机械制造课程设计(阶梯轴的工艺规程) 一、零件的分析 1.1 轴的作用 轴的主要作用是支承回转零件及传递运动和动力。按照轴的承受载荷不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴成为转轴，只承受弯矩的轴称为心轴，只承受扭矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。

　1.2 轴的工艺分析 该轴主要采用40Cr钢能承受一定的载荷与冲击。此轴为阶梯轴类零件，尺寸精度，形位精度要求均较高。Φ21，φ22.5，φ24，Φ22.55为主要配合面，精度均要求较高，需通过磨削得到。轴线直线度为φ0.01，两键槽有同轴度要求。在加工过程中须严格控制。

　（1）该轴采用合金结构钢40Cr，中等精度，转速较高。经调质处理后具有良好的综合力学性能，具有较高的强度、较好的韧性和塑性。

　（2）该轴为阶梯轴，其结构复杂程度中等，其有多个过渡台阶，根据表面粗糙度要求和生产类型，表面加工分为粗加工、半精加工和精加工。加工时应把精加工、半精加工和粗加工分开，这样经多次加工以后逐渐减少了零件的变形误差。

　（3）零件毛坯采用模锻，锻造后安排正火处理。

　（4）该轴的加工以车削为主，车削时应保证外圆的同轴度。

　（5）在精车前安排了热处理工艺，以提高轴的疲劳强度和保证零件的内应力减少，稳定尺寸、减少零件变形。并能保证工件变形之后能在半精车时纠正。

　（6）同一轴心线上各轴孔的同轴度误差会导致轴承装置时歪斜，影响轴的同轴度和轴承的使用寿命。在两端面钻中心孔进行固定装夹可以有效防止径向圆跳动、保证其同轴度。

　 零件图如下

　轴的各表面粗糙度、公差及偏差见表一

　加工表面 尺寸及偏差（mm） 公差及精度等级 表面粗糙度Ra（µm） 形位公差 轴段1

　IT6 1.6 轴线直线度为 轴段2

　IT8 1.6 轴线直线度为 轴段2端面

　 3.2

　轴段3 30 未注 12.5 轴线直线度为 轴段3端面

　 3.2

　轴段4

　IT6 1.6 轴线直线度为 轴段4端面

　 3.2

　轴段5

　未注 1.6 轴线直线度为 键槽2

　IT7 3.2

　键槽5

　IT7 3.2

　表一 二、工艺规程设计 2.1

　确定毛坯的制造形式 阶梯轴材料为40Cr钢，要求强度较高，且工件的形状比较简单，毛坯精度低，加工余量大，因年产5000件，所以达到批量生产水平。综上考虑，采用锻件，其锻造方法为模锻，毛坯的尺寸精度要求为IT12以下。

　 2.2

　定位基准的选择 正确的选择定位基准是设计工艺过程中的一项重要的内容，也是保证加工精度的关键，定位基准分为精基准和粗基准，以下为定位基准的选择。

　粗基准的选择。

　（1） 粗基准的选择 应能保证加工面与非加工面之间的位置精度，合理分配各加工面的余量，为后续工序提供精基准。所以为了便于定位、装夹和加工，可选轴的外圆表面为定位基准，或用外圆表面和顶尖孔共同作为定位基准。用外圆表面定位时，因基准面加工和工作装夹都比较方便，一般用卡盘装夹。为了保证重要表面的粗加工余量小而均匀，应选该表面为粗基准，并且要保证工件加工面与其他不加工表面之间的位置精度。按照粗基准的选择原则，选择次要加工表面为粗基准。又考虑到阶梯轴的工艺特点，所以选择φ30的外圆及一端面为粗基准。

　（2）精基准的选择

　根据轴的技术要求，轴的中心线为设计基准，也是测量基准，按照基准重合原则及加工要求，应选轴心线及一端面为精基准，其他各面都能以此为定位，从而也体现了基准统一的原则。

