毕业设计(论文)-齿形轴零件机械加工工艺过程及加工用的夹具设计.doc

重庆大学网络教育学院
毕业设计（论文）

题目 齿形轴零件机械加工工艺过程及加工用的夹具设计____

学生所在校外学习中心 上海校外学习中心
批次 层次 专业 201502本科、机械设计制造及自动化
学 号
学 生
指 导 教 师
起 止 日 期 2015年8月24日—2015年10月12日
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。本文对某设备中“齿轮轴”零件进行了机械制造工艺规程设计和加工用的夹具设计。对于工艺规程设计和夹具设计制订了两套不同的方案，从中甄选出最佳方案。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，最后是加工用夹具设计。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

目 录
摘 要 2
1 设计背景及目的 4
2 生产纲领及生产类型的确定 4
3 零件的分析 5
4 选择毛坯 5
5 工艺规程设计 6
5.1 定位基准选择 6
5.2 零件的加工方法的选择 6
5.3 定制工艺路线 6
5.4 确定机械加工的余量及毛坯尺寸，设计毛坯-零件综合图 7
6 工序设计 9
6.1 选择加工设备工艺装备 9
6.2 工序尺寸的确定及计算 10
6.3 选择切削用量，确定时间定额 11
7 滚齿用夹具设计 13
7.1 拟定滚齿夹具的结构方案 13
7.2 确定刀具的导向方式或对刀装置 14
7.3 夹具精度的计算 14
7.4 夹具总图（图4） 15
7.5 夹具零件图（图5、图6） 16
8 课题小结 17

1 设计背景及目的
在我们学完了大学的全部基础课程、技术课程及全部专业课程之后进行的。此次的设计是对大学期间所学的全部课程及相关的绘图软件的一次深入的综合性复习，也是使我们基本知识及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的综合性运用。因此，它在我们日后的工作中占有重要地位。我们在完成毕业设计的同时，也是在培养我们正确的使用技术资料、国家标准、相关手册、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。本次设计的目的在于：
（1） 培养综合性分析和解决本专业的一般工程问题的独立能力，拓宽和深化所学的知识。
（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、规范和方法的能力。
（3） 培养正确地使用技术知识、国家标准、相关手册、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，向他人学习的基本工作心态、工作作风和工作方法。
（5） 熟悉齿轮轴零件的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加工工艺设计，使我们在机械加工工艺规程设计，工艺方案论证，机械加工余量计算，工艺尺寸的确定，编写技术文件及查阅技术文献等各方面有所提升。初步具备设计简单零件工艺规程的能力。
2 生产纲领及生产类型的确定
如图1所示，某设备中齿形轴零件，该产品年产量为2600台，设其备用率为7%，机械加工废品率为1%，试进行该零件的机械加工工艺规程设计和滚齿用夹具设计。零件生产纲领可按下式计算：
N = Qn(1+a%+b%)=2600x(1+7%+1%)=2808(件/年)
该产品的的年产量为2808件，根据《机械制造技术基础》中生产类型与生产纲领的关系，确定其生产类型为中批生产。
3 零件的分析
零件图如图1所示。齿轮轴零件在钻床机械中主要起传递钻所需的旋转运动，承受并传递钻孔时的作用力，安装定位钻套。
此零件外圆直径Ф50mm、内圆直径Ф24mm，零件结构不是很难，精度要求也不是很高，加工可以以车床加工齿轮轴主体，然后铣齿，最后在上磨床研磨即可。

