十字轴加工工艺及其夹具设计

十字轴加工工艺及其夹具设计内容摘要：

平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。 如果后轮轴做成一个整体，就无法做到两侧轮子的转速差异，也就是做不到自动调整。 为了解决这个问题，早在一百年前，法国雷诺汽车公司的创始人路易斯 .雷诺就设计出了差速器这个东西。 当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加。 差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”， 也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。 例如把一粒豆子放进一个碗内，豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁，因为碗底是能量最低的位置（位能），它自动选择静止（动能最小）而不会不断运动。 同样的道理，车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。 当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧 半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。 驱动桥两侧的驱动轮若用一根整轴刚性连接，则两轮只能以相同的角度旋转。 这样，当汽车转向行驶时，由于外侧车轮要比内侧车轮移过的距离大，将使外侧车轮在滚动的同时产生滑拖，而内侧车轮在滚动的同时产生滑转。 即使是汽车直线行驶，也会因路面不平或虽然路面平直但轮胎滚动半径不等（轮胎制造误差、磨损不同、受载不均或气压不等）而引起车轮的滑动。 [] 课题研究的目的和意义 在汽车零部件的生产过程中，要分析并优化零件的生产工艺及其夹具方案，以达到提高汽车零件生产 质量和生产效率，以降低生产成本，从而增强自己的竞争力，扩大市场占有率。 通过对课题的分析与设计能够减少原材料的消耗，降低工人的生产成本。 另外对增强企业的竞争力业有重大的意义。 研究内容和研究方法 通过查找资料，研究差速器十字轴的加工工艺，绘制工艺流程图和工序图，同时设计其中一道工序的夹方案，详细内容如下： 1. 首先仔析要加工的零件图，分析零件的形状特点、尺寸大小、精度要求、原材料尺寸规格和力学性能，并结合供选用的加工设备规格及制造条件、生产批量等因素，分析零件的加工工艺性。 良好的加工工艺性应保证材料 消耗少、工序数目少、占用设备数量少、产品质量稳定、操作简单。 2. 确定工艺方案和主要工艺参数的计算。 在分析了零件的工艺性后，找出零件的加工难点，根据实际情况提出各种可能的加工方案，内容包括工序性质、工序数目、工序顺序及组合方式等。 有时同一工序也存在多个可行的工艺方案，通常每种方案各有优缺点，应从产品质量、生产效率、设备占用情况、零件制造的难易程度和寿命高低、生产成本、操作方便与安全程度等方面进行综合分析、比较，确定出适合于现有生产条件的最佳方案。 方案确定好后，应确定各工序的切削用量，如背吃刀量、主轴转速、 加工余量等参数。 3. 选择加工设备。 根据要完成的工序性质和各种机床设备的特点，在保证零件的加工质量的同时，提高生产效率。 在加工零件时，主要用到铣床、车床、钻床、磨床。 如在铣端面时，可以选择在普通铣床上加工，也可以在双端面铣床上加工，在双端面铣床上加工零件的效率更高，因此可以选择双端面铣床来铣端面。 4. 夹具设计。 在加工零件时，都会用到夹具，机床一般都一套通用夹具，适合加工形状不是很复杂的零件。 但当零件的形状较复杂，加工精度要求较高时，如果只用机床配套的夹具时，有可能影响零件的加工精度，也不便于提高生产效率。 十字轴是大批量生产，零件形状虽不复杂，但加工精度要求较高。 在保证零件加工精度的同时提高生产效率，结合机床特点，设计一套适合十字轴加工的专用夹具，那么生产效率将会得到很大提高。 