　2.3

　拟定轴的工艺路线 2.3.1零件表面加工方法的选择 本零件的加工面有外圆、端面、键槽等，材料为40Cr，参考有关资料，加工方法选择如下：

　 30 外圆面：为未注公差尺寸，表面粗糙度为Ra12.5µm，需进行粗车、半精车。

　外圆面：公差等级为IT8，表面粗糙度为Ra1.6µm，需进行粗车、半精车、精车。

　 外圆面：公差等级为IT6，表面粗糙度为Ra1.6µm需进行粗车、半精车、精车、粗磨、精磨。

　 端面：本零件端面为回转体端面，尺寸精度都要求不高，表面粗糙度为Ra3.2µm，需进行粗车、半精车。

　 键槽：槽宽公差等级为IT7，槽深公差等级未注，表面粗糙度为Ra3.2µm，需采用三面刃铣刀，粗铣、半精铣

　2.3.2 工艺顺序的安排 （一）机械加工工序 （1）遵循先基准平面后其他的原则：机械加工工艺安排是总是先加工好定位基准面，所以应先安排为后续工序准备好定为基准。先加工精基准面，钻中心孔及车表面的外圆。

　（2）遵循先粗后精的原则：先安排粗加工工序，后安排精加工工序。先安排精度要求较高的各主要表面，后安排精加工。

　（3）遵循先主后次的原则:先加工主要表面，如车外圆各个表面，端面等。后加工次要表面，如铣键槽等。

　（4）遵循外后内，先大后小原则：先加工外圆再以外圆定位加工内孔，加工阶梯外圆时先加工直径较大的后加工直径小的外圆。

　（5）次要表面的加工：键槽等次要表面的加工通常安排在外圆精车或粗磨之后，精磨外圆之前。

　（6）对于轴右端及中间轴段加工质量要求较高的表面，安排在后面，并在前几道工序中注意形位公差，在加工过程中不断调整、保证其形位公差。

　（7）按照先面后孔的原则：先加工端面，再铣键槽。

　 （二）热处理工序的安排

　在切削加工前宜安排正火处理，能提高改善轴的硬度，消除毛坯的内应力，改善其切削性能。在粗加工后进行调质处理，能提高轴的综合性能。最终热处理安排在半精车之后磨削加工之前。其能提高材料强度、表面硬度和耐磨性。在精加工之前安排表面淬火，这样可以纠正因淬火引起的局部变形，提高表面耐磨性。

　 （三）辅助工序的安排

　在粗加工和热处理后，安排校直工序。在半精车加工之后安排去毛刺和中间检验工序。在精加工之后安排去毛刺、清洗和终检工序。

　 综上所述，该轴的工序安排顺序为：

　下料——锻造——预备热处理。

　 该轴的加工工序:车端面——粗车——调质——半精车——精车——车端面——铣键槽——淬火——磨外圆——精磨——检验。

　2.3.3 加工阶段的划分 该轴精度要求较高，其加工阶段可划分为粗加工、半精加工、精加工阶段。

　1、在粗加工阶段，粗车外圆，以高生产效率去除毛坯余量。

　2、在半精加工阶段，对外圆进行半精车，铣键槽等，减小粗加工中留下的误差，使加工面达到一定的精度，为精加工做好准备。

　3、精加工阶段，、30、外圆面表面粗糙度要求为Ra1.6µm，对其进行精车以达到要求。而对于外圆面其公差等级为IT6，表面粗糙度要求为Ra1.6µm安排粗磨、精磨。

　2.3.4 确定工艺路线 根据以上的加工工艺过程的分析确定零件的工艺路线如表二

　工序号 工序名称 工序内容 10 模锻 毛坯锻造加工 20 热处理 正火 30 车端面 车断头及端面保证端面尺寸，钻中心孔；调头车另一端面，钻中心孔； 40 粗车 粗车轴段3外圆，以其端面为基准面，依次粗车轴段1、2外圆；调头再以轴段3右端面为基准粗车轴段4、5；粗车各退刀槽 50 热处理 调质 60 半精车 以轴段3外圆为基准依次半精车轴段1、2外圆；半精车槽深0.5的2个；调头再以轴段3外圆为基准半精车轴段4、5外圆；半精车槽深0.5。

