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wia83100001驱动轴工艺及铣键槽夹具设计大学论文
机械技术学院
毕业设计论文
WIA8.310.0001驱动轴工艺及铣键槽夹具设计
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数控技术系
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学生签名:
日期:
2011.4.25
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指导教师签名:
日期:
2011.4.25
WIA8.310.0001驱动轴工艺及铣键槽夹具设计
[摘要]WIA8.310.0001驱动轴是用在直齿减速箱上的主动轴,属于阶梯轴。
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
它在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件,以传递扭矩,并保证装在轴上零件的回转精度。
本次课题主要是通过对WIA8.310.0001驱动轴进行相关工艺分析,从而制定出切实可行的加工工艺路线,并完成一份WIA8.310.0001驱动轴的二维CAD图的绘制;通过对驱动轴机械加工工艺路线的制定,完成相关的工艺过程卡及工序卡各一份;并完成驱动轴铣键槽专用夹具的设计,绘制一份铣键槽专用夹具的总装图;最终完成WIA8.310.0001驱动轴相关课程设计说明书以及FANUCSeries0I-TC操作说明书8.3-9.5相关英语内容的翻译。
[关键词]驱动轴加工工艺专用夹具
第一章绪论
1.1课题简介
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
它在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件,以传递扭矩,并保证装在轴上零件的回转精度。
WIA8.310.0001驱动轴是用在直齿减速箱上的主动轴,属于阶梯轴。
WIA8.310.0001驱动轴长度L为270mm,最大直径d为44mm,由于L/d≤12,属于刚性轴。
WIA8.310.0001驱动轴主要由外圆柱面、外圆锥面、端面、台阶面、螺纹、键槽及横向中心孔组成。
本次课题主要是通过对WIA8.310.0001驱动轴进行相关工艺分析,从而制定出切实可行的相关加工工艺路线,并完成与此零件加工工艺相关的图表。
WIA8.310.0001驱动轴三维造型见图1-1
图1-1WIA8.310.0001驱动轴三维造型图
1.2预期成果
本次课程设计预期所要完成的成果为:
1.完成WIA8.310.0001驱动轴的二维图绘制,二维图一份;
2.完成WIA8.310.0001驱动轴机械加工工艺路线的制定,相关工艺过程卡及工序卡一份;
3.完成WIA8.310.0001驱动轴铣键槽专用夹具设计,铣键槽夹具图一份;
4.完成WIA8.310.0001驱动轴相关课程设计说明书,说明书一份;
5.完成FANUCSeries0I-TC操作说明书8.3-9.5相关英语内容的翻译。
1.3表面加工路线
WIA8.310.0001驱动轴的相关尺寸要求如图1-2及附图1所示
图1-2WIA8.310.0001驱动轴零件图
相关技术要求为:
·坯料、热处理及成品进行超声波探伤,剔除不合格产品;
·硬度(HB)241-286;
·未注倒角均按1.5*45°;
·未注公差尺寸均按IT15级。
WIA8.310.0001驱动轴材料为40Cr且需进行锻造,主要机械加工表面为端面、外圆、槽、孔、螺纹及键槽加工。
WIA8.310.0001驱动轴端面公差尺寸要求为IT15级,根据《机械加工工艺手册(软件版)1.0》表外圆柱面加工的经济精度,查得:
半精车所能达到的公差尺寸要求为IT8~IT10级,故端面的加工路线为粗车→半精车。
WIA8.310.0001驱动轴外圆面粗糙度要求为Ra0.8μm,全跳动要求为0.02μm,尺寸技术要求较高,根据《机械加工工艺手册(软件版)1.0》表各种加工方法能达到的表面粗糙度,查得:
外圆磨(精磨)所能达到的Ra0.2μm~Ra0.8μm,故外圆的加工路线为粗车→精车→粗磨→精磨。
