1、 第一章 轴类零件结构设计及其分析轴是组成机器的重要零件之一，它的主要功能是：支承轴上零件，并使其具有确定的工作位置；传递运动和动力。1.1 轴的分类轴的分类方式有很多，按照不同的方式，有着不同的种类。1、按照承受载荷情况的不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。、转轴。工作时既承受弯矩又传递转矩的轴。如机床的主轴和减速器中的齿轮轴。它是机器中最常见的轴。、心轴。工作时只承受弯矩的轴。不随零件一同转动的心轴称为固定心轴，如自行车的前轮和滑动轴。随零件的一同转动的心轴称为转动心轴，如火车车轮轴和滑轮轴。、传动轴。主要用以传递转矩，不承受弯矩或弯矩很小的轴，如汽车变速箱与后桥差速器之间的轴。2、按照
2、不同的轴线形状，轴又可分为直轴、曲轴、扰性轴。直轴按其外形的不同，可分为光轴（轴外径相同）和阶梯轴两种。光轴形状简单，易加工，应力集中源少，但轴上的零件不易装配和定位，阶梯轴方便轴上零件的装拆、固定与紧固，在机器中应用广泛，因此本课题主要围绕阶梯轴的设计。1.2 轴的材料由于轴工作时产生的应力多是循环交变应力，所以轴的损坏常为疲劳破坏。而轴是机器中的重要零件，因此轴的材料应具有足够的强度和韧性，对应力集中敏感性小和良好的工艺性，有的轴还有耐磨性要求等。轴的材料主要是碳素钢和合金钢。碳素钢强度虽然较合金钢低，但价廉，对应力集中的敏感性低，故应用较广（常采用调质处理） 。常用的碳素钢有 30、40
3、、45 和 50 钢，其中 45 钢最常用。对于载荷不大或不重要的轴，也可用 Q235、255 等普通碳素钢，不需要热处理。合金钢比碳素钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能，但对应力集中比较敏感，价格较贵，对于受载大并要求尺寸紧凑、重量轻或耐磨性要求高的重要轴，或处于非常温度或腐蚀条件下工作的轴，常采用合金钢。常用合金钢有：20Cr、40Cr、20CrMnTi、40MnB 等。轴也可以采用合金铸铁和球墨铸铁。铸铁的流动性好，易于铸造成形以获得形状复杂的轴（曲轴） ，价廉，有良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中不敏感等优点。但由于强度和韧性较低，铸造质量不易控制，在使用上受到了一定的限制。轴的毛
4、坯一般用轧制的圆钢或锻件。锻件的内部组织比较均匀，强度较高，所以重要的轴以及尺寸或阶梯变化较大的轴，应采用锻件毛坯。轴的常用材料及其力学性能如表：11.3 轴的结构分析由于轴是非标准件，因此轴的设计是相当重要的。1、轴的合理结构应满足的基本要求、轴的受力合理，有利于提高刚度和强度，有利于节约材料减轻重量。、保证轴上零件在轴上定位准确及固定可靠，同时也应保证轴在机架上固定可靠。、便于轴及轴上零件的拆装和调整，轴承能够得到良好的润滑和密封。、具有良好的工艺性和经济性。2、轴设计的主要内容、为了保证所设计的轴能正常工作，必须通过强度计算保证其有足够的强度，以防断裂和过大的塑性变形。、对于强度要求的轴
5、（如车床的主轴） ，要进行刚度计算，以防工作时产生不允许的弹性变形。、对于高速运转的轴，为避免共振，还要进行振动稳定计算。3、轴设计的特点强度计算与结构设计是轴设计的两个主要部分。但是因为轴的具体受力情况与轴的结构密切相关，在轴的结构未确定之前，轴上力的作用点和支点间的跨距难以确定，故无法对轴进行强度计算。因此在轴的设计中，轴的强度计算和结构设计一般都是交替进行的。4、轴设计的步骤、选择轴的材料、初步估算轴的最小直径、进行轴的结构设计、按弯矩组合作用校核轴的危险截面强度、绘出轴的零件工作图1.4 轴的结构设计轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。轴上被支承的部分称为轴颈，安装轮毂的部分称为轴头，
6、连接轴颈和轴头的部分称为轴身。轴的结构设计就是使轴具有合理的形状和尺寸。轴在进行结构设计时，主要考虑轴上零件要有可靠的定位，轴向固定和轴向固定；便于轴上零件的装拆和轴的加工；有利于提高轴的强度和刚度，节约材料减轻重量等。轴的直径和长度的确定：轴颈和轴头的直径尺寸应与相配零件的内孔直径一致，其他的要求如下：轴颈与滑动轴承内孔之间为间隙配合，直径尺寸的公差等级和表面粗糙度为IT4IT7，Ra=1.60.2m，轴颈与滚动轴承相配，且为过渡配合，其直径和长度尺寸均由滚动轴承决定，直径尺寸的公差等级和表面粗糙度为 IT6IT7，Ra=1.60.8m；轴颈长度的确定，应考虑轴承的宽度，轴的膨胀量和安装误差
