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第一章 概 述
1.1 SPT120-12A·5·1 送料裝置
SPT120-12A·5·1 推料裝置推料裝置主要應用大型板材加工設備中，通過自動快速的運送板材提高了板材加工設備的工作效率。
SPT120-12A·5·1 推料裝置主要由傳動軸和板料推塊組成，主要擔任板材的加工成型之后的獲取和收集，是板材加工原材料的重要加工階段。板材加工過程對板材的需求量很大，因此送料設備的工作效率至關重要。通過自動化推料裝置的采用，提高了成型板材的收集為更大限度的提高整個板材加工的工作效率提供了上升空間。
1.2 送料裝置的作用和要求
送料裝置是板材加工工作中的一個重要部分，它通過快速對成型板材的快速收集來保證整個設備的正常運轉，自動化程度高的送料裝置可以使整個設備處于告訴運行中，而不出現(xiàn)成型板材的過度累計影響生產(chǎn)。
在板材的加工生產(chǎn)中，板材的剪切是通過專用機械快速進行的，因此板材的送進對板材的送進和運輸要求很高。如果加工過程中，送料裝置的收集能力無法符合加工設備時就會出現(xiàn)板材的過度積累，影響加工效率和生產(chǎn)安全。
送料裝置的主要功能是收集板材，但裝設在不同的機械設備中，其作用亦有所不同，但基本要求是一致的，即：
（1） 能快速收集板材，保證加工設備的正常工作。
（2） 傳動部件對板材的磨損要小，避免在運送過程中對板材的表面產(chǎn)生損害，降低成品的價值。
（3） 結構簡單，送料裝置在板材加工設備中不是主要部件，太過復雜會影響整個設備的制造成本，而且會造成不必要的浪費。
（4） 噪音低，避免增加本就高噪音的設備對環(huán)境造成的污染。
1.3 送料裝置的分類和特點
送料裝置根據(jù)應用的設備不同，按其傳動方式分為不同的幾個類型。具體為：
空氣送料裝置：利用氣動裝置進行送料；
自動送料裝置：通過機械手臂進行送料；
滾輪送料裝置：通過滾輪進行送料；
電磁送料裝置：通過電磁原理進行送料；
本送料裝置的主要特點為板材的的傳動方式為軸傳動，軸與板材的接觸為點接觸，因此對板材的摩擦很小，不會對板材有很大的損傷，最大程度的保持了板材的價值。在板材收集的方面采用的若干個推塊將板材統(tǒng)一收集，不進提高了收集速度，而且還可以使板材統(tǒng)一堆放。電動機與推塊之間的傳動通過皮帶傳動，這種傳動方式為柔性傳動，不會對板材和電動機產(chǎn)生損害。此裝置的結構簡單，造價低廉，便于普及。
1．4國內外研究狀況
隨著技術更新的日益加快，在送料裝置的結構上都在不斷創(chuàng)新。我國在板材推料的研究方面也有一定的成果。中南科學院廖衛(wèi)獻所設計的電磁式自動下料裝置，沖壓的硅塊由84增長到96塊，材料利用率增長了14.28%，通過此種方法，可以實現(xiàn)沖床每年提高加工能力160~300t 。在眾多推料裝置中，其結構形式有許多種。比如機械手式，當板料加工完成后經(jīng)皮帶傳送到機械手部，有機械手將板料放到落料架內，整個過程完成迅速，還可以將不同尺寸的板料分開，大大提高了工作效率。
國外的送料裝置發(fā)展多向自動化的方向發(fā)展，氣動和電磁式的送料裝置被大量使用，因此生產(chǎn)效率提高幅度比較大，然而這些裝置的造價比較昂貴在國內的使用普及率比較低。
1.5 送料裝置課題研究意義
通過對此種設備的研究可以大副提高板材加工的效率。板材在當前工業(yè)生產(chǎn)加工中的需求日益加大，以前的加工設備已經(jīng)漸漸難以提供足夠量生產(chǎn)原材料。在板材的批量加工日漸被企業(yè)所采用，其送料裝置的發(fā)展也應跟上發(fā)展趨勢。所以對送料裝置的研究與開發(fā)有著十分重要的意義。
1.6課題來源
本課題是根據(jù)學校安排，由老師安排擬訂的題目。
1.7課題目的
一方面，本著要自己動手，并在實踐中創(chuàng)新求學的認真態(tài)度，讓理論知識與社會實踐能很好的結合，讓我們對大學四年有一個總結性認識。另一方面，畢業(yè)設計是另一種科學技術創(chuàng)新的來源所在，社會的進步、人類的發(fā)展要我們從自己開始做事開始進步，開始走向更廣闊的舞臺。
第二章 送料裝置各部零件的設計
2.1 SPT120-12A·5·1 推料裝置簡介
SPT120-12A·5·1 推料裝置廣泛吸收國內外現(xiàn)有的軸工藝，鏈傳動的基礎上，針對板材的型號長、厚、寬分別為5m—12m，4—10mm，300mm—500mm而開發(fā)研制的。該裝置靠軸對板材進行傳動，磨損小，速度快，結構簡單。通過簡單的滑塊對板材產(chǎn)生推力，將板材收集到落料架中，其結構簡單效率高，傳動平穩(wěn)，節(jié)省材料。
2.2 SPT120-12A·5·1 推料裝置的工作原理
推料裝置放在臺架上，當工件（板材）沖完空后，從主機被拉倒輥子上時，電機7（圖示）啟動，通過傳動軸(2、3、4、5、6)帶動鏈條轉動，推塊1從下邊鏈條轉到上邊鏈條上，從工件側面推動工件，幾個推動同時推動工件，工件被推倒落料箱斜面的滾輪上，從而靠重力滑進料箱中。推塊轉到下邊鏈條上，接近開關感應到推塊，發(fā)出信號至控制中心，控制中心發(fā)出指令，讓電機7停止，從而推塊在下邊的鏈條停住，完成一個工作循環(huán)。
圖2-1
2.3 SPT120-12A·5·1 推料裝置結構組成及其各部分的功用
2.3.1 動力源
該裝置的動力通過一部減速電機提供。電機選用功率為0.55W的減速電機D43-Y0.55-4p-27.96-W3-0。推塊經(jīng)過傳動獲得的功率為：
推塊與輥間摩擦力：N
推塊推力：0.453kw/0.22m/s=2.06N大于推塊與輥間摩擦力0.0082N