WIA8.310.0001驱动轴所需达到的表面粗糙度要求为Ra3.2μm,根据《机械加工工艺手册(软件版)1.0》表各种加工方法能达到的表面粗糙度,查得:
切槽(二次行程)所能达到的表面粗糙度要求为Ra3.2μm~Ra6.3μm,故槽的加工需进行二次行程的切槽便可达到相关公差尺寸要求。
WIA8.310.0001驱动轴的孔主要是中心孔及螺纹底孔公差尺寸均按IT15级,用中心钻及麻花钻即可达到相关公差尺寸要求。
WIA8.310.0001驱动轴的键槽,槽宽由定尺寸刀具保证,此部位加工需考虑使用专用夹具。
1.4工艺设计所需软件
本次工艺设计所涉及的软件主要为AutoCAD及UGNX。
AutoCAD(AutoComputerAidedDesign)是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件,用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。
现已经成为国际上广为流行的绘图工具。
.dwg文件格式成为二维绘图的事实标准格式。
AutoCAD具有良好的用户界面,通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。
它的多文档设计环境,让非计算机专业人员也能很快地学会使用。
在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧,从而不断提高工作效率。
UG(UnigraphicsNX)是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案,它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。
UnigraphicsNX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求,提供了经过实践验证的解决方案。
1.5本章小结
本章介绍了WIA8.310.0001驱动轴,通过对WIA8.310.0001驱动轴的机械加工工艺技术要求的分析,提出了本次课程设计的预期成果及初步加工路线,并对课题实施所采用的相关工具软件进行了简单说明。
第二章驱动轴加工工艺过程
2.1毛坯的设计
2.1.1计算零件年生产量
驱动轴零件年生产量N(件/年)计算公式为:
N=Qn(1+a%+b%)
式中:
Q——产品的年生产量,为4000台/年;
n——每台产品中该零件的数量,为1件/台;
a%——备品的百分率,取5%;
b%——废品的百分率,取0.5%。
N=4000×1×(1+5%+0.5%)=4220件/年。
根据以上计算结果,查表2-1可知该零件为中批量生产类型,考虑到驱动轴在使用过程中需承受较重载荷故选择锻件。
表2-1生产纲领与生产类型的关系
生产类型
零件的年生产纲领/件
重型零件
中型零件
轻型零件
单件生产
<5
<10
<100
小批生产
5~100
10~200
100~500
中批生产
100~300
200~500
500~5000
大批生产
300~1000
500~5000
5000~50000
大量生产
>1000
>5000
>50000
2.1.2确定毛坯尺寸
由于WIA8.310.0001驱动轴长度L为270mm,最大直径d为44mm,根据《机械加工工艺手册(软件版)1.0》表模锻件内外表面加工余量,查得毛坯外形尺寸为Φ49×278mm。
锻造毛坯如图2-1所示
图2-1锻造毛坯图
可以选择Φ45mm40Cr棒料作为毛坯原料,并需要进行锻造,故
毛坯棒料长度l棒(mm)计算公式为:
V棒×95%(考虑了5%的烧损量)=V坯
0.95πR2棒=πR2坯
2l棒=2l坯
2l棒=2×278
L棒=347mm
式中:
V棒——棒料体积(mm3);
V坯——毛坯体积(mm3);
R棒——棒料半径(mm);
R坯——毛坯半径(mm);
l坯——毛坯长度,为278mm;
d棒——棒料直径,为45mm;
d坯——毛坯直径,为49mm。
故应锯棒料Φ45×347mm。
棒料图如图2-2所示
图2-2棒料图
2.2工艺过程设计
根据以上相关计算结果驱动轴加工方法如图2-3所示
…………
…………
图2-3驱动轴加工方法
该零件相应的工艺过程卡见表附件5
2.3机床和刀夹量具选择
2.3.1选择机床
WIA8.310.0001驱动轴相应的加工过程,如表2-2所示
表2-2WIA8.310.0001驱动轴加工过程
工序号
