1、湖南科技大学本科生毕业设计（论文）I目 录第一章 绪论 .11.1 概述.11.2 车床的发展趋势.11.3 本课题研究的内容和设计思想.5第二章 零件的分析.72.1 零件图样分析.72.1.1 轴类零件的技术要求 .72.1.2 主轴零件的工艺分析.82.2 零件的工艺过程分析.92.2.1 加工阶段的划分.92.2.2 工序顺序安排.92.2.3 主轴锥孔的磨削.92.3 本章小结.10第三章 工艺规程的设计 .113.1 主轴的材料、毛坯与热处理.113.1.1 主轴的毛坯.113.1.2 主轴的材料和热处理.123.2 主轴加工工艺过程.133.2.1 主轴加工的主要问题和工艺过程设
2、计所应采取的相应措施.133.2.2 主轴加工定位基准的选择.153.2.3 主轴主要加工表面加工工序的安排.153.2.4 各工序工步的排序.153.3 本章小结.15第四章 机械加工余量、工序尺寸的确定.164.1 各工序工步的加工余量的计算.164.2 各工序工步的切削用量的计算.224.3 本章小结.39湖南科技大学本科生毕业设计（论文）第五章 专用夹具的设计 .405.1 钻床夹具的设计.415.1.1 钻床夹具的分析.415.1.2 切削力的计算.415.2 磨床夹具的设计.415.2.1 夹紧装置及夹具体设计.415.2.2 磨削力的计算.425.3 本章小结.42第六章 结论.
3、43参考文献 .44致谢 .45附录 A：外文资料翻译译文附录 B：铣键槽数控加工程序编制附录 C：磨锥孔夹具装配图附录 D：磨锥孔前支架零件图附录 E：钻孔夹具装配图附录 F：某卧式车床主轴零件简图附录 G：某卧式车床主轴毛坯图附录 H：快换钻套零件图附录 I：钻模板零件图附录 J：机械加工工艺过程湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 0 -第一章 绪 论1.1 概述精密机床有进给系统，进给系统：进给伺服系统是数控装置和机床的中间联接环节，是数控系统的重要组成部分，同样的主轴系统也是现代机床的重要部分，而相对于不同滚动导轨或者滚动支承等功能元件的应用遍，也使进给箱和滑板箱的构造变得简化。1.
4、2 车床的发展趋势科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS 的迅速发展和 CIMS的不断成熟，又将对数控机床系统的性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新的、高精度（1） 高精度化 现代科学技术的发展、新材料以及新零件的出现，对精密加工技术不断提出新的要求，提高加工精度，。其精度已从微米到亚米级别，乃至纳米级。提高数控机床的加工精度，一般可通过减少的误差和采用机床误差补偿技术来实现。在减少 CNC 系统控制
5、误差方面，通常采用提高数控系统的分辨率、提高位置检测精度、在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。在机床误差补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距已由10m 提高到 5m，精密级加工中心的加工精度则从（35 ）m，提高到（11.5 ）m（2） 高速化 提高生产率是数控机床追求的基本目标之一。数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可以大幅度提高加工效率，降低加工成本，而且还可以提高理念的表面加工质量和精度，对制造业实现高效、优质、低成本生产具有广泛的适用性。要实现数控设备高速化对由微小程序段构成的加工程序进行高速处理，以计算出伺服电动机的移动间。告诉数控加工源于 20 世纪 9