2.3.2 傳動件
該裝置中的軸作用是通過鏈條傳動將電機的動力傳動到推塊上，以完成對板材收集，整個裝置由5種長度不相同的軸相連而成。
1）軸是組成機械的主要零件之一。一切作回轉運動的傳動零件（例如齒輪，蝸輪等），都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。因此周的主要功用是支承回狀零件及傳遞運動和動力。
主要是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中常用的是45鋼。
合金鋼比碳鋼具有更高的力學性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。
根據(jù)本產(chǎn)品中所用軸的工作特點，在設計中采用的是普通傳動軸，材料為45鋼，其主要作用是傳遞運動和轉矩，使推塊得到動力和運動。
2）鏈傳動是應用廣泛的一種機械傳動。它是由鏈條和主從動鏈輪所組成。鏈輪上有特制齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力。鏈傳動是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動。與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保持準確的平均傳動比，傳動效率較高；又因鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的徑向壓力較小；在同樣使用條件下，鏈傳動結構較為緊湊。同時鏈傳動能在高溫及速度較低的情況下工作。與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，成本低廉；在遠距離傳動時，其結構比齒輪傳動輕便得多。鏈傳動的主要缺點是：在兩根平行軸之間只能用于同向回轉的傳動；運轉時不能保持恒定的瞬間傳動比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時有噪聲；不易在載荷變化很大和急速反向的傳動中運用。
鏈傳動主要在要求工作可靠，且兩軸相距較遠，以及其他不宜采用齒輪傳動的場合。例如在摩托車上應用了鏈傳動，結構上大為簡化，而且使用方便可靠。鏈傳動還可以應用在低速重型及極為惡劣的工作條件下，例如掘土機的運行機構，雖常受到土塊，泥漿及瞬時過載等影響，但仍能很好的工作。
按用途不同，鏈可以分為：傳動鏈、輸送鏈、和起重鏈。輸送鏈和起重鏈主要用于運輸和起重機械中。而在一般機械傳動中，常用的是傳動鏈。
傳動鏈傳遞的功率一般在100kW以下，鏈速一般不超過15m/s，推薦使用的最大傳動比。傳動鏈有短節(jié)距精密滾子鏈、齒形鏈等類型。其中滾子鏈使用最廣，齒形鏈使用較少。
2.3.3 支撐柱
支撐柱是裝置的支撐部件，軸由支撐柱固定在裝置上。支撐柱屬于支撐部件，屬機座類。這部分部件在很大程度上影響著機器的工作精度及抗振性能，還影響著裝置的耐磨性等。本裝置的支撐柱部分采用了肋板設計從而增加了支撐柱的強度和剛度。這種設計在增大強度和剛度的同時又可以減少壁厚和質量，進一步減少了制造成本。對于焊接件來說薄壁更容易保證焊接的品質。本裝置的支撐柱材料為45鋼。
2.3.4推塊
推塊 本設備的板材收集裝置通過若干個推塊來完成。采用推塊對板材進行收集不僅動作迅速而且可以更大程度的減少電機功率達到節(jié)約能源減少消耗的目的。推塊選用45鋼，此種材料價格低廉，加之推塊用料極少極大的節(jié)約了生產(chǎn)用料。
2.4推料裝置的技術特點
支撐柱和機座為焊接件它們的主要技術特點是：板件不得出現(xiàn)明顯焊接變形，焊后清渣，焊后去焊接應力，銳邊倒鈍，發(fā)黑處理。軸的材料為45鋼，加工時注意銳邊倒鈍和T235。
2．5 設計的有關技術參數(shù)
鋼板：厚4—10mm，長3—12m，寬300—500mm；；
鋼板翹曲最大30mm
第3章 推料裝置的工藝規(guī)程設計
3.1 軸的功用
軸是該裝置的重要組成部分，是滑塊推動板材的傳動部件。軸按照承受載荷的不同，軸可以氛圍轉軸，心軸和傳動軸三類。本產(chǎn)品采用的軸的類型為傳動軸，軸的主要特點是結構簡單，造價低廉，傳動效果好，能夠很好的完成工作任務。
3．2 工藝規(guī)程設計
3．2．1 確定毛坯的制造形式
軸是常用的傳動件，要求有一定的剛度和強度，選擇零件的材料為45鋼。由于零件是小批量生產(chǎn)，而且零件的輪廓尺寸不大，故可采用鍛造成型。這從提高生產(chǎn)效率，保證加工精度上考慮，也是應該的。
軸的毛坯采用鍛造的方法制造。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的不同。毛坯的鍛造方式有自由鍛和模鍛兩種。自由鍛造設備簡單，但毛坯精度較差，加工余量較大，而且形狀復雜的毛坯不容易鍛造，多用于中、小批量生產(chǎn)。模鍛的毛坯制造精度高，加工余量小，生產(chǎn)率高，可鍛造形狀復雜的毛坯。而且材料經(jīng)模鍛后，纖維組織的分布更有利于提高零件的強度。但模鍛需要昂貴的設備，且需制造專用鍛模，因而只適用大批量生產(chǎn)。
3．2．2 軸的工藝方案
1 軸的加工工藝過程的制定
軸的加工工藝過程制定的依據(jù)是軸的結構、技術要求=生產(chǎn)批量和設備條件。
本產(chǎn)品采用階梯軸，毛坯采用實心鍛件。
2 軸的加工工藝過程的分析
1）粗加工階段。這個階段的主要目的是用大的切削量切除大部分余量，把毛坯加工至接近工件的最終尺寸和形狀，只留下少的加工余量。改階段還可以及時發(fā)現(xiàn)鍛件的裂縫等缺陷，以采取相應的措施。
A 毛坯處理。備料、鍛造和正火