　70 精车 用调整法找正以顶尖中心线为基准精车轴段1；精车轴段2;调头精车轴段4；精车轴段5； 80 车端面 车端面保持长122；倒角1X45调头车另一端面保持全长120；倒角1X45度，车槽深0.3 90 粗铣键槽 铣两个宽为7的键槽 100 半精铣键槽 半精铣两个键槽 110 热处理 表面淬火 120 粗磨 粗磨轴段1；调头粗磨轴段4 130 精磨 精磨轴段4；调头精磨轴段1 140 检验

　表二

　2.4加工工序的设计 2.4.1 加工余量的确定

　 加工余量见表三 加工表面 工序名称 工序余量 工序尺寸 精度等级 轴段3 粗车 4 Φ30 IT11 轴段1、4 外圆面 半精磨 0.1 Φ22.5（+0.0055，-0.0055） IT6 粗磨 0.25 Φ22.6（0，-0.018） IT7 精车 0.25 Φ22.85（0，-0.027） IT8 半精车 2.2 Φ23.1（0，-0.043） IT9 粗车 8.7 Φ25.3（0，-0.11） IT11 轴段2外圆面 精车 0.3 Φ24（+0.012，+0.001） IT8 半精车 1.5 Φ24.3（0，-0.043） IT9 粗车 8.2 Φ25.8（0，-0.11） IT11 轴段5外圆面 精车 0.3 Φ21(0,-0.01) IT8 半精车 1.5 Φ21.3(0,-0.043) IT9 粗车 8.2 Φ22.8(0,-0.011) IT11 键槽 半精铣 1.5 7.5（0，-0.03） IT7 粗铣 6 9（0，-0.075） IT11 表三

　 2.4.2毛坯尺寸及公差等级 由工艺人员手册可查得锻件单边余量厚度方向1.5-2mm，取2mm，水平方向为2.0-2.7mm，取2.5mm.锻件质量小于1kg，长度等于120mm，取其上偏差+0.17mm，下偏差-0.08mm。锻件厚度尺寸小于40mm，取其上偏差+0.12mm，下偏差-0.04mm。B/H<1,故取起偏角为5度。则锻件毛坯长度尺寸为，直径尺寸为。根据零件图各部分的加工精度要求，锻件的尺寸公差等级为8-12级，加工余量等级为普通级，故取IT=12级。

　2.4.3毛坯图的绘制 根据零件图可知该轴各加工表面的粗糙度至少为12.5µm。

　综上，锻件毛坯图如下所示。

　2.5确定切削用量及基本工时 确定切削用量的原则：首先应选取尽可能大的背吃刀量，其次在机床动力和刚度允许的条件下，又满足以加工表面粗糙度的情况下，选取尽可能大的进给量。最后根据公式确定最佳切削速度。

　1）工序30，粗车轴的左右端面

　该工序为两个工步，工步1是以左边定位。粗车右端面；工步2是以右边定位，粗车左端面。由于这两个工步是在一台机床上经一次走刀加工完成的，故其选用的切削用量相同。

　背吃刀量的确定：根据加工余量，工步1和工步2的背吃刀量都为0.5mm ② 进给量的确定：

　本设计采用的是硬质合金车刀，工件材料是40Cr，查表取进给量f＝0.5mm/r ③ 切削速度的计算：

　硬质合金车刀切削40Cr时，取切削速度V为50m/min，根据公式，可得车床转速n=1000×50/（×34）r/min=663r/min，查表CA6140的主轴转速范围为10~1400，1400~1580（r/min），符合要求。

