減速器低速軸設計及加工工藝

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1、J20 型減速器低速軸的設計及加工工藝 1 設計要求 原始資料：根據(jù)成都卡帕特科技有限公司要求，設計一減速器低速軸,傳遞的功率 P=3.42kW主動輪轉速n=60r/min，載荷平穩(wěn)，單向運轉，預期壽命 10年(每天按300天計)， 單班制工作，原動機為電動機。 設計應完成的任務：設計出一個符合上述要求的軸，畫出零件圖，根據(jù)軸的工作條件及性能 要求確定軸的加工步驟，并寫出軸的加工工藝。 2 軸的結構設計 2.1 最小軸徑的設計 按扭矩初算最小軸徑本軸是屬于中、小軸，在減數(shù)器重工作時要承受各種負荷和沖擊載荷并 且要具有較高的耐疲勞性能和較好的耐磨性能，因此該軸材料選用 45 鋼即可

2、滿足其要求。所以選 用45#調質，硬度217-255HBS根據(jù)文獻 P26514.4表，取c=118,又因為設計要求 P=3.42,n=60 A /Q A /Q 所以，d > (P/N) 118 =(3.42/60) mm=46m考慮有鍵槽，將直徑增大 5% 貝U d=46(1+5%)mm=48.3 mm?選 d=50mm 2.2 軸的結構設計 2.2.1 軸上零件的定位，固定和裝配 單級減速器中可將齒輪安排在箱體中央，相對兩軸承對稱分布，齒輪左面由軸肩定位，右面 用套筒軸向固定，聯(lián)接以平鍵作過渡配合固定，兩軸承分別以軸肩和套筒定位，貝采用過渡配合 固定。 2.2.2 確定軸各段直

3、徑和長度 為了使計算方便、易懂，現(xiàn)畫草圖如下(圖上的階梯軸從左到右依次是 I段、II段、山 段、W 段、V段、切段) 2.1軸的草圖 I 段：di=50mm 長度取 Li=47mriT h=2c c=1.5mm II段：取軸肩高3.5mm 作定位用，：d 2=57mm 初選用一對6213型角滾動軸承，其內徑為65mm寬度為23mm. 考慮齒輪端面和箱體內壁，軸承端面和箱體內壁應有一定距離。取套筒長為 50mm通過密封 蓋軸段長應根據(jù)密封蓋的寬度，并考慮聯(lián)軸器和箱體外壁應有一定矩離而定，為此，取該段長為 55mm安裝齒輪段長度應比輪轂寬度小 2mm, 故 II 段長：L2=85

4、mm III 段直徑 da=65mn， L 3=55mm 根據(jù)軸承安裝要求，軸肩高h=2.5 mm W段直徑 d4=70mn，L4=80mm V段直徑ds=82mm.長度Ls=9mm W段直徑de=65 mm 長度Le=23 mm 由上述軸各段長度可算得軸支承跨距 L=299mm 2.2.3按彎矩復合強度計算 1. 求分度圓直徑：已知 d=3XZ i=27mm 2. 求轉矩：已知 Ti=544350N? mm 3. 求圓周力：Ft 根據(jù)參考文獻 P267得 Ft=2T1=2X 544350/324=3360N 4. 求徑向力Fr 根據(jù)參考文獻 P267得 Fr=Ft

5、? tan a =3360X tan20 0=1220N 2.2軸的受力圖 1） 繪制軸的受力圖如圖a 2） 水平面內的彎矩圖（圖 b）, 支點反力為： Fha=Fhb=F"2=1680N 由兩邊對稱，知截面C的 彎矩也對稱。截面C在垂直面 彎 矩 為 MIfFhaX 64=10752（N ? mm） 3） 垂直面內的彎矩圖 （圖c） Fva= F hb=64X Fr/2=534.79(N ? mm) 截面處的彎矩為：Mv匸 646.95 X 64=34226.56(N ? mm) 4) 繪制合彎矩圖(如圖d) 皿=(加+硏)1/2=(1075202+34226.562