6、0 年代初，以电主轴（实现高主轴转速）和只想电动机（实现高直线移动速度）的应用为特征，是进给的加速度达到(12)g m/s 。目前车削和铣度，当分辨率为 1m 时，达到2100m/min（有的到 200m/min）以上；当分辨率为 0.1m 时，达到 24m/min 以上。自动换刀速度在 1s 以内，小线段插补进给速度达到 12m/min。同样的现代车床也想着高柔性化、高自、模式识别技术）、复合化、高可靠性、网络化、开放式体系结构。1.3 本课题研究的内容和设计思想轴的构造影响要素有：轴在设配中装置地位及方式；轴上装置的零件的品种、湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 1 -数量、尺寸、以及轴
7、衔接的方较大。轴端部和轴承过盈配合，端部外表要求精度偏高。轴向定位用轴肩，与轴上零件相配合。其余轴向定位均采纳键连接的方式，以满足传递扭矩的需求。保证主轴前端轴颈的位置精度，还有支承轴颈之间的位置精度，普遍使用组合磨削法，在装夹中加工这些外表面。按照主轴的工艺分析可知，在主轴上最好能找到一个合适的定位基准，保证满足个表面间的位置精度。为了达到这个要求，在主轴加工时经常采用双顶尖定位来体现主轴的轴线，既符合“采用双顶尖定位时，背吃刀量不宜太大，因此在粗加工时因为切削余量大，故一般只能采用外圆表面及主轴在深孔加工时，由于切除量很大，一般也只能采用外院作为定位基准（即一夹一托的定位方式）。主轴的莫氏
8、锥孔需与支承轴颈同轴，故在加工莫氏锥孔时应以支承轴颈为定位基准，以打消基准不重合所引起的定位误差。主轴是带孔的零件，在加工过程锥堵头适用在主轴孔锥度较小时（如莫氏锥孔）使用，当锥孔的锥度较大时（如铣床主轴前端锥孔）或圆柱孔时，可采用锥套心轴，采用锥堵头或锥套心轴定位时，锥堵头及锥套心轴上的定位基准面必须与该轴上的两顶尖同轴，在使用时应尽量减少拆装误差对定位精度的影响。对车床主轴的精确要求有多高，就体和夹紧。在机械加工中，对夹具本体的一般要求，主要有下列几点：1、夹具的构造应与其用途及生产规模相适应：夹具的用的工艺范围，以达到保证产品质量为主要目的。在大批量生产中，夹具的作用，除夹紧装置等高效夹
9、具及自动化夹具。2、保证工件精度：正确设计定位件及夹紧装置，以保证工件在夹具中的定位精度，并应注意夹紧力的方向、大小和作用点的合理选择，防止工件的夹紧变形或损伤。正确设计刀具导引件，以保证在加工过程中正确的导引刀具，或在加工之前校正刀具的位置。正确设计夹具与机床相连接的元件，使夹具在机过程中振动。3、保证使用方便和安全，在设计夹具时，必须为工人着想，主要应注部分，在设计时就应考虑到调整方便，必要时应设置便于调整的辅助基准面或辅助装置。便于测量，设计夹具时应考虑到便。如果留足够的空隙便于量具的进入；在某些情处理作用了的平衡问题：对夹具上各种作用力的平衡问题要处理得当，不能使夹具在加工时发生振动，
10、影响表面加工的光洁度，也不能因此而使夹具或工件发生变形，主要尺寸和技术条件一般应按误差分析来确定，并应该注意便于检验。还要注意结构应便于装配和装配工艺的合理性。6、注意夹具与机床、辅助工具、刀具、量具之间的联系：为了生产出合格的产品，在所有生存工具，如机床设备、夹具、辅助工具、刀具、量具等都是冷却液的流通和切削的带走，为此，对于大型铣床夹具，有时可将本体底板的上表面当作斜面，或者湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 2 -第 2 章 零件的分析2.1 零件图样分析如图 2.1 车床主轴的零件要表面有：支承轴颈、配合轴颈、莫氏锥孔、前端圆锥面及端面和锁紧螺纹、带滑动齿轮的花键等表面。图 2.1
