西 北 工 業 大 學

继续教育学院

本 科 毕 业 设 计

题 目 阶台轴的加工与工艺设计

院 （系） 机电工程系

专 业 机械设计制造及其自动化

年 级 08级本科数控班

学生姓名 杨光明

学 号 61209401054

指导教师 赵春明

2011 年12 月

摘 要

在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批生产的零件约占机械加工总量的80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防工业更是如此。

在诸多的加工零件中，轴类工件无疑成为机械行业中最重要、最常用的机械元件之一。小到手表的零部件，大到航空母舰的动力部件，都与机械的轴类有着密不可分的联系。

本文就从阶台轴类工件的概要、加工方法、加工工艺对其进行分析，问题解决方案等一系列问题做简单的探讨和研究。

目 录

目录

西 北 工 業 大 學 1

题 目 阶台轴的加工与工艺设计 1

摘 要 2

目 录 3

一 设计内容 3

二 阶台轴的工艺分析 4

1 图纸的分析 4

2 机床的选用 5

2 工件的装夹 6

4 加工工艺路线 10

5 数控加工中程序的调整 12

精加工时，加工余量为0.02mm，精加工是也可用G71切削循环指令，精加工完成后根据实际公差要求对其余量进行调整。 三加工 路 线 1 加工工序的安排原则 13

2 加工步骤 14

3 加工程序 15

四 加工过程中问题的总结 18

1 影响加工精度的因素及提高精度的主要措施 18

2 影响表面粗糙度的工艺因素及改善措施 20

参考文献 21

致 谢 23

一 设计内容

在很多的加工零件中，轴类工件无疑成为机械行业中最重要、最常用的机械元件之一。阶台轴是光轴经过加工，同一个轴上车出有台阶分次的轴。阶台轴应用较为广泛，几乎应用到机械类，电子类，航空航天类等生活中的各个角落，它是现实生活中应用最广泛且最实用的轴类形式，阶台轴的加工精度决定了它用途的范围和方向，所以在工厂加工出来的不同种类的阶台轴应用到不同的方向，这对我国基础制造业提供了较为广阔的发展空间，那么阶台轴的设计及加工工艺则成为阶台轴加工的重点，所以下个章节就着重讲解阶台轴的设计，加工工艺和加工。

二 阶台轴的工艺分析

1 图纸的分析

如图所示：此工件为典型的阶台轴，左端小圆直径有公差要求，且最左端要求C2倒角，阶台轴大端直径为76，上公差为0.03，下差为-0.02，且要求保证总长为120的总长公差带，对于此类零件的加工，则首先要求保证有正确的加工基准，其次保证加工的尺寸误差及其加工的粗糙度等，所以在粗、精加工时注意选用合适的切削用量和切削进给速率。

如图工件的设计尺寸一般要经过几道机械加工工序的加工才能得到，每到工序应保证其设计的工艺尺寸，这些尺寸的确定不仅取决于设计尺寸，加工余量及各工序所能达到的经济精度，而且还与定位基准、工序基准、测量基准、编程坐标的确定及基准的转换有关。

2 机床的选用

从此工件的加工来看，即可选用普通机床又可用数控机床进行加工，以下为数控机床加工的特点和工件的装夹。

1 数控机床的特点

（1）对加工对象改型的适应性强

由于在数控机床上改变加工零件时，只需要重新编制程序，更换新的控制介质或者手动输入程序就能实现对零件的加工，它不同于传统的机床，不需要制造，更换更多的工具，夹具和模具，更不需要重新调整机床，一次，数控机床可以快速地从加工一种零件转变成加工另一种零件，这就为单件，小批以及试制新产品提供了极大的便利。

（2）加工精度高

数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的，一次，数控机床能达到比较高的加工精度。

（3）加工生产效率高

在数控加工中，缩短了换刀时间，研制了新的刀库和换刀机械手，使选刀动作与机动时间重合，或者使用全机械式换刀机械手，保证快速可靠。

数控机床采用脱机编程，图形模拟等技术，实现后台输入，修改编辑程序，前台加工，缩短新的加工程序在机调试时间，并且才用快换夹具，刀具装置及实现对工件原点快速确定等措施，缩短机床调整时间。

（4）操作者的劳动强度减轻，加工具有良好的经济效益

数控机床简称为数字化控制机床，所以中间省去了很多复杂的人为操作，如编程，刀具修改等，所以在时间上，在效率上都比普通机床要有很大提高，而且大大降低了工人的劳动强度，提高了工厂的经济效益等。