6、) 1/2=112836.199N ? mm 5）繪制扭矩圖（如圖e） 轉矩：aT=06 x 544.35=326610N- mm 6） 繪制當量彎矩圖（如圖f ） 轉矩產生的扭剪力按脈動循環(huán)變化，取 a =0.6，截面C處的當量彎矩: Mec=[M2+（ a T）2] 1/2=[112836.199 2+32661C?] 1/2=345550N? mm 7） 校核危險截面C的強度 由式（6-3） d （Mec/0.1[ c -1]） 1/3=238594/0.1 x 551/3=39.5mm 因截面C處開有鍵槽，故將軸直徑加大 5%即為39.5 xl.05=41.475mm

7、結構設計草圖該處 直徑為 70mm ， 強度足夠。軸的結構簡圖如下： 圖2.1減速器低速 3 零件的工藝過程 3.1 軸的材料 軸的失效多為疲勞破壞，所以軸對材料的要求是：具有足夠的疲勞強度，對應力集中的敏感 性小，具有足夠的耐性，易于加工和熱處理，價格合理。 軸的常用材料主要是碳素鋼、合金鋼和鑄鋼。 1．碳素鋼在軸的材料中常用的有 30、35、40、45、和 50 等優(yōu)質碳素鋼，尤以 45 綱應用最 為廣泛。用優(yōu)質碳素鋼制造的軸，一般均應進行正火或調制處理，以改善材料的力學性能。不重 要的或受力較小的軸可用 Q235A Q255A Q275A等普通碳素鋼制造，一般不進行熱處

8、理。 2．合金鋼合金鋼比碳素鋼具有更好的力學性能和熱處理性能。但對應力集中較敏感，價格 也較貴，因此多用于重載、高溫、要求尺寸小、重量輕、耐磨性好等特殊要求的場合。需要指出 的是，合金鋼和碳素鋼的彈性摸量相差很小，因此在形狀和尺寸相同的情況下，用合金鋼來替代 碳素鋼不能提高軸的鋼度。此外在設計在設計合金鋼軸時，必須注意從結構上減小應力集中和減 少其表面粗糙度。 3．鑄鐵球墨鑄鐵和高強度鑄鐵適應于形狀復雜的軸或大型轉軸。其優(yōu)點是不需要鍛壓設 備、價廉、吸陣性好，對應力集中不敏感；缺點是沖擊韌性低，鑄造質量不易控制。 毛坯的形式有棒料和鍛造兩種，前者應用與單件小批量生產，尤其是適用于光滑軸和

9、外圓直 徑相差不大的階梯軸，對于相差較大的階梯軸則往往采用鍛件。鍛件還可以獲得較高的抗拉，抗 彎和抗扭強度。單件小批生產一般采用自由段，批量生產則采用模鍛造，大批量生產時若采用帶 有貫穿孔的無縫鋼管毛坯，能大大節(jié)省材料和機械加工量 本軸是屬于中、小軸，在減數(shù)器重工作時要承受各種負荷和沖擊載荷并且要具有較高的耐疲 勞性能和較好的耐磨性能，因此該軸材料選用 45鋼即可滿足其要求。 根據(jù)圖樣可看出外圓直徑尺寸相差不大，故選擇C 85m的熱軋圓鋼作毛坯。 3.2軸的熱處理 鍛造是利用鍛壓機械對金屬坯料施加的壓力，使其產生塑性變形以獲得一定機械性能、一定 形狀和尺寸的鍛件的加工方法。鍛造能消除金

10、屬的鑄態(tài)疏松 ,焊合孔洞 ,鍛件的機械性能一般優(yōu)于 同樣材料的鑄件 . 常用的鍛造有軋制、擠壓、拉拔、自由鍛、模鍛、板料沖壓。因為軋制比較方 便，所以我選擇軋制。 在機器制造過程中，為使工件獲得良好力學性能，或改善材料的工藝性能，常采用熱處理方 法。熱處理就是將固態(tài)金屬或合金，采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，獲得所需組織結構 與性能的一種工藝方法。 熱處理是強化金屬材料、提高產品質量和壽命主要途徑之一。通常重要的機器零件大多數(shù)要 進行熱處理。如汽車、拖拉機工業(yè)中 70%-80%的零件要經過熱處理，機床工業(yè)中 60%-70%的零件 要進行熱處理，各種工具則幾乎 100%要進行熱處理。因此