　2）工序40粗车及工序60半精车 ① 该工序为工步1粗车和工步2半精车，则背吃刀量依次为 ap1=z=8.2mm，ap2=z=2.2mm ②查表得

　粗车 f1=0.81mm/r，取Vc为60m/min，则n=796r/min ③半精车取f2=0.4mm/r，Vc为90m/min，则n=1194r/min

　(n=1000Vc/d) 3）工序40、60的过渡面部分 粗车——半精车尺寸为φ30的轴肩两端面 粗车轴段2与轴段1的过渡端面，其切削用量与上述结论类似，不再计算 4）工序90、100粗铣及半精铣键槽

　 粗铣 取f=2mm/r

　Vc=60m/min

　n=118 r/min

　 半精铣取f=0.8mm/r

　Vc=74m/min

　n=200 r/min 5）工序120、130粗磨、精磨加工轴段1、4外圆面

　查表取粗磨、精磨深度进给量为分别为0.032mm，0.008mm

　工件的运动速度为15m/min，18m/min

　背吃刀量等于磨削余量0.25mm及0.1mm 6）其余工序 ①粗车加工时，取f=0.81mm/r

　Vc=60m/min

　 ②半精车加工时，取f=0.51mm/r

　Vc=90m/min

　 ③精加工时，取f=0.2mm/r

　Vc=120m/min 皆符合要求。

　三、机床设备的选用 3.1各工序所用机床、夹具、刀具、量具和辅具（表四，表五）

　表四

　表五 3.2 机床设备的选用 由以上的表四、五，结合零件轴的生产类型为大批量生产，可以选用较高效率的专用机床和自动机床。根据该轴尺寸的大小要求，选用数控车床CK6140，外圆磨床M1432,铣床X083。