（5）价格昂贵，调试和维修较为父爱，需要有专门的技术人员

数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业渗透形式的机电一体化产品，它涉及了机械、信息处理、自动控制、伺服驱动、自动检测、软件技术等许多领域，尤其是采用了许多高、新、尖的先进技术，使得数控机床的整体价格较高。

由于数控机床结构复杂，所以要求调试与维修人员应经过专门的技术培训，才能胜任与此项工作。

2 工件的装夹

数控机床上工件的装夹一般分为普通装夹和复杂、异形、精密工件装夹。

（1）普通装夹

三爪定心卡盘

三爪自定心卡盘是车床上最常用的自定心夹具。它夹持工件是一般不需要找正，装夹速度较快。把它略加改进，还可以方便地装夹方料、其它形状的材料，同时还可以装夹

四爪单动卡盘

四爪卡盘是车床上常用的夹具，它适用于装夹形状不规则或大型的工件，夹紧力较大，装夹精度较高，不受卡盘磨损的影响，但装夹不如三爪自定心卡盘方便。装夹圆棒料时，如果在四爪单动卡盘内放一块V形架装夹就会比较快捷。

其它常用的装夹方法

在装夹工件的时候，有些工件是不适合用三爪、四爪卡盘装夹的，所以还会用到一些其它的装夹方案，如外梅花顶尖装夹、内梅花顶尖装夹、摩擦力装夹、中心架装夹、锥形心轴装夹、夹顶式整体心轴装夹、外螺纹心轴装夹、内螺纹心轴装夹等，上述装夹方法适用于不同精度要求和不同形式的工件。

（2）复杂、异形、精密工件装夹

车削过程中，也经常会遇到一些外形复杂、不规则的异形工件，如对开轴承座、十字口工件、双孔连杆、环首螺钉、齿轮液压泵体及偏心工件、曲轴等，这些工件不易用三、四爪卡盘装夹。

对于这些工件，则通常采用花盘、角铁和常用附件进行装夹和定位，这是通常对于不规则和发杂、异形、精密工件的装夹方法。

本次轴类工件则采用三爪卡盘进行装夹，其装夹快，且比较容易找正。

3 刀具的选择

粗车及平端面选用90°硬质合金右偏刀，为防止副后刀面与工件工件轮廓干涉，副偏角不宜太小，选kr'=35°较为合适。

此工件的加工为基本的阶台轴加工，从图纸分析上来看，则选用90°外圆车刀比较合适。如下图为90°外圆车刀的截图，在粗车的过在粗车的过程中，尽量选用较大的前角，较小的后角，以提高刀具的强度，另外在粗车的过程中尽量选择较大的吃刀量，较快的进给速度，这样可以减少积削瘤的形成和较小积削瘤对刀具的冲击，以此较小刀具的磨损。

在精加工的时候，通常采用较大的前角，较高的转速，和较低的进给速率，这样可以采用外圆左偏精车刀进行加工，如下图右上角刀具所示。

4 加工工艺路线

对于此工件的加工，则可采用直接装夹的方法，如图所示：毛坯为124mm，可需要对其进行平断面，保留总长，然后进行粗车外圆。

（1）用三爪卡盘加持左端长54mm处进行夹紧，然后用上述90°外圆刀对毛坯进行粗加工外圆。根据切削用量的选择原则，对于切削深度，在刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除加工余量，以便提高生产效率。在允许的情况下转速一般根据公式n=1000v/πD公式，则计算出主轴转速为600r/min。进给量是数控加工切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和便面粗糙度要求以及刀具、弓箭的材料性质选取，此设定进给量为0.4mm/r。此次加工车至φ80，长60mm,以便于装夹，90°外圆车刀进行平断面。

（2）掉头，加持右端粗加工的外圆，找正，夹紧，然后进行加工，先平端面，倒角，阶台，再进行外圆粗车，在粗加工中，留0.2mm的余量，然后用外圆左偏精车刀对外圆面进行精车。

（3）掉头，测量总长，装夹左端φ36部分至30mm，然后进行对右端面进行粗加工，半精加工，精加工，保证工件同轴度，根据测量的值进行端面平削，保证总长。

需要注意的是，在粗加工中，尽量选择较大的吃刀量，精加工中，提高主轴转速，以此提高工件的表面加工质量，加工的同时注意保证加工面的同轴度。

5 数控加工中程序的调整

（1）对刀点和换刀点的调整

粗加工选取装夹面时，当毛坯件装夹完整，对其进行粗车，选取较大的切削量，当粗加工完成，进行精加工时，则需要调整对刀点，精加工时切削量较小，转速快，所以将刀尖调整到较小的切削量。

当加工完一个工件的流程，需要对其换刀加工时，则要根据实际情况对换刀点进行定位，一般为X100 Z100 .