11、熱處理在機械制造工業(yè)中有切削加工 十分重要的地位。 根據(jù)熱處理加熱和冷卻方式的不同，熱處理可分為以下三類： 1. 整體熱處理：指對工件整體進行穿透加熱的熱處理，主要有退火、正火、淬火和回火。 2. 表面熱處理：指對工件表層進行熱處理，以改變表面組織和性能的熱處理，主要有火焰淬 火、感應淬火等。 3. 化學熱處理：指改變工件表面的化學成分、組織和性能的熱處理，主要有滲碳、滲氮、碳 氮共滲、滲金屬等。 熱處理的種類和方法很多，但其基本過程都由加熱、保溫和冷卻三個階段組成。其過程通常 用“溫度 - 時間”為坐標的曲線來表示，稱熱處理工藝曲線，改變加熱溫度、保溫時間和冷卻速度 等參數(shù)，都會在

12、一定程度上發(fā)生相應的組織轉變，進而影響材料的性能。所以，要掌握鋼的熱處 理規(guī)律，就必須研究鋼在加熱和冷卻過程中的組織 . 綜上所述制定主軸制造工藝路線： 鍛造f正火f切削加工（粗）f調質f （半精）f高頻感應加熱表面淬火f低溫回火f磨削 鍛造是消除毛坯的鑄態(tài)疏松，焊合孔洞，鍛件的機械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件 . 正火的目的是為了消除和改善前一道工序即鍛造所造成的某些組織缺陷及內應力，也為隨后 的切削加工（粗加工）及熱處理做好組和性能上的準備。 調質是為以后的表面淬火作預先熱處理；調質后的硬度不高，便于為以后的切削加工（半精 加工）最好準備。 而高頻感應加熱表面淬火 +低溫回火作為最終熱

13、處理，高頻感應加熱表面淬火是為了使軸承處 及錐孔表面得到高硬度、耐磨性和疲勞強度； 低溫回火是為了消除應力，防止磨削時產生裂紋，并保持高硬度和耐磨性。 3.3確定軸表面的加工方法 軸大都是回轉表面，主要采取車削與外圓磨削成形。由于該軸的主要表面的公差等級較高， 所以外圓表面的加工方案可為：粗車f半精車f磨削。 先用夾具夾住毛坯的一端。先把C 85!勺毛坯粗車加工成C 831 勺外圓。 粗車：粗車外圓C 65mrfC 67mm粗車外圓C 70mrfC 72mm 粗車外圓C 65mmrC 67mm調頭粗車外圓C 50mmrC 52mm 粗車外圓C 57mmrC 59mm 半精車：半

14、精車外圓C 65mm>C 65.5mm 半精車外圓C 82mm2C8m 半精車外圓C 70mm>C 70.5mm 調頭半精車外圓C 65mm>C 65.5mm 調頭半精車外圓C 50mm>C 50.5mm 半精外圓C 57mm>C 57 mm 磨削：磨各外圓到各設計的尺寸 , 磨各軸肩到各設計的尺寸。 3.4 確定軸的定位基準 合理地選擇定位基準，對于保證零件的尺寸和位置精度有著決定性的作用。由于該軸的幾 個主要配合表面及軸肩面對基準軸線 A-B 均有徑向圓跳動和端面圓跳動的要求，它又是實心軸， 所以應選擇兩端中心孔為基準，采用雙頂尖裝夾方法，以保證零件的技術要求。 粗基準采用熱軋圓

