的公差分為兩級，即普通級和精密級。精密級公差適用于有較高技術(shù)要求，但需要采取附加制造工藝才能達到的鍛件，一般不宜采用。精密級公差可用于某一鍛件的全部尺寸，也可用于局部尺寸。平鍛件只采用普通級。由齒輪軸零件的功用和技術(shù)要求，可確定該零件的公差等級為普通級。鍛件精度等級為F級。 （2）根據(jù)零件圖的基本尺寸和表2-16、表2-17、表2-18和表2-19[3]可初步得粗車、半精車、粗磨和精磨外圓的加工余量分別為6mm 、1.1mm 、0.4mm 和0.1mm，又粗精加工分開時，對于粗車外圓的余量允許小于原表中余量的20﹪，故可取粗車余量為4.8mm?？偟挠嗔繛?.4 mm。再根據(jù)表2-9[3]可知鍛件機械加工余量和公差為：a=83, a=104（用于長度為467 mm）。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可基本上確定鍛件圖的尺寸。 鍛件圖如下（圖中粗實線代表鍛件的外形，零件的輪廓線用雙點畫線表示）： 圖2.3 齒輪軸零件的鍛件圖 （3）根據(jù)圖2.3和計算式：w=π×r2×l×p? （2.2） 則m鍛=3.14×7.85×103×(672×82×772 ×171+892×127+982×107)10-9÷4=21.05kg，又已知機械加工后齒輪軸零件的重量為14.5 kg。以包容鍛件最大輪廓的圓柱體作為實體計算重量，圓形鍛件按《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導教程》[3]公式計算。假設(shè)鍛件最大直徑為Φ100 mm，長為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]，可確定形狀復雜系數(shù)為S1,屬簡單級別。 （4）鍛件的材質(zhì)系數(shù)M 鍛件材質(zhì)系數(shù)分為兩級：M1和M2。M1級：碳的質(zhì)量分數(shù)小于0.65﹪的碳素鋼或合金元素總質(zhì)量分數(shù)小于3.0﹪的合金鋼；M2級：碳的質(zhì)量分數(shù)大于或等于 0.65﹪的碳素鋼或合金元素總質(zhì)量分數(shù)大于或等于3.0﹪的合金鋼。該零件的材料為20CrMnMo，屬于合金結(jié)構(gòu)鋼。碳質(zhì)量分數(shù)在0.17﹪和0.23﹪之間小于0.65﹪，合金元素的質(zhì)量分數(shù)也小于3.0﹪，故該零件的材質(zhì)系數(shù)屬M1級。 （5）鍛件的分模線形狀 根據(jù)該零件的行為特點，本文選擇零件的水平面為分模面，屬平直分模線，如圖2.4齒輪軸零件鍛造毛坯圖所示。 （6）零件表面粗糙度 零件表面粗糙度是確定鍛件加工余量的重要參數(shù)。按Ra數(shù)值大小分為兩類：1) Ra≥1.6μm2) Ra≤1.6μm。由零件圖可知，該齒輪軸各加工表面的粗糙度 Ra 基本都大于等于1.6μm，只有Φ65e6、Φ65k6的外圓表面粗糙度Ra要求為0.8μm。 根據(jù)上述諸因素，可查表確定該鍛件的尺寸公差和機械加工余量，所得結(jié)果列于下表2.1中。 表2.1 齒輪軸鍛造毛坯尺寸公差及機械加工余量 項目 加工余量/ mm（單邊） 鍛件尺寸/ 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