B 粗加工。去除多余的部分，銑端面，打頂尖孔和粗車外圓等
2）半精加工階段。這個階段的主要目的是為精加工作好準備，對一些要求不高的表面，在這個階段加工到圖紙規(guī)定的要求。
A 半精加工前熱處理。對45鋼采用調質處理。
B 半精加工。車定位錐孔，半精車外圓端面。
3）精加工階段。改階段的目的是把各個表面最終加工到圖紙規(guī)定的要求。
A 精加工前熱處理。局部高頻淬火
B 精加工強各種加工。粗磨定位錐孔，精車與粗磨外圓，銑花鍵和鍵槽，以及車螺紋等。
C 精加工。精磨外圓和內、外錐面以保證軸最重要的表面的精度。
3定位基準的選擇。頂尖孔是周類零件最常用的定位基準，這是因為其各外圓表面、錐面、錐孔、螺紋表面之間的同軸度，以及端面對回轉表面的垂直度等有較高的位置精度要求，用兩頂尖定位既符合基準重合原則又符合基準統(tǒng)一原則。本產(chǎn)品的軸在加工過程中要先車端面，然后打頂尖孔，這樣可以保證軸在加工中的同軸度，使軸加工后的基準符合標準。
第4章 軸的校核
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上的零件的正常工作，甚至喪失機器應有的工作性能。例如，安裝齒輪的軸，若彎曲剛度（或扭轉剛度）不足而導致?lián)隙龋ɑ蚺まD角）過大時，將影響齒輪的正確嚙合，使齒輪沿齒寬和齒高方向接觸不良，造成載荷在齒面上嚴重分布不均。又如采用滑動軸承的軸，造成不均勻磨損和過度發(fā)熱。因此，在設計有剛度要求賭咒時，必須進行剛度的校核計算。
4.1按扭轉強度條件計算
軸的扭轉強度條件為：
式中：：扭轉切應力，單位
T ：軸所受的扭矩，單位
：軸的抗扭截面系數(shù)，單位
：軸的轉速，單位為
P ：軸傳遞的功率，單位
d ：計算截面處軸的直徑，單位為mm
[] ：許用扭轉切應力，單位為
由上式可得軸的直徑：
其中：= ，則 n==1398
P==0.550.96=0.528
由《機械設計》表15-3得：
[]=45， 軸的材料為45鋼
則，=20mm
取 =35mm
對于直徑的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%7%，因此，=+7%=357%+35=37.45圓整后=40
4.2確定軸的主要結構尺寸
根據(jù)軸上的零件確定軸的結構尺寸，如圖3-1所示
圖4-1
4.3鏈傳動的受力分析
（1） 緊邊所受的拉力=
式中 ：有效圓周力，單位為N
：離心力，單位為N
：懸垂拉力，單位為N
（2） =1000=
式中：P ：傳遞的功率，單位為；
：鏈速 ，單位為，
V==0.22
因此，=1000=1000=2400N
（3）=
式中： 單位長度鏈條的質量，單位為，取帶為12A，則=1.5
則==1.5=0.0726N
(4) 的大小與鏈條的松邊垂度及傳動的布置方式有關，在和中選用大者。
=
=
式中： 鏈傳動的中心距，單位為
單位長度鏈條的質量，單位為
垂直系數(shù)
=361.95 =40° =3.62
由 《機械設計》圖9-11得
=10
==101.5361.95=54.3
==57.56N
取=57.56N
因此 ==2400+0.0726+57.56=2457.63N
（5） 鏈的松邊拉緊
0.0726+57.56=57.63
4.4按彎扭合成強度條件計算
圖4-2
(1)根據(jù)機構尺寸確定作出軸的計算簡圖， 如4-2所示由=0
得： =155.63N
=0
得： （a+b）=0
=
(2) a簡力圖
圖4-3
彎矩
B彎矩圖
圖4-4
扭矩
C扭矩圖
圖4-5
（3）校核軸的強度。
式中： 軸的計算應力，單位為
軸所受的彎矩，單位為
軸所受的扭矩，單位為
軸的抗彎截面系數(shù)，單位為，公式見機械設計（第7版）表15-4
對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力，其值按機械設計（第7版）15-1選用
取 =1，=60
= 合格
4.5 按疲勞強度條件進行精確校核
這種校核計算的實質在于確定變應力情況下軸的安全程度。在以知軸的外形、尺寸及載荷的基礎上，即可通過分析確定出一個或幾個危險截面（這時不僅要考慮彎曲應力和扭轉切應力的大小，而且要考慮應力集中和絕對尺寸等因素影響的程度），計算安全系數(shù)并應使其稍微大于或少于等于設計安全系數(shù)S。
（1）判斷危險截面
從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面Ⅰ、Ⅱ引起的應力集中最為嚴重，但Ⅰ面的左側同時受力彎矩和扭矩，因此Ⅰ面比Ⅱ面危險。而鍵槽的應力集中系數(shù)比Ⅰ、Ⅱ面小，因而該軸只需校核截面Ⅰ左右兩側即可。
（2）截面Ⅰ左側
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
截面Ⅰ左側的彎矩M為：
截面Ⅰ上的扭矩T為：
截面上的扭轉切應力：
軸的材料圍45鋼，調質處理。機械設計（第7版）表15-1查得
，
截面上由于軸肩而形成理論應力集中系數(shù)及按機械設計（第7版）附表3-2查取。因
=， ，可查得：=，=
又由附圖4-1可得軸的材料的敏性系數(shù)為
故有效應力集中系數(shù)按式（附4-4）為
由附圖4-2得尺寸系數(shù)；由附圖4-3得扭轉尺寸系數(shù)
軸按精車加工，由附圖3-4得表面質量系數(shù)為
軸未經(jīng)表面強化處理，即，則綜合系數(shù)值為
又由§3-1及§3-2得碳鋼的特性系數(shù)
取
，取
于是，計算安全系數(shù)值，得
故可知安全。
（1） 截面Ⅰ右側
抗彎截面系數(shù)W：
抗扭截面系數(shù)：
彎矩M及彎曲應力為：
