1、1分类号：_ 密级：_编号：_学术论文DFL22J.01.001 的设计制造杨振伟宇航通达机械公司2009 年 7 月 1 日2目录引言、前言、关键词. 3一、轴的种类 .3二、轴的结构设计3（一）轴上零件的定位和固定 .3（二）轴的结构工艺性 .3（三）提高轴的疲劳强度 .3(四) 各段轴的直径和长度的确定.4三、轴的强度计算 .4(一) 轴的扭转强度计算.4(二) 按弯扭合成强度计算.5(三) 轴的刚度计算 .5(四) 轴的振动稳定性及临界转速.5四、轴的材料及选择 .6五、轴的设计 .7六、轴的加工工艺7(一) 零件图样分析.8(二) 确定毛坯.8(三) 确定主要表面的加工方法.9(四)
2、 确定定位基准.9(五) 划分阶段.9(六) 热处理工序安排.9(七) 加工尺寸和切削用量.9(八) 拟定工艺过程.9(九) 零件在加工过程中的几点说明.10结束语.103引言：轴类零件设计制造的普遍化，其加工特点的认识和难点的解决，已成为工艺人员和技术工人的首要问题。前言：本文选取机械管柱中的代表零件输入轴 DFL22J.01.001 进行分析总结。分析轴的设计与制造，包括对零件的材料，结构，强度分析和加工工艺的设计，具体阐述了工艺规程的编制流程。关键词：输入轴、设计、加工、工艺流程。第一章 轴的设计一、轴的种类输入轴主要承受转矩，由于制造误差也承受很小的弯矩，轴上装配有轴承、方向锁环和输入
3、轴，轴端开有花键以便传动转矩，所以本输入轴为传动轴、阶梯轴。二、轴的结构设计轴的结构设计就是确定轴的外形和全部结构尺寸。但轴的结构设计原则上应满足如下要求：1)轴上零件有准确的位置和可靠的相对固定；2)良好的制造和安装工艺性；3)形状、尺寸应有利于减少应力集中；4）尺寸要求。（一）轴上零件的定位和固定轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置；固定则是为了保证轴上零件在运转中保持原位不变。作为轴的具体结构，既起定位作用又起固定作用。1、轴上零件的轴向定位和固定：轴肩、轴向挡圈、O 形圈、压圈、铆接、焊接、注塑成形等。2、轴上零件的周向固定：花键、过盈配合和成形联接等，其中以花键联接应
4、用最广。（二） 轴的结构工艺性轴的结构形状和尺寸应尽量满足加工、装配和维修的要求。1、轴段需磨削加工和加工螺纹，开有砂轮越程槽和退刀槽。42、为了便于轴上零件的装配和去除毛刺，轴及轴肩端部制出 45 的倒角。轴承的配合属于过盈配合，在过盈配合轴段的装入端加工出带锥角的导向锥面。3、为便于加工，轴上直径相近处的圆角、倒角、越程槽等尺寸尽量一致。（三）提高轴的疲劳强度轴大多在变应力下工作，结构设计时应尽量减少应力集中，以提高其疲劳强度。1、结构设计方面 轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以对阶梯轴相邻轴段直径不宜相差太大，在轴径变化处的过渡圆角半径不宜过小。避免了在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹。在重
5、要结构中采用了凹切圆角，以增加轴肩处过渡圆角半径和减小应力集中。2、制造工艺方面 提高轴的表面质量，降低表面粗糙度，对轴表面采用调质处理强化表面硬度 HRC2025，这些均可显著提高轴的疲劳强度。（四）各轴段的直径和长度的确定1、各轴段直径确定a) 按扭矩估算所需的轴段直径 d min；根据公式 初步估算轴的最小直径。30minPAd其中:A 0 根据轴的材料依表选取，P 为输入轴传动功率，n 为输入轴的转速。轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径，根据联轴器的选择确定 d minb) 按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径。按轴上零件输出轴、方向锁环、轴承、联轴器、螺帽确定各轴的轴径。注意：与
6、标准零件相配合轴径应取标准植；同一轴径轴段上不能安装三个以上零件。2、各轴段长度 与各轴段上相配合零件宽度相对应；考虑零件间的适当间距（特别）是转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙。 输入轴的结构尺寸见附图 1。三、轴的强度计算（一）轴的扭转强度计算 圆轴扭转的强度条件为 .3620159dnPWTp5由上式可得轴的直径计算公式： 33620159nPAd.式中 A计算常数，与轴的材料和承载情况有关上式计算求得的轴颈，对有一个键槽的轴段应增大 3，对有两个键槽的轴段应增大7。（二）按弯扭合成强度计算 在轴的结构设计初步完成后，通常要对转轴进行弯扭合成强度校核。对于钢制轴可按第三强度理论计算，