工序名称
工序内容
010
备料
锯Φ45×347mm(考虑了5%的烧损量)
020
锻
锻成Φ49×278mm
030
热处理
退火
040
检
超声波探伤,剔除不合格毛坯
050
车
三爪装夹左端,车右端面留余量3mm
车外圆至Φ38×230mm
060
钻
三爪装夹左端,车钻Φ12×60顶尖孔
车钻Φ8.5×30mm孔
070
车
掉头三爪装夹右端,车左端面留余量3mm
(续)
工序号
工序名称
工序内容
车外圆至Φ48×40mm
车外圆至Φ39×32mm
切槽3Φ33mm、3Φ34mm至尺寸
080
钻
三爪装夹右端,车钻Φ3顶尖孔
090
车
掉头三爪装夹左端,车右端面留余量1.5mm
100
攻
攻M10×25mm内螺纹
110
车
掉头三爪装夹右端,车左端面留余量1.5mm
车Φ44×8mm至尺寸
车外园至Φ36.4×29mm
车三处1.5×45倒角至尺寸
120
车
掉头双顶尖装夹,车Φ36、Φ35、Φ30外圆表面,留单面余量0.6mm
车两处20倒角至尺寸
车1.5×45倒角至尺寸
130
铣
铣键槽夹具装夹,铣两处Φ12×50mm键槽至尺寸
140
热处理
泥芯保护两端面顶尖孔,调质HB241-286
150
车
去泥芯
三爪装夹左端,车右端面保证总长270mm
掉头三爪装夹右端,车左端面保证总长270mm
160
研
三爪装夹左端,研右顶尖孔
三爪装夹右端,研左顶尖孔
170
双顶尖装夹,磨Φ36、Φ35、Φ30外圆表面,留单面余量0.2mm
180
磨
掉头双顶尖装夹,磨Φ35×29mm至尺寸
190
磨
掉头双顶尖装夹,磨Φ36、Φ35、Φ30外圆表面至尺寸
200
磨
磨莫氏锥度1:
100至尺寸
210
钳
去毛刺
220
检
超声波探伤,剔除不合格产品
检验其他尺寸精度,剔除不合格产品
驱动轴相应加工过程中工序号为050、070、090、110、120、150、160的工序为粗车、半精车、切槽、倒角及研顶尖孔,WIA8.310.0001驱动轴最大尺寸为Φ44×270mm,毛坯尺寸为Φ49×278mm,根据CA6140车床说明书(《切削用量简明手册++第3版》表1.31),工件最大加工长度L=650mm,900mm,1400mm,1900mm工件最大加工直径在床面上为400mm;在刀架上为210mm。
故可选用CA6140型号的卧式车床进行相关加工。
工序060、080为车钻顶尖孔及螺纹孔,跟据WIA8.310.0001驱动轴相关尺寸、生产类型及尺寸要求,可选用CA6140型号的卧式车床进行相关加工。
工序100为攻M10内螺纹,可选择手工攻丝。
工序130为铣两处键槽,跟据WIA8.310.0001驱动轴相关尺寸、生产类型及尺寸要求,根据XA5032型号铣床说明书(《切削用量简明手册++第3版》表3.30)工作台工作面积,长×宽=1250mm×320mm,工作台最大纵向行程680mm,故可选用XA5032型号立式升降台铣床进行相关加工。
工序170、180、190、200为粗磨、精磨及磨1:
100莫氏锥度,跟据WIA8.310.0001驱动轴相关尺寸、生产类型及尺寸要求,根据《机械加工工艺手册(软件版)1.0》万能外圆磨床查得M131W型万能外圆磨磨削外圆直径最大为315mm,磨削外圆长度最大为1000mm圆度最高为0.003mm,圆柱度最高为0.006mm,故可选用M131W型万能外圆磨床进行相关加工。
2.3.2选择刀夹量具
1.选择刀具
在车床上进行的相关加工工序中,车削外圆时依据相关尺寸精度要求,可选择YT类硬质合金车刀,粗车时可选用YT5硬质合金左偏刀,半精车时可选用YT15硬质合金左偏刀;车钻中心孔时,由于工件在半精车及磨削加工时均需用到中心孔定位来保证较高的尺寸精度要求,故可选择带护锥的B型中心钻。
在铣床上进行的相关加工工序中,主要是铣键槽,根据键槽相关尺寸精度要求,可先选用Φ10立铣刀粗铣键槽,再选用Φ12键槽铣刀进行精铣。
在磨床上进行的相关加工工序中,主要是磨削工件外圆面,使之达到相关尺寸精度要求并磨出相应锥度,可先选用普通平形砂轮粗磨工件外圆,再选用普通平形砂轮精磨工件外圆,最后选用成型砂轮磨出相应锥度。
2.选择夹具
轴类零件的设计基准是轴心线,轴类零件的加工通常采用外圆或中心孔作为定位基准。
在粗加工工件时,粗基准为两端的外圆柱面。
WIA8.310.0001驱动轴粗车端面及外圆时,用三爪卡盘固定其一端,对另一端进行相关加工;车钻中心孔及螺纹孔时,用三爪卡盘固定其一端,对另一端进行相关加工。