论文正文的结构 本文共分 4 章，内容包括：绪论（简述了该课题的背景及国内外研究现状和研究方法以及意义和目的）；零件工艺总体设计（包括零件材料的分析和工艺方案的设计等）；各工序参数的计算（包括背吃刀量、进给速度等参数的确定）；夹具设计（包括定位误差和夹紧力的计算及液压系统夹紧的设计）。 第 2 章 零件的工艺总体设计 差速器十字轴零件介绍 该零件形状相对比较简单，从图中可以看到零件有四个轴颈及轴颈上的几个平面，主要通过铣、车、磨、钻等加工方法来完成零件的加工 批量：年产 30000 件产品，单班生产；该零件的尺寸精度要求较高，因此，在设计工艺时要考虑其加工质量和生产效率。 图 21 差速器十字轴实物图 零件材料分析 十字轴的毛坯材料一般选用 20CrMnTi,毛坯采用模锻方法制造。 20CrMnTi 材料介绍： 20CrMnTi 是渗碳钢 ,渗碳钢通常为含碳量为 %%的低碳钢 .汽车上多用其制造传动齿轮 .是中淬 透性渗碳钢中 CrMnTi 钢 ,其淬透性较高 ,在保证淬透情况下 ,具有较高的强度和韧性 ,特别是具有较高的低温冲击韧性 .20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢 .良好的加工性 ,特加工变形微小 ,抗疲劳性能相当好 .用途 :用于齿轮 ,轴类 ,活塞类零配件等 .用于汽车 ,飞机各种特殊零件部位 . 特性及适用范围： 20CrMnTi 是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。 用于制造截面＜ 30mm 的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮 、齿圈、齿轮轴十字头等。 化学成份 分 ： 碳 C： ～ 硅 Si： ～ 锰 Mn： ～ 硫 S：允许残余含量≤ 磷 P：允许残余含量≤ 铬 Cr： ～ 镍 Ni：允许残余含量≤ 铜 Cu：允许残余含量≤ 钛 Ti： ～ 力学性能： 抗拉强度σ b MPa ：≥ 1080 110 屈服强度σ s MPa ：≥ 835 85 伸长率δ 5 ％ ：≥ 10 断面收缩率 ψ ％ ：≥ 45 冲击功 Akv J ：≥ 55 冲击韧性值α kv J/cm2 ：≥ 69 7 硬度：≤ 217HB 试样尺寸：试样毛坯尺寸为 15mm[4] 工艺难点和特征 以下是十字轴零件图 图 22 差速器十字轴零件图 十字轴的主要加工表面及技术要求： 四个轴颈尺寸为 mm，长度为（ 177。 ） mm 各轴颈中心线的不相交度公差为 ,轴颈中心线的垂直度公差为。 表面渗碳层的深度为 ～～～ [5] 通过分析零件图可以看出，各轴颈的表面精度要求比较高， 在加工时要考虑各轴颈中心线的不相交度公差和垂直度公差。 因此，加工轴的中心孔是非常重要的一步，直接影响零件的精度。 在设计工艺时，即要保证零件的加工质量，又要考虑提高零件的生产效率，二者兼顾。 通过分析，在工艺的设计中需要着重解决好以下问题 : （ 1）轴颈表面所要求的精度。 （ 2）各轴颈中心线的不相交度和垂直度公差所要求的精度。 （ 3）尽量减少工件的装夹时间，以提高生产效率。 设计依据 生产纲领：年产 30000 件产品，单班生产； 产品图纸：零件图如图 22 所示。 工艺方案的设计 通过查找资 料，最终拟定两套方案： 方案一：铣四轴颈端面→钻四轴颈端面中心孔→顶中心孔车四轴径外圆、倒角、车槽→铣平面→顶磨四轴颈→端面靠平→渗碳淬火处理→检测形位公差和校正→钻四轴颈中心孔→顶磨四轴径→磷化处理。 [6] 方案二：铣端面→钻中心孔→中间检查→车外圆、倒角、车槽→铣平面→中间检查→热处理→粗磨轴颈→精磨轴颈→最终检查→磷化处理； [5] 方案比较：方案一的工序较多，需钻两次中心孔，铣两次端面，工件经过磨削后再进行热处理，在热处理过程中，工件会变形，影响零件的精度，方案二工序较少，工件经过热处理后再进行磨削，零件的精度可以得到保证。 方案一有部分工序需重复，生产效率较低，对批量生产不利。 方案二工序虽较少，但生产效率较高。 从总体看，结合零件的生产要求，方案二更合理。 毛坯尺寸的确定 零件图给出了零件的最终尺寸，是经过各种工序加工后得到的产品，因此要查出各工序的加工余量，倒推零件的毛坯尺寸。 