15、鋼的毛坯外圓。中心孔加工采用三爪自定心卡盤裝夾熱軋圓鋼的毛坯外 圓，車端面、鉆中心孔。一般不能用毛坯外圓裝夾兩次鉆兩端中心孔，而應該以毛坯外圓作粗基 準，先加工一個端面，鉆中心孔，車出一端外圓；然后以已車過的外圓作基準，用三爪自定心卡 盤裝夾，車另一端面，鉆中心孔。如此加工中心孔，才能保證兩中心孔同軸。 3.5 劃分加工階段 軸類零件的加工，一般可分為三個階段：粗加工（包括銑端面打頂尖孔，粗車外圓），半精 車和精加工。具體的加工工藝路線取決于軸的主要表面的加工精度和表面粗糙度要求。加工工藝 路線通常是：粗車f半精車f精車f研磨f精磨。為了改善機械加工性能和提高硬度，在加工過 程中，還要插入

16、必要的熱處理工序，例如：粗加工（包括切小頭端面，打頂尖孔，粗車外圓，大 端端面，鉆通孔等）f熱處理（調質）f半精加工（包括各外圓，小端。內孔，錐孔的半精車與 半精鏜等）f熱處理（各主軸頸及錐孔高頻淬火）f精加工（包括精車小端錐孔，洗鍵槽，鉆大 端面各孔，精車各檔外圓及螺紋，精磨外圓及大端錐孔等）。插入熱處理工序后，主軸的加工過 程自然地被分為幾個加工階段?？梢哉f，軸類零件的加工階段的劃分大至以熱處理工序為界。 由此可見，整個主軸加工的工藝過程，就是以主要表面的粗加工，半精加工和精加工為主， 適當插入其它表面的加工工序而組成的。這就說明，加工階段的劃分起主導作用的是工件的精度 要求。對于一般精

17、度的機床主軸，精度是最終工序，對精密機床的主軸，還要增加光整加工階 段，以求獲得更高的尺寸精度和更低的表面粗糙度。 該軸加工劃分為三個階段：粗車加工階段、半精車加工階段、磨削加工階段。如表 3.1 。 表 3.1 軸的加工劃分階段表 加工階段 工序目的 粗車加工階段 將毛坯加工至接近工件要求，為半精加工作準備 半精車加工階段 加工至為零件留有少量加工余量 磨削加工階段 做最后加工至符合圖紙上的要求 3.6切削用量的選擇 數(shù)控車削加工中的切削用量包括被吃刀量、主軸轉數(shù)、進給量和切削速度，這些參數(shù)均應在 機床給定的允許范圍內選取。車削用量的選擇是否合理，對于能否充分充分

18、發(fā)揮機床潛力與刀具 切削性能，實現(xiàn)優(yōu)質、高產、低成本和安全操作具有很重要的作用。車削用量的選擇是粗車時， 首先考慮選擇盡可能大的被吃刀量其次選擇較大的進給量 ，最后確定一個合適的切削速度?增大被 吃刀量可使走刀次數(shù)減少，增大進給量有利于斷屑。 精車時，加工精度和表面粗糙度要求較高，加工余量不大且較均勻，因此選擇精車的切削用 量時，應著重考慮如何保證加工質量，并在此基礎上盡量提高生產率。因此，精車時要選用較小 的被吃刀量和進給量并選用性能高的刀具材料和合理的參數(shù)，以盡可能提高切削速度。 表3.2加工各段的切削用量 加工階段 加工前后軸的尺寸的 變化 加工速度 加工余量 加工長度

19、 粗車切 0 83mmrC 67 800r/min 2mm 23mm 粗車W 0 83mmr0 72 800r/min 2mm 80mm 粗車川 0 83mmr0 67 800r/min 2mm 55mm 粗車I 0 83mmr0 52 800r/min 2mm 47mm 粗車U 0 83mmr0 59 800r/min 2mm 85mm 半精車W 0 67mmr0 65.5 500r/min 0.5mm 23mm 半精車V 0 83mmr0 82.5 500 r/mi n 0.5mm 9m 半精車W 0 72mmr0 7