扭矩及扭轉切應力為：T=96000
過盈配合處的值，由機械設計（第7版）附表3-8用插入法求出，并取 =
，
軸按精車加工，由附圖4-4得表面質量系數(shù)為
故得綜合系數(shù)為：
所以軸在截面Ⅰ右側的安全系數(shù)為：
故該軸在截面Ⅰ右側的強度也是足夠的，宗上所述該軸符合要求。
第五章 經(jīng)濟分析與資源分析
經(jīng)濟性是機械產(chǎn)品的重要指標之一，從產(chǎn)品設計到產(chǎn)品制造，應始終貫徹經(jīng)濟性原則，設計中在滿足零件使用需求的前提下，從以下幾個方面來主要體現(xiàn)了本設計的經(jīng)濟性：
5.1 國家宏觀調控政策有利于板材送料裝置行業(yè)的發(fā)展
國家振興裝備制造業(yè)政策，特別是最近中央經(jīng)濟工作會議精神，國家仍將繼續(xù)執(zhí)行“雙穩(wěn)健”的財政政策和發(fā)展內需的宏觀經(jīng)濟政策，以及國家近期出臺的有關工、農(nóng)業(yè)政策和調控政策，還有對節(jié)能降耗，環(huán)境保護的部署等，為機械工業(yè)提出了新的要求，擴展了機械產(chǎn)品的市場，機械工業(yè)仍將保持高速發(fā)展，必然帶動板材送料裝置行業(yè)的發(fā)展。
板材送料裝置行業(yè)是配套件行業(yè)，受主機行業(yè)的影響很大。據(jù)有關行業(yè)預測，目前各主機行業(yè)企業(yè)2006年在手的任務十分飽滿，特別是國家重點工程所需的重大裝備和大型高檔產(chǎn)品需求十分火暴，仍處于供不應求的局面，必然拉動板材送料裝置行業(yè)的發(fā)展。
5．2 可能影響經(jīng)濟運行質量的問題
燃料、動力、原材料價格上漲，影響企業(yè)的效益
煤、油、電力以及原輔材料和鋼材的價格上漲，將直接影響板材送進夾鉗裝置產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，降低企業(yè)的經(jīng)濟效益。企業(yè)很難通過加強管理，靠企業(yè)內部挖潛對這部分予以補償。在企業(yè)利潤空間不大的情況下，會降低企業(yè)的經(jīng)濟效益，影響行業(yè)企業(yè)的長遠發(fā)展的后勁。
5．3 產(chǎn)品的經(jīng)濟優(yōu)勢
本產(chǎn)品通過對結構的設計盡可能的節(jié)約材料的使用。例如：通過在支撐部件上加以筋板來增加支撐部件的剛度和強度，這種設計不僅能保證產(chǎn)品結構的性能，而且使材料的使用降到最低；本產(chǎn)品采用推塊來實現(xiàn)對板材的收集，這種設計使動力對能量的消耗降到最低。產(chǎn)品所采用的電機功率為0.55w，不僅功率低能耗小而且滿足動力要求；產(chǎn)品盡量的采用簡單設計，使本產(chǎn)品的結構簡化，成本進一步降低，可以更大程度的對本產(chǎn)品在市場上普及。產(chǎn)品在板材運輸板材的裝置上采用輥傳動，這樣既節(jié)約材料降低成本而且使板材與設備間的摩擦降低，減少設備對板材的磨損。在推塊的傳動上，本產(chǎn)品采用鏈傳動，這種傳動系統(tǒng)結構簡單，其特點更加適合對推塊的傳動，而且價格便宜，易于制造。
通過對本產(chǎn)品經(jīng)濟性的分析，可以清楚的看到，本產(chǎn)品有著很好的經(jīng)濟性和實用性。由于簡單實用本產(chǎn)品可以很容易的應用到各種板材加工設備中，并能很好的完成響應的任務。當然本產(chǎn)品也有一定的不足，在今后的研究中會加以改進。
結 論
當今社會對生產(chǎn)力的要求日益提高，對制造業(yè)設備的自動化要求隨之提高。雖然我們國家再制造業(yè)的發(fā)展上還遠遠落后于發(fā)達國家，但今年來通過國家對制造業(yè)的重視，我國的制造工業(yè)正在逐步復蘇，通過提倡科技是第一生產(chǎn)力大力發(fā)展現(xiàn)代化的制造工藝，使我國的制造業(yè)得到了長足發(fā)展。與發(fā)達國家的差距正在日益縮小。我所設計的板材送料裝置是一種自動化板材收集裝置，可以進一步降低工人的勞動強度，提高板材加工設備的加工效率。對制造業(yè)的發(fā)展有著重要意義。
通過這端時間內對資料的收集整理和設備設計，SPT120-12A·5·1 推料裝置終于設計完成。通過這次機會整理資料和實際設計，幫助我將大學四年內所學的知識進行了總結，使我更加深刻的體會了獨立思考和獨立設計。在遇到書本上無法獲得的知識時我學會了通過查詢資料，在其中總結和學期。這種重要的學習方法在日后的工作和學習中對我有著十分重要的意義。通過此次設計也為我今后在工作崗位上的發(fā)展打下了堅實的基礎。
致 謝
畢業(yè)設計結束了，在這3個月里我終于完成了對SPT120-12A·5·1 推料裝置的設計。在此次設計中要重要感謝指導老師盧玉梅老師，以及各位機制教研室老師的大力支持與幫助。在整個設計過程中，老師給予了我極大的鼓勵和支持，幫助我戰(zhàn)勝了種種困難，在老師的指導下使我對所設計的內容有了更深層次的理解。在設計過程中我苦惱過任務的繁重和資料的匱乏，但在老師的指導下我還是完成了此次設計任務，在收獲的同時更使我對未來產(chǎn)生了無限的向往。我將盡全力去完成以后所接受的所有困難。
我所掌握的知識還是十分有限，因此在設計過程中不免有錯誤和不妥，希望能得到廣大老師的批評和指導，以便在今后的學習過程中可以有更大的提高。
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專題論文
淺談軸類零件加工工藝