7、强度条件为： bedaTMW.)(1320由上式可推得轴设计公式为： )(.mdbe31e当量应力（N/ 2） ；Me当量弯矩（N） ， 2)(aTMe；M 为危险截面上的合成弯矩，)(NVH2，其中 MH、M V分别为水平面上、垂直面上的弯矩。W轴危险截面弯曲截面系数，对圆截面 W0.1d 3。折合系数。对于不变的扭矩，01.ba；对于脉动循环扭矩，5901.ba；对于频繁正反转的轴， 可视为对称循环交变应力，取 =1。若扭矩变化规律不清，一般也按脉动循环处理； b1、 b0、 b1分别为对称循环、脉动循环及静应力状态下材料的许用弯曲应力当危险截面有键槽时，应将计算得轴径增大 4%7%。（三
8、）轴的刚度计算防止轴过大的弹性变形而影响轴上零件的正常工作，要求控制其受载后的变形量不超过最大允许变形量。1、弯曲刚度按材料力学公式计算出轴的挠度 y 和偏转角 6挠曲线方程： EIXMdxy)(2挠度： 积分二次偏转角： 积分一次y轴的允许挠度，mm 轴的允许偏转角 rad2、扭转刚度每米长的扭转角度扭转角 /m PGITL一般传动轴，许用扭转角 m/15.0，精密传动轴： m/5.02.（四）轴的振动稳定性及临界转速轴由于组织不均匀，加工误差等原因，质心会偏离轴线产生离心力，随着轴的旋转离心力（方向）会产生周期性变化周期性的干扰力弯曲振动（横向）当振动频率与轴本身的弯曲自振频一致时产生弯曲
9、共振现象。较常见另外，当轴传递的功率有周期性变化时扭转振动扭转共振。临界转速 cn轴引起共振时的转速称为临界转速，在临界转速附近，轴将产生显著变形。同型振动有多个临界转速，其中最低的叫一阶临界转速，其余的叫二、三阶临界转速。工作转速 n 低于一介临界转速 nc1称为刚性轴工作转速 n 高于一介临界转速 nc1称为挠性轴一般：刚性轴： 185.0c nc1、n c2分别为一阶和二阶临界转速挠性轴： 21.c高速轴应使其工作转速避开相应的高阶临界转速。四、轴的材料及选择轴的材料主要是碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中敏感性较小，应用较为广泛。常用的碳素钢有30、40、45 和 50 钢
10、，其中以 45 钢应用最广。为改善其机械性能，可进行正火或调质处理。合金钢具有较好的机械性能，但价格较贵。当载荷大，要求尺寸小，重量轻或有其它特殊要求的轴，可采用合金钢。球墨铸铁容易获得复杂的形状，而且吸振性好，对应力集中敏感性低，适用于制造外7形复杂的轴，如曲轴和凸轮轴等。注意：由于碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同，所以采用合金钢并不能提高轴的刚度。轴的各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（喷丸、滚压）对提高轴的疲劳强度有显著效果。输入轴的材料采用 35 钢。35 钢的化学成分及物理性能如下：35 钢的化学成分 单位%C Si Mn P S Cr Ni0.32-0.4
11、0 0.17-0.32 0.50-0.80 0.035 0.035 0.25 0.2535 钢的物理性能抗拉强度 b 屈服强度 aMpa kgf/mm2 Mpa kgf/mm2 伸长率（%） 硬度（HB) 热轧529 54 314 32 20 187五、轴的设计1、选择轴的材料 根据轴的工作要求，并考虑工艺性和经济性，选择合适的材料。2、初步确定轴的直径 可按扭转强度条件计算轴最细部分的直径，也可用类比法确定。3、轴的结构设计 根据轴上零件的数量、工作情况及装配方案，画出阶梯结构设计草图。由轴最细部分的直径递推各段轴直径，相邻两段轴直径之差通常可取为 510。各段轴的长度由轴上各零件的宽度及装
12、配空间确定。4、轴的强度校核 首先对轴上传动零件进行受力分析，画出轴弯矩图和扭矩图，判断危险截面，然后对轴危险截面进行强度校核。当校核不合格时，还要改变危险截面尺寸，进而修改轴的结构，直至校核合格为止。因此，轴的设计过程是反复、交叉进行的。第二章 轴的制造8六轴的加工工艺轴类零件是常见的典型零件之一，用来传递转矩或运动。台阶轴的加工工艺较为典型，反映了轴类零件加工的大部分内容与基本规律。下面就以机械管柱输入轴为例，介绍一般台阶轴的加工工艺。 （一） 零件图样分析零件图见附图 1。附图 1 所示零件是机械管柱中的输入轴。它属于台阶轴类零件，由圆柱面、圆锥面、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、卡槽、砂轮越程
13、槽和花键等组成。轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用是使零件装配时有一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；花键用于转矩的输入；螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。根据工作性能与条件，该传动轴图样(附图 1)规定了 13.9、20、16.85 处有较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度值，并有热处理要求。这些技术要求必须在加工中给予保证。因此，该传动轴的关键工序是轴外表面 13.9、20、16.85 的加工。（二）确定毛坯该传动轴材料为 35 钢，因其属于一般传动轴，故选 35 钢可满足其要求。9本例传动轴属于中、小传动轴，并且各外圆直径尺寸相差不大，故选择25mm