（2）刀具补偿的调整

加工工件时，未免会产生加工误差，这就需要对刀具补偿进行调整，刀具补偿根据可根据实际需要的尺寸进行调整，一般数控车床的刀具补偿为OFFSET STTING <以下为数控车床对工件的加工>。

(3) 加工余量的调整

粗加工时选择较大的余量，一般为0.2mm的余量，然后根据精加工的需求对其进行调整，粗加工一般用指令G92对工件进行切削，保留一定的切削余量，选择较低的切削转速。

精加工时，加工余量为0.02mm，精加工是也可用G71切削循环指令，精加工完成后根据实际公差要求对其余量进行调整。 三加工 路 线 1 加工工序的安排原则

（1）先粗后精 粗车是将在较短的时间内将工件表面上的大部分加工余量切掉，一方面提高金属切削率，另一方面满足精车的余量均匀性要求，若粗车后所留余量的均匀性满足不了精加工的要求是，则要安排半精车，以此为精车做准备。精车要保证加工精度，按图样尺寸一刀切出零件轮廓。

（2）先近后远 在一般情况下，离对刀点近的部位先加工，离对刀点远的部分后加工，以便缩短刀具移动距离，较少空运行程时间。对于车削而言，先近后远还有利于保持坯件或半成品的刚性，改善其切削条件。如下图所示：

（3）内外交叉原则 对既有内表面（内型腔），又有外表面需要加工的零件，安排加工顺序时，应先进行内外表面粗加工，后进行外表面精加工。

（4）基面先行原则 用作精基准的表面应优先加工出来，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小。例如，轴类零件加工时，总是先加工中心孔，再以中心孔为基准加工外圆表面和端面。

2 加工步骤

（1）加持工件右端50mm，粗车右端外圆表面至50mm，平端面

（2）用卡尺量工件总长，量120mm，并作出标记

（3）掉头装夹刚车出得外圆表面50mm处，车左端

（4）粗车左端外圆，平端面，保留工件总长，用指令G92，然后进行精车，车至图纸尺寸，保留尺寸公差，保证工件在加工过程中的同轴度。

（5）掉头，加持左端对右端进行粗、精加工，保证工件表面粗糙度，保证工件加工公差尺寸。

（6）卸下工件，测量，并进行修正。

3 加工程序

注：毛坯 φ80 X 120.8mm

（1）刀具列表

（2）O0001

掉头加工

O0002

掉头装夹

O0003

卸下工件，测量，然后根据测量结果进行实际尺寸修正。

四 加工过程中问题的总结

1 影响加工精度的因素及提高精度的主要措施

（1）工艺系统的几何误差及改善措施

工艺系统的几何误差包括加工方法的原理误差，机床的几何误差，调整误差，刀具和夹具的制造误差，工件的装夹误差以及工艺系统磨损所引起的误差等。

① 主轴误差 机床主轴是装夹刀具或工件的位置基准，它的误差也将直接影响工件的的加工质量。

机床主轴的回转精度是机床主要精度指标之一。其中很大程度上决定着工件加工表面的形状精度。主轴的回转误差包括主轴的径向圆跳动，窜动，和摆动。

提高主轴旋转精度的方法主要有通过主轴组件的设计和安装精度，采用高精度的轴承等方法。再有就是通过弓箭的定位基准或被加工面本身与夹具定位元件之间组成的回转副来实现工件相对于刀具的转动，如外圆磨床头架上的死顶尖。这样机床主轴组件的误差就不会对加工质量构成影响。

② 导轨误差 导轨是机床的重要基准，它的各项误差将直接影响被加工零件的精度。如数控机床，当床身导轨在水平面内出现弯曲时，工件上将产生腰鼓形，当床身导轨与主轴轴心在水平面内不平行时，工件上会产生锥形；而当床身导轨与主轴轴心在垂直面内不平行时，工件上会产生鞍形。

因此，减小导轨误差对加工精度的影响，一方面可以通过提高导轨的制造、安装和调整精度来实现，另一方面也可以利用误差非敏感方向来设计安排定位加工。如砖塔车床的砖塔刀架设计就充分注意到了这一点，其砖塔定位选在了误差非敏感方向上，既没有把制造精度定的很高，有保证了实际加工的精度。