摘要：軸是組成機器的主要零件之一，一切作回轉運動的傳動零件（例如齒輪，蝸輪等），都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。它通常被用于支撐傳動件的傳遞扭矩。軸是旋轉體零件，其長度大于直徑。加工表面通常由內外圓柱面、圓錐面、螺紋、花鍵、橫孔、溝槽等。
關鍵字：軸，精度，基準
正文：軸是組成機械的主要零件之一，所以在機械加工中軸的加工工藝是做為重中之中來進行研究的。目前我國正在大力發(fā)展制造工業(yè)，因此對軸類加工工藝的研究也提出了新的要求。在當今各國加工工藝飛速發(fā)展，對零件的加工精度不斷提高，各種高精密設備的應用使零件的加工速度和加工精度比以往有了很大改觀，因此我們也應該有責任去追趕并超越。作為一名從事機械行業(yè)的學生我也要談一下自己對該方面的見解。
一 概 述
1軸類零件的功用與結構特點
軸類零件主要用于支承傳動零件（齒輪、帶輪等），承受載荷、傳遞轉矩以及保證裝在軸上零件的回轉精度。
根據(jù)軸的結構形狀，軸的分類如圖 6 — 1 所示。
根據(jù)軸的長度 L 與直徑 d 之比，又可分為剛性軸（ L/d ≤ 12 ）和撓性軸（ L/d ＞ 12 ）兩種。
軸類零件通常由內外圓柱面、內外圓錐面、端面、臺階面、螺紋、鍵槽、花鍵、橫向孔及溝槽等組成。
2軸類零件的技術要求、材料和毛坯
裝軸承的軸頸和裝傳動零件的軸頭處表面，一般是軸類零件的重要表面，其尺寸精度、形狀精度（圓度、圓柱度等）、位置精度（同軸度、與端面的垂直度等）及表面粗糙度要求均較高，是在制訂軸類零件機械加工工藝規(guī)程時，應著重考慮的因素。
一般軸類零件常選用 45 鋼；對于中等精度而轉速較高的軸可用40Cr ；對于高速、重載荷等條件下工作的軸可選用 20Cr 、 20CrMnTi 等低碳合金鋼進行滲碳淬火，或用 38CrMoAlA 氮化鋼進行氮化處理。
外圓表面是軸類零件的主要表面，因此要能合理地制訂軸類零件的機械加工工藝規(guī)程，首先應了解外圓表面的各種加工方法和加工方案。本章主要介紹常用的幾種外圓加工方法和常用的外圓加工方案。軸類零件的毛坯最常用的是圓棒料和鍛件，只有某些大型的、結構復雜的軸才采用鑄件（鑄鋼或球墨鑄鐵）。
二 外圓表面的加工方法和加工方案
1 外圓表面的車削加工
根據(jù)毛坯的制造精度和工件最終加工要求，外圓車削一般可分為粗車、半精車、精車、精細車。
粗車的目的是切去毛坯硬皮和大部分余量。加工后工件尺寸精度 IT11~IT13 ，表面粗糙度 Ra50~12.5 μ m 。
半精車的尺寸精度可達 IT8~IT10 ，表面粗糙度 Ra6.3~3.2 μ m 。半精車可作為中等精度表面的終加工，也可作為磨削或精加工的預加工。
精車后的尺寸精度可達 IT7~IT8 ，表面粗糙度 Ra1.6~0.8 μ m 。
精細車后的尺寸精度可達 IT6~IT7 ，表面粗糙度 Ra0.4~0.025 μ m 。精細車尤其適合于有色金屬加工，有色金屬一般不宜采用磨削，所以常用精細車代替磨削。
2 外圓表面的磨削加工
磨削是外圓表面精加工的主要方法之一。它既可加工淬硬后的表面，又可加工未經(jīng)淬火的表面。
根據(jù)磨削時工件定位方式的不同，外圓磨削可分為：中心磨削和無心磨削兩大類。
（1）中心磨削
中心磨削即普通的外圓磨削，被磨削的工件由中心孔定位，在外圓磨床或萬能外圓磨床上加工。磨削后工件尺寸精度可達 IT6~IT8 ，表面粗糙度 Ra0.8~0.1 μ m 。按進給方式不同分為縱向進給磨削法和橫向進給磨削法。
a ．縱向進給磨削法（縱向磨法）
如圖 6-2 所示，砂輪高速旋轉，工件裝在前后頂尖上，工件旋轉并和工作臺一起縱向往復運動。
b ．橫向進給磨削法（切入磨法）
如圖 6-3 所示，此種磨削法沒有縱向進給運動。當工件旋轉時，砂輪以慢速作連續(xù)的橫向進給運動。其生產(chǎn)率高，適用于大批量生產(chǎn)，也能進行成形磨削。但橫向磨削力較大，磨削溫度高，要求機床、工件有足夠的剛度，故適合磨削短而粗，剛性好的工件；加工精度低于縱向磨法。
（2）無心磨削
無心磨削是一種高生產(chǎn)率的精加工方法，以被磨削的外圓本身作為定位基準。目前無心磨削的方式主要有：貫穿法和切入法。
如圖 6-4 所示為外圓貫穿磨法的原理。
工件處于磨輪和導輪之間，下面用支承板支承。磨輪軸線水平放置，導輪軸線傾斜一個不大的 λ 角。這樣導輪的圓周速
度 υ 導 可以分解為帶動工件旋轉的 υ 工 和使工件軸向進給的分量 υ 縱 。
如圖 6-5 為切入磨削法磨削的原理。導輪 3 帶動工件 2 旋轉并壓向磨輪 1 。加工時，工件和導輪及支承板一起向砂輪作橫向進給。磨削結束后，導輪后退，取下工件。導輪的軸線與砂輪的軸線平行或相交成很小的角度（ 0.5~1 o ），此角度大小能使工件與擋鐵 4 （限制工件軸向位置）很好地貼住即可。
無心磨削時，必須滿足下列條件：
a ．由于導輪傾斜了一個 λ角度，為了保證切削平穩(wěn)，導輪與工件必須保持線接觸，為此導輪表面應修整成雙曲線回轉體形狀。
b ．導輪材料的摩擦系數(shù)應大于砂輪材料的磨擦系數(shù)；砂輪與導輪同向旋轉，且砂輪的速度應大于導輪的速度；支承板的傾斜方向應有助于工件緊貼在導輪上。
c ．為了保證工件的圓度要求，工件中心應高出砂輪和導輪中心連線。高出數(shù)值 H 與工件直徑有關。當工件直徑 d 工 =8 ～ 30mm 時， H ≈ d 工 /3 ；當 d 工 =30 ～ 70mm 時， H ≈ d 工 /4 。
d 、導輪傾斜一個 λ 角度。如圖 6-4 ，當導輪以速度 v 導 旋轉時，可分解為：
v 工 =v 導 · cos λ ; v 縱 =v 導 · sin λ
粗磨時，λ取 3°～6 °；精磨時，λ取 1 °～ 3 °。
無心磨削時，工件尺寸精度可達 IT6-IT7，表面粗糙度 Ra0.8-0.2um.