7、，固定铰链支座处的轴颈长度，仅考虑轴承的宽度；轴头的长度尺寸应小于传动件的宽度 23mm；轴头与传动件内孔之间为过盈连接（较多采用过渡配合） ，并用键连接，确保传动件的轴向固定；轴截面的变化处，要有合适的过渡圆角半径，以减小应力集中；轴肩的圆角半径应小于零件内孔的圆角半径，或倒角尺寸；定位轴肩（轴环）能承受较大的轴力，其高度 h=（0.07d+3mm）（0.1d+5mm ） ，滚动轴承的定位轴肩尺寸，可由其类型确定，非定位轴肩的高度 h=1.52mm；轴环宽度为1.4h。轴的其他长度确定，应尽可能做到结构紧凑，保证装拆、调整零件所需的空间及零件滑动所需的距离，如减速器中，轴的输入端和输出端的伸
8、长部分长度，还应考虑零件的装拆和轴承端盖（螺钉）的尺寸；轴上两个传动件之间的距离为 1020mm；传动件与箱体内壁之间的距离为 1020mm；滚动轴承端面离开箱体内壁的距离为 510mm。零件在轴上的轴向定位和固定方法有轴肩、轴环、套筒、圆锥面与压板或螺母联合使用、圆螺母、带螺钉的挡圈、紧定螺钉、弹簧挡圈、轴端挡圈与螺钉等。零件在周向定位和固定方法有圆柱销、圆锥销及过盈配合。轴的加工工艺有轴端和有过盈配合处应做倒角；轴端的轴线处应加工中心孔（顶尖孔） ；轴上应考虑螺纹退刀槽、砂轮越程槽；槽的宽度、倒角、圆角半径等可取同一尺寸；键槽的位置分为布在轴的同一母线上。根据以上的轴类零件结构设计以及分析
9、，本设计以金属剪切机的主动轴设计如图 11 所示：图 11 金属剪切机的主动轴零件图第二章 数控车床的介绍以及零件的结构分析数控车床又被称为 CNC 车床，即用计算机控制车床，普通车床是靠手工操作来完成各种切削加工的，数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，用伺服电机控制车床进给运动的动作顺序、进给量和进给速度，在配以主轴的转速和转向，便能加工出各种形状的轴类或盘类等回转体零件。数控车床是目前应用较为广泛的数控机床之一。 2.1 数控机床的分类1、按主轴的位置形式分有卧式（主轴线处于水平位置）和立式（主轴线处于垂直位置）两种。2、按数控系统控制的轴数有两轴（只有一个回转刀架）或多轴（有两
10、个独立的回转刀架） 。2.2 数控车削加工零件的类型车床车削的主运动是工件装夹在主轴上的旋转运动，配合刀具在平面内的运动加工回转体零件。回转体零件分为轴套类，轮盘类和其他类几种。轴套类和轮盘类零件的区分在于长径比，一般将长径比大于 1 的零件视为轴套类零件；长径比小于 1 的零件视为轮盘类零件。1、轴套类零件 轴套类零件的加工表面大多是内、外周围面，周围面轮廓可以是与 Z 轴平行的直线，切削形成台阶轴，轴上可有螺纹和退刀槽等；也可以是斜线，切削形成锥面或锥螺纹；还可以是圆弧或曲线（用参数方程表示的曲线） ，切削形成曲面。2、轮盘类零件 轮盘类零件的加工多是端面，端面的轮廓也可以是直线、斜线、圆
11、弧、曲线或端面螺纹、锥面螺纹等。3、其他类零件 数控车床与普通车床一样，装上特殊卡盘就可以加工偏心轴或在箱体、板材上加工孔或圆柱面。2.3 数控车削加工特点1、适应性强，用于各种小批量零件的加工在普通车床加工不同的零件时，一般要调整车床和附件，使车床达到加工要求。而在数控车床上加工不同的零件时只需要修改一下加工程序就可以达到加工要求，这样可以缩短生产准备时间。2、精度高，具有良好的互换性数控加工的尺寸精度通常在 0.0050.1 之间，在同一台机床上加工同一种零件时一般零件的精度相同。3、具有较高的生产效率和降低加工成本生产效率主要指加工一个零件所需的时间。其中包括机动时间和辅助时间。数控车床主轴转速和进给速度变化范围大，可以实现无极调速，在加工时可以选择最佳的参数，也可实现恒转速和恒线速，使切削参数达到最优，这样可以提高生产率，降低加工成本的功效。2.4 零件的结构分析以及工艺特点金属剪切机主动轴有（从左往右）M302-6g 的螺纹、2mm 的退刀槽、外圆、1:6 的锥面外圆（宽 4mm 的槽 3 处） 、宽 8mm 的槽 1 处、R8 凸圆、 R90.02 凹圆、S48 凸圆以及右端面孔 2826mm。轴两端及 520.02 的左端有 C2 倒角，便于零件配合装拆；阶梯处有 R2 的圆弧过渡，避免应力集中。