半精车及磨削时,为保证工件相关尺寸精度要求,采用两中心孔进行定位,设计基准为工件的中心线,采用双顶尖装夹进行相关加工以满足基准重合。
由于多数加工工序都采用两中心孔进行定位并辅以鸡心夹,能够最大限度的加工出多个外圆恰好满足基准统一。
铣削键槽时,为保证相关尺寸精度要求,采用铣键槽专用夹具以保证键槽中心线与轴线相重合。
工序050、070、090、110、150、160采用三爪卡盘进行装夹。
工序120、170、180、190、200采用双顶尖装夹并辅以鸡心夹。
工序100采用台虎钳装夹。
工序130采用铣键槽专用夹具进行装夹。
3.选择量具
粗车、半精车时可选用游标卡尺检验相关尺寸精度;铣键槽时可以选用键槽塞规检验相关尺寸精度磨削加工尺寸精度要求较高,可选用外圆百分尺检验相关尺寸精度;螺纹可以选用螺纹塞规检验相关尺寸精度;坯料、热处理及成品需进行超声波探伤;终检时需用偏摆仪检验相关圆跳动量。
综上所述,WIA8.310.0001驱动轴相关加工机床及工艺装备如表2-3所示
表2-3WIA8.310.0001驱动轴主要加工机床及工艺装备
工序名称
机床设备
刀具
夹具
量具
备料
GW4028/A
锯片
游标卡尺
粗车
CA6140
YT5左偏刀
三爪卡盘
游标卡尺
半精车
CA6140
YT15左偏刀
三爪卡盘、顶尖、鸡心夹
游标卡尺
切槽
CA6140
YT15切槽刀
三爪卡盘
游标卡尺
钻孔
CA6140
Φ3、Φ12中心钻、Φ8.5麻花钻
三爪卡盘
游标卡尺
攻螺纹
M10丝锥
台虎钳
螺纹塞规
铣键槽
XA5032
Φ10立铣刀、Φ12键槽铣刀
铣键槽夹具
键槽塞规
研顶尖孔
CA6140
铸铁顶尖
三爪卡盘
粗磨
M131W
圆砂轮
三爪卡盘、顶尖、鸡心夹
外径百分尺
精磨
M131W
圆砂轮
三爪卡盘、顶尖、鸡心夹
外径百分尺
检
偏摆仪、游标卡尺、键槽塞规、千分表
2.4本章小结
本章的主要内容是介绍WIA8.310.0001驱动轴加工工艺过程的相关设计流程,主要阐述了毛坯、工艺过程的设计、确定。
本章节通过对WIA8.310.0001驱动轴生产类型、毛坯尺寸的计算确定;拟定了WIA8.310.0001驱动轴相关工艺路线并且确定了与此相关的机床及工艺装备;最终确定了WIA8.310.0001驱动轴加工工艺过程并填写相关的加工工艺过程卡。
第三章驱动轴工序设计
3.1车削加工
3.1.1端面粗车
以工序050三爪装夹左端,粗车右端面留余量3mm为例,其加工材料为40Cr钢,抗拉强度σb=700MPa,锻件,有外皮;加工余量仅为1mm,只需一次走刀即可完成。
其加工简图如图3-1所示。
图3-1粗车右端面加工简图
1.选择车刀几何尺寸
选择直头焊接式外圆车刀,根据《切削用量简明手册++第3版》表1.1,由于CA6140车床的中心高为200mm(《切削用量简明手册++第3版》表1.31),故选刀杆尺寸B×H=16mm×25mm,刀片厚度为4.5mm。
根据《切削用量简明手册++第3版》表1.2,粗车带外皮的锻件毛坯,可选择YT5牌号硬质合金。
2.选择车刀几何形状
根据《切削用量简明手册++第3版》表1.3;选择卷屑槽带倒棱前刀面,主偏角Kr=45°,副偏角=10°,后角α0=6°,前角γ0=12°,刃倾角λs=0°,刀尖圆弧半径rε=1.0mm,倒棱前角γ01=-10°,倒棱宽度br1=0.4mm。
卷屑槽尺寸为:
圆弧半径rBn=5mm,槽宽WBn=5mm,槽深CBn=0.7mm(卷屑槽尺寸根据以后选择的进给量确定)。
3.确定切削用量
切削深度ap粗加工余量仅为1mm,只需一次走刀即可完成,故
ap=1mm
进给量ƒ
根据《切削用量简明手册++第3版》表1.4当刀杆尺寸B×H=16×25mm,ap≤3mm,工件直径为40~60mm时,ƒ=0.4~0.7mm/r。
按CA6140车床说明书(《切削用量简明手册++第3版》表1.31)选择
ƒ=0.48mm/r
确定的进给量尚需满足车床进给机构强度的要求,故需进行检验。
根据CA6140车床说明书(《切削用量简明手册++第3版》表1.31),其进给机构允许进给力Fmax=3530N。
根据《切削用量简明手册++第3版》表1.21,当钢的的强度σb=680~810MPa,ap≤2mm,ƒ≤0.53mm/r,Kr=45°,vc=65m/min(预计)时,进给力为Fƒ=630N。