?。?）外圓磨削的質量分析
在磨削過程中，由于有多種因素的影響，零件表面容易產(chǎn)生各種缺陷。常見的缺陷及解決措施分析如下：
a ．多角形 在零件表面沿母線方向存在一條條等距的直線痕跡，其深度小于 0.5 μ m ，如圖6-6 所示。
產(chǎn)生原因主要是由于砂輪與工件沿徑向產(chǎn)生周期性振動所致。如砂輪或電動機不平衡；軸承剛性差或間隙 太大 ；工件中心孔與頂尖接觸不良；砂輪磨損不均勻等。消除振動的措施，如仔細地平衡砂輪和電動機；改善中心孔和頂尖的接觸情況；及時修整砂輪；調整軸承間隙等。
b ．螺旋形 磨削后的工件表面呈現(xiàn)一條很深的螺旋痕跡，痕跡的間距等于工件每轉的縱向進給量。如圖 6-7 所示。
產(chǎn)生原因主要是砂輪微刃的等高性破壞或砂輪與工件局部接觸。如砂輪母線與工件母線不平行；頭架、尾座剛性不等；砂輪主軸剛性差。消除的措施，修正砂輪，保持微刃等高性；調整軸承間隙；保持主軸的位置精度；砂輪兩邊修磨成能成臺肩形或倒圓角，使砂輪兩端不參加切削；工件臺潤滑油要合適，同時應有卸載裝置；使導軌潤滑為低壓供油。
c ．拉毛（劃傷或劃痕） 常見的工件表面拉毛現(xiàn)象如圖 6-8 所示。
產(chǎn)生原因主要是磨粒自銳性過強；切削液不清潔；砂輪罩上磨屑落在砂輪與工件之間等。消除拉毛的措施，選擇硬度稍高一些的砂輪；砂輪修整后用切削液和毛刷清洗；對切削液進行過濾；清理砂輪罩上的磨屑等。
d．燒傷 可分為螺旋形燒傷和點燒傷，如圖 6-9 所示。
燒傷的原因主要是由于磨削高溫的作用，使工件表層金相組織發(fā)生變化，因而使工件表面硬度發(fā)生明顯變化。消除燒傷的措施，降低砂輪硬度；減小磨削深度；適當提高工件轉速；減少砂輪與工件接觸面積；及時修正砂輪；進行充分冷卻等。
3、外圓表面的精密加工
隨著科學技術的發(fā)展，對工件和加工精度和表面質量要求也越來越高。因此在外圓表面精加工后，往往還要進行精密加工。外圓表面的精密加工方法常用的有高精度磨削、超精度加工、研磨和滾壓加工等。
（1）高精度磨削
使軸的表面粗糙度值在 Ra0.16 μ m 以下的磨削工藝稱為高精度磨削，它包括精度磨削（ Ra0.6-0.06 μ m ）、超精密磨削（ Ra0.04-0.02 μ m ）和鏡面磨削（ Ra ﹤ 0.01 μ m）。
高精度磨削的實質在于砂輪磨粒的作用。經(jīng)過精細修整后的砂輪的磨粒形成了同時能參加磨削的許多微刃。如圖 6 -10a,b，這些微刃等高程度好，參加磨削的切削刃數(shù)大大增加，能從工件上切下微細的切屑，形成粗糙度值較小的表面。隨著磨削過程的繼續(xù)，銳利的微刃逐漸鈍化，如圖 6 -10c。鈍化的磨粒又可起拋光作用，使粗糙度進一步降低。
（2）超精加工
用細粒度磨具的油石對工件施加很小的壓力，油石作往復振動和慢速沿工件軸向運動，以實現(xiàn)微量磨削的一種光整加工方法。
如圖 6-11 所示為其加工原理圖。加工中有三種運動：工件低速回轉運動 1 ；磨頭軸向進給運動 2 ；磨頭高速往復振動 3 。如果暫不考慮磨頭軸向進給運動，磨粒在工件表面上走過的軌跡是正弦曲線，如圖 6-11b 所示。
超精加工大致有四個階段：
a ．強烈切削階段 開始時，由于工件表面粗糙，少數(shù)凸峰與油石接觸，單位面積壓力很大，破壞了油膜，故切削作用強烈。
b ．正常切削階段 當少數(shù)凸峰磨平后，接觸面積增加，單位面積壓力降低，致使切削作用減弱，進入正常切削階段。
c．微弱切削階段 隨著接觸面積進一步增大，單位面積壓力更小，切削作用微弱，且細小的切屑形成氧化物而嵌入油石的空隙中，因而油石產(chǎn)生光滑表面，具有摩擦拋光作用。
d ．自動停止切削階段 工件磨平，單位面積上的壓力很小，工件與油石之間形成液體摩擦油膜，不再接觸，切削作用停止。
經(jīng)超精加工后的工件表面粗糙度值 Ra0.08-0.01 μ m. 。然而由于加工余量較小（小于 0.01mm ），因而只能去除工件表面的凸峰，對加工精度的提高不顯著。
（3）研磨
用研磨工具和研磨劑，從工件表面上研去一層極薄的表層的精密加工方法稱為研磨。
研磨用的研具采用比工件材料軟的材料（如鑄鐵、銅、巴氏合金及硬木等）制成。研磨時，部分磨粒懸浮在工件和研具之間，部分研粒嵌入研具表面，利用工件與研具的相對運動，磨粒應切掉一層很薄的金屬，主要切除上工序留下來的粗糙度凸峰。一般研磨的余量為 0.01 -0.02mm 。研磨除可獲得高的尺寸精度和小的表面粗糙度值外，也可提高工件表面形狀精度，但不能改善相互位置精度。
當兩個工件要求良好配合時，利用工件的相互研磨（對研）是一種有效的方法。如內燃機中的氣閥與閥座，油泵油咀中的偶件等。
（4）滾壓加工
滾壓加工是用滾壓工具對金屬材質的工件施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，從而降低工件表面粗糙度，強化表面性能的加工方法。它是一種無切屑加工。
圖 6-12 為滾壓加工示意圖。滾壓加工有如下特點：
a ．滾壓前工件加工表面粗糙度值不大于 Ra5 μ m ，表面要求清潔，直徑余量為 0.02 -0.03mm 。
b ．滾壓后的形狀精度和位置精度主要取決于前道工序。
c ．滾壓的工件材料一般是塑性材料，并且材料組織要均勻。鑄鐵件一般不適合滾壓加工。
d ．滾壓加工生產(chǎn)率高。
4、外圓表面加工方案的選擇
上面介紹了外圓表面常用的幾種加工方法及其特點。零件上一些精度要求較高的面，僅用一種加工方法往往是達不到其規(guī)定的技術要求的。這些表面必須順序地進行粗加工、半精加工和精加工等加工方法以逐步提高其表面精度。不同加工方法有序的組合即為加工方案。表 6-2 即為外圓柱面的加工方案。
確定某個表面的加工方案時，先由加工表面的技術要求（加工精度、表面粗糙度等）確定最終加工方法，然后根據(jù)此種加工方法的特點確定前道工序的加工方法，如此類推。但由于獲得同一精度及表面粗糙度的加工方法可有若干種，實際選擇時還應結合零件的結構、形狀、尺寸大小及材料和熱處理的要求全面考慮。