图1 齿形轴零件图

4 选择毛坯
综合考虑加工效率和效益，材料选择45，尺寸为Ф55mmx180mm。
5 工艺规程设计
5.1 定位基准选择
本零件应选择外圆和端面为粗基准加工内孔，再把内径作为加工的精基准。
5.2 零件的加工方法的选择
本零件的加工面为外圆、内孔、端面、齿、槽、螺纹等，材料为45钢。Ф50
外圆表面粗糙度为Ra0.4μm,采用粗车、半精车及磨削。
Ф24通孔表面粗糙度为Ra12.5μm，才用深孔钻。
Ф42mm孔表面粗糙度为Ra12.5μm，采用车车床加工。
两端Ф40mm孔表面粗糙度为Ra1.6μm，采用车床加工。
其它表面粗糙度为Ra6.3μm的孔也采用车床来加工。
Ф46mmx2mm的槽和M45mmx1mm左螺纹，采用车削加工。
5.3 定制工艺路线
该齿轮轴零件的加工用两道热处理工序将工艺路线分成三个阶段：
调制以前为粗加工阶段；时效处理之前为半精加工阶段；时效以后为精加工阶段。
齿轮轴零件可按下述工艺路线进行加工。
工序10：夹紧Ф50mm的外圆，钻深孔Ф24mm孔至尺寸端面
工序20：定位孔（两端顶夹）粗车A面外圆至Ф52.4mm。
工序 30：热处理，调质HRC21~26。 
工序40：定位孔（两端顶夹），半精车A面外圆至Ф50.6。
工序50：定位外圆车端面，车孔Ф42mm至尺寸，车孔Ф40mm至Ф39 mm， 车Ф28mm至图样尺寸并倒角，调头，车端面，保证尺寸175mm。 
工序60：定位外圆车槽Ф46mmx2mm,车螺纹M45x1mm左至图样要求，
倒角，车孔Ф31mm至图样要求并孔口倒角。
工序70：粗磨A面外圆至Ф50.2mm 
工序80：定位外圆或端面铣齿
工序90：铣槽两处8mmx1.5mm 
工序100：检验
工序110：热处理，低温时效 
工序120：钳工修研两端孔口，倒角
工序130：精磨A面外圆至Ф50mm,至图样要求
工序140：检验 
工序150：定位外圆，精车内孔Ф40，Ф31及端面至图样要求
工序160：总检，入库。
5.4 确定机械加工的余量及毛坯尺寸，设计毛坯-零件综合图
钢质的模锻件机械加工余量根据估算的质量、加工精度及锻件形状的复杂系数，按相关标准确定。孔的加工余量由表1查得。
表1铸件孔加工余量
孔径
孔深

大于

到
大于0
63
100
140
200
到63
100
140
200
280

25
2.0
-
-
-
-
25
40
2.0
2.6
-
-
-
40
63
2.5
2.6
3.0
-
-
63
100
2.5
3.0
3.0
4.0
-
100
160
2.6
3.0
3.4
4.0
4.6
160
250
3.0
3.0
3.4
4.0
4.6

表2 锻件形状复杂系数表
锻件形状复杂系数S
级别
S数值范围
级别
S数值范围
简单
S1>0.63~1
较复杂
S3>0.163~0.32
一级
S2>0.32~0.63
复杂
S4≤0.16
(1) 锻件质量评估为：3.35kg
(2) 加工精度：零件除控外的各表面加工外一般加工精度。
(3) 锻件形状复杂系数S为（假设锻件外形尺寸为：Ф50mmx180mm）

按表2所示复杂系数S的级别为简单
（4）机械加工余量：根据锻件的质量F2、S1确定直径方向单边余量2.5mm（实际查的单边余量为2.0mm,因为外圆精度要求较高所以适当增大0.5mm），轴向方向的单边余量为2.5mm（实际查得单边余量为2.6mm，因两端进度要求较低所以定位2.5mm）。
（5）确定毛坯尺寸：
根据上面确定机械加工余量，可得该零件的毛坯尺寸如下：
轴Ф50mm单边余量为2.5mm,所以锻件尺寸为Ф55mm。长度方向175mm的单边加工余量为2.5mm，所以锻件尺寸为Ф180mm。
（6）设计毛坯的零件综合图
零件的锻件质量为3.35kg,形状复杂系数S1，45钢含碳量为0.42%~0.50%，最高含碳量为0.5%，按表3查的锻件材质系数为M1，采用平直分模线。