切削时切削力Fƒ修正系数为kkrFƒ=1.0,kroFƒ=1.0,kλsFƒ=1.0(见《切削用量简明手册++第3版》表1.29-2),故实际进给力为Fƒ=630N由于切削时的进给力Fƒ小于车床进给机构允许的进给力Fmax,故所选ƒ=0.48mm/r的进给量可用。
4.车刀钝角标准及寿命
根据《切削用量简明手册++第3版》表1.9,车刀后角面最大磨损量取为1mm,车刀寿命T=60min。
5.切削速度
根据《切削用量简明手册++第3版》表1.10,当用YT15硬质合金车刀加工σb=630~700MPa钢料,ap≤1.4mm,ƒ≤0.54mm/r,切削速度vt=156mm/min。
切削速度的修正系数为:
kTv=1.0,kMv=1.0,kmv=0.8,ktv=0.65,kkv=1.04,kkrv=1.0(均见《切削用量简明手册++第3版》表1.28)故
=vtkv=156×0.8×0.65×1.04=84.36m/min
n===548r/min
式中:
vt——查表所得切削速度,为156m/min;
D——工件直径,为49mm;
kv——切削速度修正系数;
——修正后的切削速度(m/min);
n——工件转速(r/min)。
根据CA6140车床说明书(《切削用量简明手册++第3版》表1.31),选择
nc=560r/min
这是实际切削速度vc===86m/min
式中:
vc——实际切削速度(m/min);
D——工件直径,为49mm;
nc——车床主轴转速,为560r/min。
6.校验机床功率
由《切削用量简明手册++第3版》表1.24,当σb=580~970MPa,ap≤2mm,ƒ≤0.6mm/r,vc≤86m/min时,Pc=2kW。
切削功率的修正系数kkrPc=kkrFc=1.0,kroPc=kroFc=1.0(《切削用量简明手册++第3版》表1.29-2),故实际切削时的功率为Pc=2kW。
根据CA6140车床说明书(《切削用量简明手册++第3版》表1.31),车床主轴允许功率PE=7.5kW,因Pc 最后决定的车削用量如表3-1所示。 表3-1粗车右端面切削用量 主轴转速n(r/min) 进给量ƒ(mm/r) 切削深度ap(mm) 切削速度vc(m/min) 560 0.48 1 86 7.计算基本工时 tm= 式中: tm——基本工时(min); L——加工长度(mm); n——车床主轴转速,为560r/min; ƒ——进给量,为0.48mm/r。 式中L=l+y+△,l=r=24.5mm,根据《切削用量简明手册++第3版》表1.26,车削时的入切量及超切量y+△=2.0mm则L=24.5+2.0mm=26.5mm,故 tm=min=0.10min 粗车其它端面时切削用量、基本工时确定方法于此相同,最后决定的切削用量与基本工时如表3-2所示。 表3-2粗车其它端面切削用量与基本工时 主轴转速(r/min) 进给量(mm/r) 背吃刀量(mm) 进给次数 基本工时(min) 粗车左端面 560 0.48 1 1 0.10 3.1.2端面半精车 以工序090三爪装夹左端,车右端面留余量1.5mm为例,其加工材料与粗车端面相同,加工余量仅为1.5mm,只需一次走刀即可完成。 其加工简图如图3-2所示。 图3-2半精车右端面加工简图 1.选择刀具 车刀形状、刀杆尺寸及刀片厚度均与粗车相同。 半精车的刀片牌号选为YT15,车刀几何形状为(《切削用量简明手册++第3版》表1.3): 主偏角Kr=45°,副偏角=5°,后角α0=8°,前角γ0=12°,刃倾角λs=3°,刀尖圆弧半径rε=1.0mm,倒棱前角γ01=-5°,倒棱宽度br1=0.3mm。 卷屑槽尺寸为: 圆弧半径rBn=4mm,槽宽WBn=3.5mm,槽深CBn=0.4mm 2.确定切削用量 切削深度ap加工余量为1.5mm,故分一次走刀 ap=1.5mm 确定进给量ƒ 半精加工进给量主要受加工表面粗糙度的限制。 根据《切削用量简明手册++第3版》表1.6,当表面粗糙度为Ra3.2μm,rε=1.0mm,v>50m/r(预计)时,ƒ=0.3~0.35mm/r。 根据CA6140车床说明书(《切削用量简明手册++第3版》表1.31),选择ƒ=0.33mm/r。 确定的进给量尚需满足车床进给机构强度的要求,故需进行检验。 根据CA6140车床说明书(《切削用量简明手册++第3版》表1.31),其进给机构允许进给力Fmax=3530N。 根据《切削用量简明手册++第3版》表
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