（2） 工艺系统受力变形引起的误差及改善措施

工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力等得作用下，会产生相应的变形，从而破坏已调节好的刀具与工件之间的正确位置，使工件产生几何形状误差和尺寸误差。

工艺系统受力一般是弹性变形，一般来说，工艺系统抵抗变形的能力越大，加工误差就越小。生产实际中，采取的有效措施有：减小接触面间的粗糙度，增大接触面积，适当预紧，减小接触变形，提高接触刚度；合理地布置肋板，提高局部刚度；减少受力变形，提高工件刚度；合理装夹工件，减少夹紧变形（如加工薄壁套时，采用开口过度环或专用卡爪夹紧。）

（3）工件内应力引起的误差及改善措施

内应力是工件在加工过程中其内部宏观或微观组织因发生了不均匀的体积变化而产生的。

具有内应力的零件处于一种不稳定的相对平衡状态，可以保持形状精度的暂时稳定。但它的内部组织有强烈的倾向要恢复到相对平衡的状态，一旦外界条件产生变化，如环境温度的改变、继续进行切削加工、受到撞击等，内应力的暂时平衡就会被打破而进行重新分布，零件将产生相应的变形，从而破坏原有的精度。

为了减小或消除内应力对零件加工精度的影响，在零件的结构上设计中，应尽量简化结构，考虑壁厚均匀，以减少在铸、锻毛坯制造中产生的内应力；在毛坯制造之后，或粗加工后，精加工前，安排时效处理一消除内应力，切削加工时，应将粗、精加工分开在不同的工序进行，使粗加工后有一定的间隔时间让内应力重新分布，以减少对精加工的影响。

2 影响表面粗糙度的工艺因素及改善措施

零件在切削加工过程中，由于刀具几何形状和切削运动引起的残留面积、粘接在刀具刃口上的积削瘤划出的沟纹、工件与刀具之间的震动引起的振动波纹以及刀具后刀面磨损造成的挤压与摩擦痕迹等原因，使零件表面形成了粗糙度。影响表面粗糙度的工艺因素主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数及切削液等。

（1）工件材料 一般韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度较大，而韧性较小的塑性材料加工后易得到较小的表面粗糙度。对于同种材料，其晶粒组织越大，加工表面粗糙度越大。因此，为了较小加工表面的粗糙度，常在切削加工前对材料进行调制或正火处理，已获得均匀细密的晶粒组织和较大的硬度。

（2）切削用量 进给量越大，残留面积高度越高，零件表面越粗糙。因此，减小进给量可有效地减小表面粗糙度。

（3）刀具几何参数 主偏角、副偏角及刀尖圆弧半径对零件表面粗糙度有直接影响。在进给量一定的情况下，较小主偏角和副偏角或增大刀尖圆弧半径可减小表面粗糙度。另外，适当增大前角和后角，减小切削变形和前后刀面之间的摩擦，可减小积削瘤的产生，也可减小表面粗糙度。

（4）切削液 切削液的冷却和润滑作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削层金属表面的塑性变形程度下降，抑制积削瘤的产生，因此可以大大减小表面粗糙度。

参考文献

[1] 数控机床加工工艺学 （第二版）中国劳动社会保障出版社

[2] 车工工艺与技能训练 中国劳动社会保障出版社

[3] AutoCAD 2008 基础教程 清华大学出版社

[4] 现代机械设计 北京大学出版社

[5] 数控编程基础 北京理工大学出版社

[6] 机械设计基础 课程设计 北京理工大学出版社

目录

西 北 工 業 大 學 1

题 目 阶台轴的加工与工艺设计 1

摘 要 2

目 录 3

一 设计内容 3

二 阶台轴的工艺分析 4

1 图纸的分析 4

2 机床的选用 5

2 工件的装夹 6

4 加工工艺路线 10

5 数控加工中程序的调整 12

精加工时，加工余量为0.02mm，精加工是也可用G71切削循环指令，精加工完成后根据实际公差要求对其余量进行调整。 三加工 路 线 1 加工工序的安排原则 13

2 加工步骤 14

3 加工程序 15

四 加工过程中问题的总结 18

1 影响加工精度的因素及提高精度的主要措施 18

2 影响表面粗糙度的工艺因素及改善措施 20

参考文献 21

致 谢 22

致 谢

阶台轴的加工与工艺分析