11、某卧式车床主轴零件简图车床主轴部件是机床的驱动力等载荷的作用。各类机床的主轴部件都要保证主轴在一定的载荷和转速下，能带动以对主轴部件有旋转精度、主轴刚度、抗震性、热变形、耐磨性这方面有一定的要求。2.1.1 轴类零件的技术要求1）尺寸精度 方式与滚动轴承颈处的尺轴承的精度等级选取。凡是与齿轮相配的轴颈处的尺寸精度，应按高精度等级查取。这些主要表面 IT5IT8 级2) 形状精度 轴颈处的集合形状与精度主要是柱度，一般应限制在尺寸公差之内。凡与滚动轮查取。一般常取 38m，并用框格标注。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 3 -3）位置精度 轴类零件是旋转零件，轴上装有传动件，希望其转动稳定，
12、无震动和噪声，这就是要求轴上跳动来标注。4）表面粗糙度 支承轴颈处表面粗糙度取 Ra0.160.63m，配合表面的粗糙度取Ra0.632.5m2.1.2 主轴零件的工艺分析支承轴颈与滚动轴承相配，向圆跳动和斜向圆跳动。其圆度误差同样会影响主轴的旋转精度，产生径向圆跳动，因此对其应提出较高的精度与表面粗糙度要求。主轴前端的莫氏锥孔是用来安同轴也是机床出厂的主要检验要求，反映了整台机床的精度。此外要保证锥孔与顶尖间接触良好，其精度要求见下表 2.1.3 表 2.1.3 莫氏锥孔的精度要求（mm）主轴前端的圆锥面和端面是安装夹具的定位基面，该圆锥面轴向必须与支承轴颈的轴线同轴，端面必须与支承轴颈轴线
13、垂直，否则会产生定位误差，影响夹具的定位精度，使工件产生形状主轴上的螺纹表面中心线也必须与支承轴颈的轴线同轴，否则会使装配上的螺母端面产生端面圆跳动，导致与其线缆的滚动轴承内圈中心线倾斜，引起主轴径向圆跳动和端面圆跳动，并使时，会使主轴产生轴向窜动，使工件产生端面的平面度误差，在加工螺纹时又会产生螺距误差。主轴上安装传动件的表面也应与支承轴颈同轴，否则在高速运转时，传动件会产生振动和噪声而影响齿轮的传动精装中加工完成，以满足他们之间的位置精度要求。而加工主轴前端的莫氏锥孔又应采用基准重合的原则，即以支承轴颈为定位基准加工锥孔，以减少定位误差，提高定位2.2 零件的工艺过程分析2.2.1 加工阶
14、段的划分加工过程可划分为以下步骤： 由于主轴是带孔的阶梯轴成个表面的粗加工，再完成各个表面的半精加工，最后完成精加工。对尺寸精度、表面粗糙度要求特别高的轴颈，还应安排光整加工。主要项目 莫氏锥孔对主轴支承轴颈的径向圆跳动 莫氏锥孔接触面积近主轴端 距轴端 300mm 处普通机床 0.0050.01 0.010.03 65%80%精密机床 0.0020.005 0.0050.01 85%湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 4 -表面的精加工应放在最后进行。这样安排的优点是2.2.2 工序顺序安排工序顺序的安排主要根据先粗后精、基面先行、先主后次的原则，在轴类零件的热处理工序一般有三种形工具的前
15、锥面与锥孔，在精加工之前安排表面淬火，以提高耐磨性。1) 如果深孔经过一次钻削而成时，应安排在调质后进行，因为调质处理会引起主轴的弯曲变形，既影响棒料的通过，又会引起主轴高速转动的不平衡，影响旋转精度。如果深孔钻削后加一道镗孔工序，则钻孔可安排在调质处理之前，热处理弯曲变形后可在镗孔工序加以修正。2) 深孔加工应安排在安排在较后的工序，可避免一开始就采用双中心孔作为定位基面，所以深孔加工安排在较后对刚性影响不大时，可采用由小到大的加工顺序。3) 次要表面的加工，如铣键槽或粗磨之后、精加工之前进行。因为如果安排在精车以前铣键槽，则在精车时由于断续切削产生振动，既影响加工质量，又容易损坏刀具；另一