　3.3 机床夹具设计 1）刀具选择

　因为该传动轴为阶梯轴，所以选用90度角外圆车刀（车台阶）材料为YT15，45°刀（倒角）和切槽刀（切槽）。

　2）量具选择

　 因为该轴最大长度为124，所以选用量程0-200，精度0.05游标卡尺。各工序具体所用工艺设备见下表

　工序号 机床设备 刀具 量具 10

　 游标卡尺 20

　30 CK6140 90°刀 游标卡尺 40 CK6140 90°刀 游标卡尺 50

　60 CK6140 90°刀 游标卡尺 70 CK6140 90°刀 游标卡尺 80 CK6140 90°刀 游标卡尺 90 铣床X083 铣刀 游标卡尺 100 铣床X083 铣刀 游标卡尺 110

　120 M1432 砂轮

　130 M1432 砂轮

　140

　 游标卡尺

　3）夹具选择

　机床夹具的作用及分类：保证加工精度

　夹具可准确确定工件、刀具和机床之间的相对位置，可以保证加工精度。提高生产效率

　夹具可快速地将工件定位和夹紧，减少辅助时间。减轻劳动强度

　采用机械、气动、液压等夹紧机构，可以减轻工人的劳动强度。扩大机床的工艺范围

　采用机床夹具可使机床的加工范围扩大。机床夹具按应用范围分为：通用夹具、专用夹具、组合夹具。

　 以工序40选择夹具，根据零件的功用、特点及材料，可选择三爪卡盘进行零件的夹紧，定位基准选轴的一个端面，定位元件选择浮动顶尖即可定位。

　 机械加工工艺过程卡片 产品型号

　零件图号

　 产品名称 阶梯轴 零件名称 阶梯轴 共1页 第1页 材 料 牌 号 Cr40 毛 坯 种 类 锻件 毛坯外形尺寸 124x 每毛坯件数 1 每 台 件 数 1

　工序号 工序名称 工

　序

　 内

　容 车间 工段 设

　备 工

　 艺

　 装

　 备 工

　 时 准终 单件 10 模锻 毛坯锻造加工

　游标卡尺

　 20 热处理 正火

　 30 车端面 车端面钻中心孔，掉头另一端钻中心孔

　 CK6140

　游标卡尺

　 40 粗车 粗车轴段3外圆，以其端面为基准面，依次粗车轴段1、2外圆；调头再以轴段3右端面为基准粗车轴段4、5；粗车各退刀槽

　 CK6140 游标卡尺

　 50 热处理 调质

　 60 半精车 以轴段3外圆为基准依次半精车轴段1、2外圆；半精车槽深0.5的2个；调头再以轴段3外圆为基准半精车轴段4、5外圆；半精车槽深0.5。

　CK6140 游标卡尺

　 70 精车 用调整法找正以顶尖中心线为基准精车轴段1；精车轴段2;调头精车轴段4；精车轴段5；

　 CK6140 游标卡尺

　 80 车端面 车端面保持长122；倒角1X45调头车另一端面保持全长120；倒角1X45度，车槽深0.3

　 CK6140 游标卡尺

　 90 粗铣槽 铣两个宽为7的键槽

　 铣床X083 铣刀 游标卡尺

　 100 半精铣槽 半精铣两个键槽

　 铣床X083 铣刀 游标卡尺

　 110 热处理 表面淬火

　 120 粗磨 粗磨轴段1；调头粗磨轴段4

　 M1432

　130 精磨 精磨轴段4；调头精磨轴段1

　 M1432

　140 检验

　 游标卡尺

　设计（日 期） 校对（日期） 审核（日期） 标准化（日期） 会签（日期）

　 标记 处数 更改文件号 签字 日期

　机械加工工序卡片 产品型号

　零件图号

　 产品名称 阶梯轴 零件名称 阶梯轴 共 1 页 第 1 页

　车间 工序号 工序名称 材 料 牌 号

　 40 粗车 cr40 毛 坯 种 类 毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每 台 件 数 锻件 124x 1 1 设备名称 设备型号 设备编号 同时加工件数 数控车床 CK6140

　1 夹具编号 夹具名称 切削液

　三爪卡盘

　工位器具编号 工位器具名称 工序工时 (分) 准终 单件

　 工步号 工步内容 工艺装备 主轴转速r/min 切削速度m/min 进给量mm/r 切削深度mm 进给次数 工步工时 10 粗车轴段3，Ra=12.5 um 游标卡尺 796 60 0.81 4 1 机动 辅助 20 粗车轴段1、2，Ra=1.6 um 游标卡尺 796 60 0.81 11.5、10 5、3

　 30 粗车轴段4、5，Ra=1.6 um 游标卡尺 796 60 0.81 11.5、10 5、3

　 40

　50

　设 计（日 期） 校 对（日期） 审 核（日期） 标准化（日期） 会 签（日期） 标记 处数 更改文件 签字 日期 标记 处数 更改文件号 签

　 字 日

　 期

　 加工后零件的三维图

　设计小结 通过此次课程设计,让我受益非浅,不仅培养了我们发现问题、分析问题、解决问题的逻辑思维能力,更重要的是学会了熟悉运用机械制造工艺学中的基本理论实际知识解决零件在加工中的定位，夹紧，以及工艺路线安排，工艺尺寸确定等问题保证加工质量。通过这次轴的设计,让我们从机械基础到公差配合、从机械制图、计算机绘图到机床设备应用，把机械制造过程中的各种知识综合整理，又有了更高层次的理解和发现。

　 在设计中,老师的细心指导,让我们了解了自己在学习过程中的缺陷,使我们进一步熟悉及应用机械制造中的理论研究,培养了我们一丝不苟、严谨认真的工作作风和良好习惯!课程设计是我们所学知识的总结及运用,同时也让我们进一步熟悉了计算机的操作,让我们为毕业后工作有了信心。在此,感谢老师的认真指导!同时，在设计的过程中，我们也遇到了很多问题，其中就有不少就是因为自己的知识储备是很有限的，因此，我也更加感受到了自己的不足并决心努力克服改正。