20、0.5 500 r/mi n 0.5mm 80mm 半精車川 0 67mmr0 65.5 500 r/mi n 0.5mm 55mm 半精車I 0 52mmr0 50.5 500 r/mi n 0.5mm 47mm 半精車U C 59mrfC 57.5 500 r/mi n 0.5mm 85mm 磨削 精磨各軸到指定尺寸 符合尺寸 符合尺寸 3.7軸的安裝方式 軸類零件的安裝方式有以下幾種： 1采用兩中心孔定位裝夾。 2以重要外圓表面為粗基準定位加工出中心孔，再以軸兩端的中心孔為定位精基準。 3盡可能基準重合、基準統(tǒng)一、互為基準。

21、 4采用外圓表面定位裝夾。 5采用三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤。 6采用各種堵頭或拉桿心軸定位裝夾。 本設計采用最常見的裝夾方式：兩中心孔定位裝夾。 3.8擬定工藝過程 定位精基準面中心孔應在粗加工之前加工，在調質之后和磨削之前各需安排一次修研中心 孔的工序。調質之后修研中心孔為消除中心孔的熱處理變形和氧化皮，磨削之前修研中心孔是為 提高定位精基準面的精度和減小錐面的表面粗糙度值。擬定傳動軸的工藝過程時，在考慮主要表 面加工的同時，還要考慮次要表面的加工。在半精加工C 65mmC 82mmC 70mmC 65mm5Om外 圓時，應車到圖樣規(guī)定的尺寸，同時加工出各退刀槽、倒角；二個鍵

22、槽應在半精車后以及磨削之 前銑削加工出來，這樣可保證銑鍵槽時有較精確的定位基準，又可避免在精磨后銑鍵槽時破壞已 精加工的外圓表面。 綜合上述分析，軸的工藝路線如下： 下料f鍛造f正火f車兩端面，鉆中心孔f粗車各外圓f調質f修研中心孔f半精車各外圓，車 槽，倒角-劃鍵槽加工線f銑鍵槽f修研中心孔f淬火f磨削f檢驗。 4軸的加工工藝卡 3. 半精車各部外圓, 均留0.5mm量 4. 檢驗 劃一個鍵槽，寬20mm 中 長50mm 孑L 8鉗 修研兩端中心孔 9 熱處淬火處理在保持心部 1磨削 韌性的同時，使軸的 工作表面磨削后能達 到要求的表面粗糙度 1.磨各外圓及軸肩

23、到 指定尺寸 中心孔 中心孔 鍵槽刀（立銑刀） 提高定位精基準面的精度 為使軸承處得到高硬度、耐 磨性和疲勞強度 0 5．軸類零件的檢驗 5.1 精度的檢驗 精度的檢驗應按一定的順序進行，先檢驗形狀精度，然后檢驗尺寸精度，最后驗證位置精 度，這樣可以判明和排除不同的性質誤差之間對測量精度的干擾。軸類零件在加工過程中和加工 完了以后都要按工藝規(guī)程的要求進行檢驗。檢驗的項目主要包括表面粗糙度、表面硬度、尺寸精 度、表面形狀精度和相互位置精度等。 1

24、形狀精度的檢驗 圓度為軸的同一橫截面內最大值與最小值的誤差。一般用千分尺按照測量直徑的方法即可檢 測，也可將工件放在精密測量平板上用千分表來檢驗，或用千分表借助 V 形塊來測量，精度高的 軸需用比較儀或圓度儀來檢驗。 圓柱度是指同一軸最大直徑與最小直徑之差，同樣可用千分尺檢測。彎曲度可以用千分表檢 驗，把工件放在平板上工件轉動一周，千分表讀數(shù)的最大變動量就是彎曲誤差值。 2 尺寸精度的檢驗 在單件小批量的生產中，軸的直徑一般用外徑千分尺檢驗。精度較高時，可用杠桿卡規(guī)測 量，臺肩長度可用游標卡尺，深度游標卡尺和深度千分尺的檢驗。 大批大量生產中，常采用界限卡規(guī)檢驗軸的直徑。長度不大而精