16、方面，键槽的支承轴颈的轴线的同轴度精度，因此螺纹精加工应在表面淬火之后进行。2.2.3 主轴的锥孔磨削半精加工应安排在深孔加工之后进行，以便能采用锥堵头后继续进行外圆加工。锥孔的精加工则安排在主轴的支承轴颈的精加工之后，并以支精加工要采用专用夹具，使主轴的两支承轴颈定位在夹具的定位元件上，并且使工件的中心用浮动连接，只是带动工件的旋转，以保证工件的定位精度不受内圆磨床床头回转主轴的回转运动误差的影响，也可以减少机床本身振动对床的一个重要的精度要求。2.3 本章小结本章主要介绍了主轴的作用,以及它在加工中的工艺分析。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 5 -第三章 工艺规程的设计3.1 主，或
17、直径相差较大的阶梯轴，均应采用锻件，因为锻件可以有较高的抗拉、抗扭和抗弯的性能，对不重要的光轴或直径相差不大的阶梯轴，可采用热轧棒料或者冷拉棒料，并且适合用于小批量生产。自由锻一般用在小批量生产，模锻件一般用在大批量生产，同时在大批量生产时如果使用被贯穿孔的无缝钢管毛坯还会节省材料和减少人力损耗。生产时余量小。它适于在大批量条件下锻造特殊并且对精度要求较高的主轴，所以在选择毛坯时应选择锻件毛坯。3.1.2 主轴的材料和热处理主轴的材料应根据旋转精度、刚度、抗震性、温升和热变形、精度保持性来选择。主轴的刚性可通过弹性模量 E 值反映。钢的 E 值较大，所以，主轴材料首选钢材。值得注意的是，钢的弹
18、性模量 E 的数值和钢的种类及热处理方式无关，即无论选择的是普通钢或者合金钢，其 E 值基本上是一样的。所以在选择材料上应该选择中碳钢（价格实惠较为便宜），只是在载荷特别大和有较大冲击时，或者精密机床主轴，才考虑选用合金钢。热处理对硬，但是为了提高基础刚度，防止装拆轴承时敲碰损伤轴颈的配合表面，多数主轴轴颈仍进行调质或局部淬火处理。单采用滑动轴承时，为了减少磨损，轴颈必须有很高的硬度。一般轴类零件常用 45 钢，采用相应的调质处理后，可获得一定的强度、韧度和耐磨性。对中等精度而有较高应力工序，并且安排在粗磨之后进行，是因为渗氮变形小，且渗氮层较薄之故。1.主轴热处理（1）减少锻造应力、防止变形
19、和开裂 主轴毛坯在锻造过程中，加工温度过高时，则会使金属内部组织的晶粒变得粗大；而锻造温度如果过低时，又会有过大的残余应力和组织不均匀，甚至材料会开裂。这两种情况都会致使主轴强度降低，同时由于表面泠硬而不易切削。所以先进行热处理再粗加工，退火和正火都属于（2）预备热处理常用预备热处理工艺方法有三大类：退火、正火及调质。刚才通过预备热处理可以细化晶粒、均匀成分及组织、消除内应力，为最终热处理做好组织准备。因此，预备热处理是减少应力、防较大及正火后硬度偏高的零件，应采用退火工艺。共析钢及过共析钢多采用球化退化；亚共析钢则应采用完全退火（一般用等温退火代替）；对毛坯中成分偏析严重的零件应采用高温扩散
20、退火均匀其成分及组织；需较彻底消除内应力时应采用去应力退火；对零件综合力学性调质作为预先热处理。（3）最终热处理 最终热处理工艺方法很多，主要包括淬火、回火、表面淬火及化学热处理等。通湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 6 -过最终热处理，工件可获得所需组织及性能，满足使用要求。淬火方法选择：一般根据工件的材料类别、形状尺寸、淬透性大小及硬度要求等选择合适的淬火方法。对于形状简单的淬火；而合金钢件多采用单介质油冷淬火；为了减小淬火内应力淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火等方法；对于某些只需局部硬化的工件可进行局部淬火；对于精密零件和回火方法选择：淬火后的工件必须及时进行回火，而且回火应充分