表3 锻件材质系数
锻件材质系数
级别
钢的最高含碳量
合金钢的合金元素最高含碳量
M1
<0.65%
>3.0%
M2
≥0.65%
≥3.0%

6 工序设计
6.1 选择加工设备工艺装备
（1）选择机床
 工序10.20.30.40.90选用车床，选用常用的CA6140型卧式车床即可。
工序50.80选用磨床，选用M120W型即可。
工序60选用滚齿机，选用YKJ3610数控高效卧式滚齿机床。
工序70选用铣床，采用M6132铣床。
（2）选择夹具
本零件除滚齿、铣槽、磨外圆工序需要专用夹具外，其它工序使用标准夹
具即可，车床加工时选用三爪自定心卡盘，磨床工序选用心轴。
（3）选用刀具
车床上加工时，一般都采用硬质合金车刀。加工钢制零件才用YT类硬质合金，粗加工时用YT5,半精加工用YT15，精加工用YT30。
磨床上加工，使用一般平行砂轮。
滚齿机床加工，使用模数1的，Mo5AL多头刀。
铣床上加工时，选用Ф6的普通平头立铣刀。
(4)选择量具
本零件属成批生产，一般均采用通用量具．选择量具的方法有两种：是按
计量器具的不确定度选择；二是按计量器具的测量方法极限误差选择。
a. 选择各外圆加工面的量具。工序80中半精车外圆φ50mm达到图纸要求，现按计量器具的不确定度选择该表面加工时所用量具，该尺寸公差T=0.015mm。
按工艺人员手册，选择测量范围50-70mm，分度值为0.01mm外径千分尺。
表4外圆加工面所用量具
工序
加工面尺寸
尺寸公差
量具
20
Ф52.4
-0.45
分度值0.02，测量范围0-150mm游标卡尺
30
Ф50.6
-0.45
50
Ф50.2
-0.064
分度值0.01，测量范围50-70mm外径千分尺
80
Ф50
+0.015 -0.010
按照上述方法选择此零件外圆加工面的量具见表4 
b. 选择加工孔的量具。Ф24、Ф28、Ф31、Ф42、Ф46公差为自由公差，选用分度值为0.02，测量范围0-150mm的内卡尺。Ф40的两个孔的公差等级为J7，选用分度值0.01mm，测量范围35-50内径千分尺。
c. 测量轴向的量具。以外其他公差全是自由公差，选用分度值0.02，测量范围0-300mm 游标卡尺。
d.选择滚齿的量具。滚齿在加工时测量公法线长度即可。根据手册，选分度值0.01mm，测量范围25-50mm的法线百分尺。
6.2 工序尺寸的确定及计算
（1）确定圆柱面的工序尺寸
根据前面的有关资料以确定此零件的毛坯余量和各工序的加工余量，总加工余量减去各工序的加工余量之和，即为粗加工余量。本零件各圆柱表面的工序加工余量工序尺寸及公差、表面粗糙度详见机械加工工序图。
（2）确定轴向工序尺寸
此零件的各工序的轴向尺寸详见机械加工工序图。
6.3 选择切削用量，确定时间定额
参考文献《机械制造工艺学》选取各工序机床转速，进给速度和切削深度，根据切削速度的算可以推算出时间定额，根据表5、表6、表7、表8、表9可以计算出结果，计算结果详见机械加工工序卡片。
表5外圆磨床装夹和松卸工作时间（min）
装 夹 方 法
工 件 重 量（kg)
0.5
1
2
3
5
25
35
装在两顶尖间，手柄或踏板液压（弹簧）夹紧
装 卸
0.05
0.05
0.06
0.06
0.07
0.16
0.19
0.03
0.03
0.04
0.04
0.01
0.08
0.10
装在心轴上，用扳手固定，手柄或踏板液压（弹簧）夹紧
装 卸
0.13
0.14
0.15
0.16
0.18

0.06
0.07
0.08
0.09
0.12

装在带锥度心轴上，手柄或踏板液压（弹簧）夹紧
装 卸
0.05
0.06
0.06
0.07
0.07

0.04
0.05
0.05
0.06
0.06

鸡心夹装在带中心孔的工件上，手柄或踏板液压（弹簧）夹紧
装 卸
0.06
0.08
0.09
0.11
0.15

0.04
0.05
0.06
0.07
0.09

装在三爪自定心卡盘上手动夹紧
装 卸
0.07
0.08
0.09

0.06
0.07
0.08

注：1.装夹工件的内容包括伸手取工件，把工件装到夹具上夹紧，最后手离工件。
2.松开卸下零件的工作内容包括伸手向手柄或扳手松开工件，取下后手离件。
表6内圆磨床装夹和松卸工作时间（min）
装 夹 方 法
工 件 重 量（kg）
0.5
1
2
3
5
8
15
以外圆或齿形定位液压夹紧
装 卸
0.06
0.06
0.06
0.07
0.08
0.08

0.03
0.03
0.04
0.04
0.05
0.05

装在三爪自定心卡盘上手动夹紧
装 卸
0.10
0.10
0.15

0.09
0.09
0.08

齿轮套上隔圈装在卡盘上液压夹紧
装 卸
0.08
0.08
0.06
0.09
0.10
0.10
0.11
0.05
0.05
0.05
0.06
0.07
0.07
0.08
以柱销或钢球置于齿上装入卡盘，手动夹紧
装 卸
0.14
0.18
0.09
0.40
0.15

0.09
0.10
0.06
0.12
0.09

注：本表时间所包括的工作内容同外圆磨床
表7磨床上各种操作所需时间
操 作 名 称
时 间（min）
开动或停止工件、砂轮转动、工作台往复运动

0.02
接通砂轮快速引进或退出

0.02
纵向引进或退出砂轮（mm）
200
0.04
300
0.05
400
0.06
横向引进或退出砂轮
M1631
引进
退出
N1632
0.04
0.03
其他外圆磨
0.03
0.02
往复平面磨
0.02
0.02