25、度高的工件，也可用比較儀 檢驗。 為了減少精密量具的磨損，縮短檢驗時間，可采用卡規(guī)檢驗軸的直徑與臺肩長度。 3 位置精度的檢驗 一般用兩支承軸頸作為測量基準面，可使測量、裝配及設計基準都重合，避免因基準不重合 而引起的測量誤差。 為提高檢驗精度和縮短檢驗時間，位置精度檢驗多采用多用檢具，檢驗時將主軸的兩支承軸 頸放在同一平板上的兩個 V 型架上，并在軸的一端用擋鐵，鋼球和工藝錐堵?lián)踝?，限制主軸沿軸 向穩(wěn)定，兩個 V 型架中有一個的高度是可調的，測量時先用千分表調整軸的中心線，使它與測量 平面平行，平板的傾斜角一般為 15 度，使工件軸端靠自重壓力鋼球。 在主軸前錐孔中插入檢驗心棒，按

26、測量要求放置千分表，用手輕輕動主軸，從千分表讀數(shù)的 變化既可測量各項誤差，包括錐孔及有關的表面相對支承軸頸的頸向跳動與端面跳動。 錐孔的接觸精度用專用錐度量規(guī)涂色檢驗，要求接觸面積在 70%以上，分布均勻而大端接觸 較“硬”，即錐度只允許偏小，這項檢驗應在檢驗錐孔跳動之前進行 6刀具的選擇 機械加工中常用的刀具材料主要有高速鋼、硬質合金、立方氮化硼 （CBN）、陶瓷等。由于重型 切削的特點（切削深度大，余量不均，表面有硬化層），刀具在粗加工階段的磨損形式主要是磨粒 磨損。由于切削溫度高，盡管切削速度處于積屑瘤發(fā)生區(qū)，但高溫可以使切屑與前刀面的接觸部 位處于液態(tài)，減小了摩擦力，抑制了積

27、屑瘤的生成，所以刀具材料的選擇應要求耐磨損、抗沖 擊，刀具涂層后硬度可達80HRC具有高的抗氧化性能和抗粘結性能，因而有較高的耐磨性和抗 月牙洼磨損能力。硬質合金涂層具有較低的摩擦系數(shù)，可降低切削時的切削力及切削溫度，可以 大大提高刀具耐用度（涂層硬質合金刀片的耐用度至少可提高 1倍）等優(yōu)點，但由于涂層刀片的鋒 利性、韌性、抗剝落和抗崩刃性能均不及未涂層刀片，故不適用高硬度材料和重載切削的粗加 工。只有硬質合金刀具適合于重型切削的粗加工。硬質合金分為鎢鉆類 （YG）、鎢鉆鈦類（YT）和碳 化鎢類（YW）。加工鋼料時，由于金屬塑性變形大，摩擦劇烈，切削溫度高， YG類硬質合金雖然強 度和韌性

28、較好，但高溫硬度和高溫韌性較差，因此在重型切削中很少應用。與之相比， YT類硬質 合金刀具適于加工鋼料，由于 YT類合金具有較高的硬度和耐磨性，尤其是具有高的耐熱性，抗粘 結擴散能力和抗氧化能力也很好，在加工鋼料時刀具磨損較小，刀具耐用度較高，因此 YT類硬質 合金是重型加工時較常用的刀具材料。因此，本次車加工選用 YG類硬質合金材料的刀具。 根據(jù)加工需要選擇用45外圓車刀和用90右偏刀 用45外圓車刀車端面（是利用主刀刃進行切削的。切削條件較好，粗糙度較高，適合車削 有端面，倒角的外圓工件 用90外圓車刀一般適用于車削有臺階的工件，車削時，通常由外向中心進刀，是用副刀刃 進行切削的條件較差。在實際切削時，在副刀刃上磨出前角使之成為主刀刃進行切削。 對于銃鍵槽因為軸上的鍵槽的軸徑較小，可在鍵槽銃床上利用自定心虎鉗夾持加工鍵槽，為了保證槽的尺 寸精度、一般用立銃刀。