14、的热轧圆钢作毛坯。（三）确定主要表面的加工方法传动轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。由于该传动轴的主要表面13.9、20、16.85 的公差等级较高，表面粗糙度 Ra 值(Ra=0.8 um)较小，故车削后还需磨削。外圆表面的加工方案可为：粗车数控车磨削。（四）确定定位基准合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。由于该传动轴的几个主要配合表面对基准轴线有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，以保证零件的技术要求。粗基准采用热轧圆钢的毛坯外圆。中心孔加工采用三爪自定心卡盘装夹热轧圆钢的毛坯外圆，车端面、钻
15、中心孔。但必须注意，一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外圆作粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过的外圆作基准，用三爪自定心卡盘装夹(有时在上工步已车外圆处搭中心架)，车另一端面，钻中心孔。如此加工中心孔，才能保证两中心孔同轴。（五）划分阶段对精度要求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。 该传动轴加工划分为四个阶段：粗车(粗车外圆、钻中心孔等)，半精车/数控车(半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等)，粗、精磨(粗、精磨各处外圆)，滚键槽。（六）热处理工序安排轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。对于传动轴，正火、调质和表面淬火用得较
16、多。该轴要求调质处理，并安排在最前。综合上述分析，传动轴的工艺路线如下：下料调质车外圆，两端面，钻中心孔数控车各外圆，螺纹，沟槽，倒角，倒圆车槽，修研中心孔磨削滚花键检验。（七）加工尺寸和切削用量传动轴磨削余量可取 0.3mm，半精车余量可选用 1.5mm。加工尺寸可由此而定，见该轴加工工艺卡的工序内容。车削用量的选择，单件、小批量生产时，可根据加工情况由工人确定；一般可由机械加工工艺手册或切削用量手册中选取。（八）拟定工艺过程10定位精基准面中心孔应在粗加工之中加工，在磨削之前需安排一次修研中心孔的工序。磨削之前修研中心孔是为提高定位精基准面的精度和减小锥面的表面粗糙度值。拟定传动轴的工艺过
17、程时，在考虑主要表面加工的同时，还要考虑次要表面的加工。在半精加工外圆时，应车到图样规定的尺寸，同时加工出各退刀槽、砂轮越程槽、倒角、倒圆、和螺纹；花键应在磨削之后滚削加工出来，这样可保证滚花键时有较精确的定位基准。在拟定工艺过程时，应考虑检验工序的安排、检查项目及检验方法的确定。综上所述，所确定的该传动轴加工工艺过程见附表 1。（九）零件在加工过程中的几点说明1采用了二中心孔为定位基准，符合基准重合及基准统一原则。2该零件先以外圆作为粗基准，车外圆、车端面和钻中心孔，再以加工过的外圆为定位基准粗车外圆、端面和钻中心孔，此即为互为基准原则，使加工有一次比一次精度更高的定位基准面。3.为保证工件
18、外圆的磨削精度，半精车后须安排研磨中心孔的工序，并要求达到较细的表面粗糙度。外圆磨削时，影响工件的圆度主要是由于二顶尖孔的同轴度，及顶尖孔的圆度误差。4.为消除磨削应力，粗磨后安排低温时效工序（烘） 。5.要获高精度外圆，磨削时应分粗磨、半精磨、精磨工序。精磨安排在高精度磨床上加工。结束语本文对轴类零件代表件 DFL22J.01.001 的设计制造作了简单分析、归纳、总结。对轴类零件的设计，分析其材料，结构，强度，对轴类零件的制造，针对零件结构和加工难点，合理安排工艺路线，根据被加工位置的特点，选择恰当的装夹方式，合理选择刀具，避免因刀具与零件的接触面大，使挤压切削力过大而引起零件变形，改善冷却条件，正确选择参数，优化切削用量，经过验证与完善，得到轴类零件代表 DFL22J.01.001 的加工方法，以期得到推广。完成论文期间，感谢通达公司技术质量部多位同仁的指导和帮助，感谢蔡华德、戴建辉等同志的协作与配合，感谢蔡华德主任对质量的把关以及检验室对尺寸的检验。由于本人水平有限，可能存在分析不透彻、总结不妥之处，敬请专家谅解和赐教。