21、。对于要求高硬度、高耐磨性的工件应采用低温回火；对于要求较高韧性、较高强度的工件应进行中温回火；而对于要求具有良好综合力学性能的工件则要进行高温回火。表面处理及化学热处理方法选择；当应的表面热处理方法。对于表层要求高的硬度、强度、耐磨性及疲劳强度，而心碳工艺；对于承载不大，但精度要求较高的合金钢，多采用渗氮处理。为了提高化学热狐狸中还可以采用低温及中温气体碳氮共渗。另外，还可根据需要对工件进行其他渗金属或非金属处理；为了提高工件的抗高温氧化性可以渗铝；为了提高覆其他超硬、耐蚀材料。当然，在实际生产过程中，由于听见毛坯的类型及加工工艺过程的不同，再具体确定热处理方法及安排工艺则，而应根据实际情况
22、进行灵活调整。3.2 主轴加工工艺过程3.2.1 主轴加工的主要问题和在加工过程中需要采取的一些措施主轴加工中主要需要解决的问题是如何保证主轴支承轴颈四个要点，其要点分别是：形状、尺寸、位置精度和表面粗糙度，其次是主轴前端内、外锥的表面粗糙度、形状、位置精度。零件的精度件超过尺寸公差的 1 主轴支承轴颈的形状、尺寸和表面粗糙度的条件相对较高所以应采用精密磨削的办法来满足，通过精密磨削的零件表面有效接触面积可达 85%90%，另外需要注意的是一定要在磨削前提高精基准的精度。同时精密磨削的办法也同样可以满足主轴表面粗度也可以达到要求。组合磨削法可和支承轴颈之间的位置精度，而且采用组合磨削法可以在同
23、一次装夹过程中加工这些表面。如图 3.1 所磨削在两个工位上同时进行，另外机床上带有两个独立的砂轮架，两个工位分别精磨前、后轴颈锥面，后者用角度成形砂轮，从而精密磨削前端支承面和主轴短锥面。图 3.1 磨削组合湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 7 -主轴锥孔的定位基准通常采用支承轴颈 A、B 作为定位基准来得出相对于支承轴颈的位置精度，而让被加工主轴以防精度上的影响；因为被加工主轴零件和磨床头架主轴只是柔性连接带动工件 A、B 的精度。轴颈 A 和 B 应该要达到一定的精度在精磨前端锥孔之前，主轴锥孔的磨削采用锥堵和锥套心轴，如图 3.2 所示。图 3.2 锥堵与锥套心轴在主轴外圆磨削时，
24、工件的中心孔是磨削加工的定位基准，它比车削工件中心孔有更为严格的要求。60中心孔内锥面圆动要控制在 1m 之内。60 內锥表面粗糙度值一，应有保护锥。对于特殊要求淬火前要修研中心孔。在主轴通孔上加工完毕时，一定要用带顶尖孔的工件锥度在不断的提高，作为可以起到附加定位的工艺锥堵也应该得到相应的提高。虽然主轴上的通孔的加工忽视的问题，所以排屑方式也需要解决。另外加工主轴深孔的时候应该考虑把这一过程安排在工艺过程的开始，因为它属于粗加工。外圆磨削中常见的缺陷的产生原因和消除方法是：1、工件表面出现直波形振纹，螺过大等。需要保持砂轮平衡，修正好砂轮；保持磨床精度，选用合适的磨削用量等。2、工件表面产生
25、烧伤。产生运用主要是砂轮磨料粒度，砂轮硬度选择不当，磨削用量选择不当，砂轮太钝。磨削液供给不不合要求；工件刚度差，中心孔形状不正确，砂轮过钝，调整好机床，减少机床、工件的弹性变形，选择合理磨削用量，修正好砂轮。在加工完内孔时最好进行内孔的精度检测，内孔的精度检测有三大类：尺寸精度的检测：1、用塞规检验 2、 用内径百分表检验。孔的形状精度检测：1、圆度误差检验 2、圆柱度误差检验。孔的同轴度误差检验：孔的同轴度是指被测圆柱面轴线，对基准轴线不共轴的程度。3.2.2 主轴加工定位基准的选择主轴加工中，在选择定位基准时应遵循两个主要准则，一个是“互为基准准则”一个则是“基准重合”这样才能够保证各个主要表面间的相互位置精度，所以只要有可能，就在同一次装夹中尽量加工合的原出来，有利于保证加工面之间的位置精度。所以有必要在实心轴在粗加工之前先打顶尖孔。对于空心轴便是以外圆定位，加工通孔，同时在两端孔口加工出内 60 度的锥堵或带有锥堵的心轴装夹工件。