表8轮齿机上装夹和松卸工件时间
工 件 重 量（kg)
0.5
1
2
3
5
8
15
20
装 夹 方 法

时 间
工件带鸡心夹装到两顶尖间
液压夹紧
装 卸
0.06
0.09
0.11
0.13
0.18
0.2
0.22

0.03
0.05
0.07
0.09
0.14
0.16
0.18

装到心轴上，顶尖支承
螺母快换垫片，扳手夹紧
装 卸
0.1
0.18
0.2
0.22
0.26
0.28
0.3
0.32
0.09
0.15
0.17
0.19
0.23
0.25
0.28
0.3
液顶尖压板夹紧
装 卸
0.08
0.14
0.17
0.19
0.23
0.25
0.27

0.05
0.11
0.14
0.16
0.2
0.2
0.24

装在三爪自定心卡盘和顶尖间
手动夹紧
装 卸
0.14

0.21
0.23
0.27
0.29

0.09

0.19
0.21
0.25
0.27

表9滚齿机上各种操作所用时间
操 作 名 称
时 间
操 作 名 称
时 间
使工件和铣刀回转或停止
用按钮
0.01
刀架快速垂直退回（mm)至
50
0.05
工件快速靠近或离开刀架（mm)至
50
0.05
100
0.08
100
0.08
手动进、退刀

0.09
刀架快速靠近或离开工件（mm)至
50
0.08
清理夹具上切屑
用刷子
0.04
100
0.15
注：计算单件时间，应将本表除以同时加工件数。
7 滚齿用夹具设计
7.1 拟定滚齿夹具的结构方案
此工件以内孔和两端面为定位基准，限制5个自由度。如图2所示。

图2 工件定位、夹紧
为了提高定心精度，采用精密可胀心轴以消除配合间隙，把夹具的定位与夹
分开，可避免因夹紧影响齿坯的定心精度。滚齿夹具的结构类型如图3所示。

图3 滚齿夹具
1 - 压盖 2 - 心轴 3- 垫圈 4 – 钢套 5 – 底座
7.2 确定刀具的导向方式或对刀装置
选定刀具的向导方式或对刀装置，工件在加工时，能否保证加工精度，主要取决
刀具定位精度。通常采用的对刀方法有三种：试切法对刀、样件法对刀，和采用
刀装置或向导装置对刀。本零件加工的导向方式和对刀方式如下：
车床 通车道 试切法对刀
铣刀 平头铣刀 试切法对刀
磨床 砂轮 夹具定位
滚齿机床 滚齿刀 夹具定位
7.3 夹具精度的计算
本夹具的零件加工精度如下：
定位心轴尺寸精度Ф24（0 -0.1）mm
定位心轴安装表面精度Ф32g6 mm
定位心轴与钢套同心度公差0.02mm
零件图中齿的位置尺寸为38精度没有特殊要求，所以夹具在高度方向精度均为0.05即可满足要求。
垂直度精度要求为0.025mm,所以定位心轴垂直度要求为0.02mm即可满足零件加工要求。
定位心轴安装尺寸为32g6(+0.009 -0.025)

故此夹具能保证加工精度。
7.4 夹具总图（图4）

图4
7.5 夹具零件图（图5、图6）

图5

图6
8 课题小结
在朱小飞老师的细心指导下，我顺利完成了毕业设计。经过这次的毕业设计，我基本掌握了零件的加工过程分析及工艺文件的编制机专用夹具设计的方法和步骤，学会了查找相关手册以及选择使用工艺装备等。
本次毕业设计主要经历两个阶段，第一阶段是机械加工工艺规程设计，第二阶段是夹具设计。第一阶段是对零件基准的选择、机床选用等方面的知识相关运用，第二阶段是对夹具定位，夹紧机构及零件结构设计方面的知识运用。
总之，这次设计使我们对机械相关的基本理论知识的实际运用有了更深的了解。同时也提高了我们发现问题及解决问题的能力。为以后的设计工作打下了较好的基础。
参考文献：
1、刘守勇，李增平机械制造工艺与机床夹具，北京：机械工业出版社,2013年
2、杨叔子，机械加工工艺师手册，北京：机械工业出版社，2011年；
3、魏康民，机械加工工艺方案设计与实施，北京：机械工业出版社，2010年；
4、崔长华，机械加工工艺规程设计，北京：机械工业出版社，2009年；
5、金建华,黄万友，典型机械零件制造工艺与实践，清华大学出版社,2011年；
6、吴慧媛,韩邦华，零件制造工艺与装备，电子工业出版社,2010年。
7、机械制造技术基础课程设计指南 崇凯主编 化学工业出版社 2007.2

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55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究
56. 基于单片机的多通道数据采集系统
57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制
58. 基于单片机的红外测油仪的研究
59. 96系列单片机仿真器研究与设计
60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造
61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现
62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制
63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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