表 6-2中序號 3 （粗車—半精車—精車）與序號 5 （粗車—半精車—磨）的兩種加工方案能達到同樣的精度等級。但當加工表面需淬硬時，最終加工方法只能采用磨削。如加工表面未經(jīng)淬硬，則兩種加工方案均可采用。若零件材料為有色金屬，一般不宜采用磨削。
再如表 6-2 中序號 7 （粗車—半精車—粗磨—精磨—超精加工）與序號 10 （粗車—半精車—粗磨—精磨—研磨）兩種加工方案也能達到同樣的加工精度。當表面配合精度要求比較高時，終加工方法采用研磨較合適；當只需要求較小的表面粗糙度值，則采用超精加工較合適。但不管采用研磨還超精加工，其對加工表面的形狀精度和位置精度改善均不顯著，所以前道工序應采用精磨，使加工表面的位置精度和幾何形狀精度已達到技術要求。
各種加工方法所能達到的經(jīng)濟精度精度和經(jīng)濟粗糙度等級，在機械加工的各種手冊中均能查到。
序號
加工方法
經(jīng)濟精度
( 公差等級表示 )
經(jīng)濟粗糙度值
Ra ／ um
適用范圍
1
粗車
IT18~13
12.5~50
適用于淬火鋼以外的各種金屬
2
粗車 - 半精車
IT11~10
3.2~6.3
3
粗車 - 半精車 - 精車
IT7~8
0.8~1.6
4
粗車 - 半精車 - 精車 -滾壓（或拋光）
IT7~8
0.25~0.2
5
粗車 - 半精車 -磨削
IT7~8
0.4~0.8
主要用于淬火鋼，也可用于未淬火鋼，但不宜加工有色金屬
6
粗車 - 半精車 -粗磨 -精磨
IT6~7
0.1~0.4
7
粗車 - 半精車 -粗磨 -精磨 -超精加工（或輪式超精磨）
IT5
0.012~0.1
( 或 R Z 0.1)
8
粗車 - 半精車 -精車 -精細車（金剛車）
IT6~7
0.025~0.4
主要用于要求較高的有色金屬加工
9
粗車 - 半精車 - 粗磨 -精磨 -超精磨（或鏡面磨）
IT5 以上
0.006~0.025
( 或 R Z 0.05)
極高精度的外圓加工
四、典型軸類零件加工工藝分析
1、階梯軸加工工藝過程分析
圖 6—35 為減速箱傳動軸工作圖樣。生產(chǎn)批量為小批生產(chǎn)。材料為 45 熱軋圓鋼。零件需調質。
（1）結構及技術條件分析
該軸為沒有中心通孔的多階梯軸。根據(jù)該零件工作圖，其軸頸 M 、 N ，外圓 P,Q 及軸肩 G 、 H 、 I 有較高的尺寸精度和形狀位置精度，并有較小的表面粗糙度值，該軸有調質熱處理要求。
?。?）加工工藝過程分析
a ．確定主要表面加工方法和加工方案。
傳動軸大多是回轉表面，主要是采用車削和外圓磨削。由于該軸主要表面 M,N,P,Q 的公差等級較高（ IT6 ），表面粗糙度值較?。?Ra0.8 μ m ），最終加工應采用磨削。其加工方案可參考表 3-14 。
b ．劃分加工階段
該軸加工劃分為三個加工階段，即粗車（粗車外圓、鉆中心孔），半精車（半精車各處外圓、臺肩和修研中心孔等），粗精磨各處外圓。各加工階段大致以熱處理為界。
c ．選擇定位基準
軸類零件的定位基面，最常用的是兩中心孔。因為軸類零件各外圓表面、螺紋表面的同軸度及端面對軸線的垂直度是相互位置精度的主要項目，而這些表面的設計基準一般都是軸的中心線，采用兩中心孔定位就能符合基準重合原則。而且由于多數(shù)工序都采用中心孔作為定位基面，能最大限度地加工出多個外圓和端面，這也符合基準統(tǒng)一原則。
但下列情況不能用兩中心孔作為定位基面：
?。?a ）粗加工外圓時，為提高工件剛度，則采用軸外圓表面為定位基面，或以外圓和中心孔同作定位基面，即一夾一頂。
?。╞）當軸為通孔零件時，在加工過程中，作為定位基面的中心孔因鉆出通孔而消失。為了在通孔加工后還能用中心孔作為定位基面，工藝上常采用三種方法。
①當中心通孔直徑較小時，可直接在孔口倒出寬度不大于 2 mm 的 60 o 內錐面來代替中心孔；
?、诋斴S有圓柱孔時，可采用圖 6 — 36 a 所示的錐堵，取 1 ∶ 500 錐度；當軸孔錐度較小時，取錐堵錐度與工件兩端定位孔錐度相同；
?、郛斴S通孔的錐度較大時，可采用帶錐堵的心軸，簡稱錐堵心軸，如圖 6 — 36 b 所示。
使用錐堵或錐堵心軸時應注意，一般中途不得更換或拆卸，直到精加工完各處加工面，不再使 用中心孔時方能拆卸。
d ．熱處理工序的安排
該軸需進行調質處理。它應放在粗加工后，半精加工前進行。如采用鍛件毛坯，必須首先安排退火或正火處理。該軸毛坯為熱軋鋼，可不必進行正火處理。
e ．加工順序安排
除了應遵循加工順序安排的一般原則，如先粗后精、先主后次等，還應注意：
（a ）外圓表面加工順序應為，先加工大直徑外圓 ，然后再加工小直徑外圓，以免一開始就降低了工件的剛度。
?。?b ）軸上的花鍵、鍵槽等表面的加工應在外圓精車或粗磨之后，精磨外圓之前。
軸上矩形花鍵的加工，通常采用銑削和磨削加工，產(chǎn)量大時常用花鍵滾刀在花鍵銑床上加工。以外徑定心的花鍵軸，通常只磨削外徑鍵側，而內徑銑出后不必進行磨削，但如經(jīng)過淬火而使花鍵扭曲變形過大時，也要對側面進行磨削加工。以內徑定心的花鍵，其內徑和鍵側均需進行磨削加工。
（ c ）軸上的螺紋一般有較高的精度，如安排在局部淬火之前進行加工，則淬火后產(chǎn)生的變形會影響螺紋的精度。因此螺紋加工宜安排在工件局部淬火之后進行。
軸加工工藝在機械制造的領域中有這十分重要的地位，它是發(fā)展機械工業(yè)的基礎。在中國發(fā)展工業(yè)的重要階段，對機械行業(yè)的研究和對軸類工藝的研究更加要加以重視。因此，通過重視和努力我相信我們一定能國重新振興中國的工業(yè)，使中國的國力進一步增強。
CHAPTER V
TOOL WEAR MECHANISMS ON THE FLANK SURFACE OF CUTTING INSERTS
FOR HIGH SPEED WET MACHINING
5.1 Introduction