根据工艺方案，可以发现： 在加工过程中“铣端面” 这一道工序使毛坯的总长度变短，车外圆粗磨及精磨使各轴颈的尺寸变小。 因此只要查出这三道工序的加工余量就可以知道毛坯的尺寸。 通过查询机械加工工艺手册 [7]可知： 精磨加工余量： 粗磨加工余量： 半精车加工余量： 粗车加工余量： 精铣加工余量： 由此可以得到轴颈的尺寸为： 28++++ 十字轴毛坯的长度为：（ +） *2 200mm 查手册可知，模锻件中心尺寸距尺寸偏差在 0～～ 因此，零件的毛坯尺寸便可以确定下 来 轴颈尺寸为： mm 十字轴中心线到轴端面的毛坯尺寸为： mm 根据各工序的加工方法及加工所能达到的经济精度 [8]，可以定出各工序的加工作量： →→→→ 第 3 章 工艺设计计算 铣端面的工艺设计计算 由文献 [9,669]表 894 选择铣刀直径，可得如下表格： 表 31 铣刀直径的选择 刀具名称 硬质合金端铣刀 背吃刀 /mm ≤ 4 ~5 ~6 ~7 ~8 ~10 侧吃刀 /mm ≤ 60 ~90 ~120 ~180 ~260 ~350 铣 刀 直 径 /mm ~80 100~125 160~200 200~250 320~400 400~500 铣十字轴端面采用端铣刀，根据十字轴的加工余量可知： 背吃刀量 ≤≤ 3mm 侧吃刀量 32mm 根据背吃刀量和侧吃刀量，可知： 铣刀直径 80mm 由于背吃刀量 ≤≤ 3mm，所以铣削时可一次加工完成，根据端面的表面粗糙度 ，由文献 [9， 670]表 896 可知：铣刀每转进给量为 : f ~由于工件材料为 20CrMnTi，为低碳钢，毛坯的硬度为 200∽ 230HB, 由文献[9， 673]表 899，可查得硬质合金刀具铣削速度范围，如下 表所示： 表 32 硬质合金刀具铣削速度推荐范围 加工材料 硬度 HB 铣削速度 / 低、中碳钢 220 225~290 300~425 ~ ~ ~ 这里选择铣削速度范围为 ~ 考虑到背吃刀量和每转进给量，取 根据公式 ， 式中，――铣削速度 ――铣刀直径 n――铣刀转速 可得铣刀转速： 根据机床的转速，取 n 340r/min。 所以实际切削速度为 所以确定切削用量为： 3mm， f ； ； n。 采用的铣刀为：硬质合金可转位锥柄面铣刀 直径 80mm，铣刀总长度为 157mm，铣刀的国标为 GB/T。 铣端面这一工序采用双端面铣削机床，工件只需装夹两次便可以完成四个端面的铣削。 工件通过三个 V 形块以十字轴的外圆来定位。 下图为这一工序的定位原理： 图 31 工件的定位原理 V V V3 分别表示 3 个 V 形块， V V3 限制了十字轴沿 Z 轴和 Y 轴的转动和移动， V1 限制了十字轴沿 X 轴的转动， V1 同时还起到了一个定位的作用，即只要确定 V1 的中心 线到端铣刀的距离，同时确定两端铣刀之间的距离便可保证十字轴两端面之间的对称度要求。 这样只要把工件安装好之后，再把工作台沿Y 轴移动，便可同时加工零件的两个端面。 加工好后，再把工件取下来旋转 90度，便可加工另个两个端面。 钻中心孔的工艺设计计算 钻中心这一工序的要求相对较高，这一工序直接影响到零件精度，即各轴线之间的不相交度公差和垂直度公差，考虑到在普通机床上加工中心孔难以保证零件轴线之间的垂直度误差，同时在普通机床上装夹工件较费时，这一工序在四轴组合钻床上完成，由机床四个主轴的位置精度来保证其中心孔的 位置精度。 因此，零件各轴线之间的不相交度公差和垂直度公差都可以得到保证。 在钻中心孔时，先调整好钻头的位置，零件装夹好之后，钻头只需向前移动，当达到规定的深度后再退刀。 这里选用不带护锥的 A 型中心钻来加工中心孔，得到如下图所示的中心孔： 图 32 中心孔的尺寸数 由于轴颈的尺寸不是很大，取 d ，由文献 [9， 133]表 31，可查得如下表的尺寸： 表 33 中心孔的尺寸参数 d mm D mm mm T mm 参考尺寸 mm 钻削用量计算 （ 1）选择钻头 选用不带护锥的 A 型中心钻， d ， D。 （ 2）选择切削用量 背吃刀量 mm 确定进给量，由文献 [9， 647]表 869，可查得高速钢钻头钻孔时的进给量： f ~按机床说明书，取 f。 （ 3）切削速度 由文献 [9， 64。