Almost every type of machining such as turning, milling, drilling, grinding..., uses a cutting fluid to assist in the cost effective production of parts as set up standard required by the producer [1]. Using coolant with some cutting tools material causes severe failure due to the lack of their resistance to thermal shock (like AL2O3 ceramics), used to turn steel. Other cutting tools materials like cubic boron nitride (CBN) can be used without coolant, due to the type of their function. The aim of using CBN is to raise the temperature of the workpice to high so it locally softens and can be easily machined. The reasons behind using cutting fluids can be summarized as follows.
? Extending the cutting tool life achieved by reducing heat generated and as a result less wear rate is achieved. It will also eliminate the heat from the shear zone and the formed chips.
? Cooling the work piece of high quality material under operation plays an important role since thermal distortion of the surface and subsurface damage is a result of excessive heat that must be eliminated or largely reduced to produce a high quality product.
Reducing cutting forces by its lubricating effect at the contact interface region and washing and cleaning the cutting region during machining from small chips. The two main reasons for using cutting fluids are cooling and lubrication.
Cutting Fluid as a Coolant:
The fluid characteristics and condition of use determine the coolant action of the cutting fluid, which improves the heat transfer at the shear zone between the cutting edge, work piece, and cutting fluid. The properties of the coolant in this case must include a high heat capacity to carry away heat and good thermal conductivity to absorb the heat from the cutting region. The water-based coolant emulsion with its excellent high heat capacity is able to reduce tool wear [44].
Cutting Fluid as a Lubricant:
The purpose is to reduce friction between the cutting edge, rake face and the work piece material or reducing the cutting forces (tangential component). As the friction drops the heat generated is
dropped. As a result, the cutting tool wear rate is reduced and the surface finish is improved.
Cutting Fluid Properties
Free of perceivable odor
Preserve clarity throughout life
Kind and unirritated to skin and eyes.
Corrosion protection to the machine parts and work piece.
Cost effective in terms off tool life, safety, dilution ratio, and fluid life. [1]
5.1.1 Cutting Fluid Types
There are two major categories of cutting fluids
Neat Cutting Oils
Neat cutting oils are poor in their coolant characteristics but have an excellent lubricity. They are applied by flooding the work area by a pump and re-circulated through a filte