减速器的输出轴机械加工工艺设计
摘 要: 减速器输出轴属于典型的轴类零件，主要功用是将电动机的动力和运动传递给负载，过程中承受弯矩和扭矩，轴的好坏直接影响整台机器的性能和质量。本文阐述了减速器输出轴的设计背景和意义， 分析了减速器输出轴的结构和作用， 通过方案比较确定了减速器输出轴的毛坯材料和工艺路线，选择了合理的机械加工设备和刀具，确定了各工序加工余量和对应的切削用量。
关键词: 减速器输出轴；机械加工；工艺设计
1 绪论
1.1 设计背景
现如今伴随着机械制造加工蓬勃地发展，尤其是机械自动化方面， 体现更是机械智能制造。21世纪初，机械制造加工工艺的重要性质就体现在其全球化、网络化和虚拟化等方面。我们摆脱了大而沉重的体力工作，以此期间我们也解脱了烦琐的计算分析等一系列脑力劳动，这样一来我们有更多的人参加更高阶层的具有创造的工作与设计。在工程领域方面，机械制造加工工艺正扮演一个重要且强悍的角色，如果没有机械制造的蓬勃发展，各种各样的产品与零件也就无法诞生。如今在工业生产方面，现代机械制造技术逐渐发展为信息与智能相结合加工技术，根据生产操作信息加以智能集成技术做出一套完整的自动化生产线，产品零件的制造业也随即迈向了更高的要求，智能制造加工正在成为一种新的技术载体，它必将在工程领域上有着更高的进步。
1.2 设计意义
新的技术、新的方向引领着机械制造加工技术向前发展，智能制造化的完整体系生产线发展也更加快速，一套完整的自动化生产线便是工业时代智能控制技术发展的基石。国内国外机械制造加工技术不仅向智能化趋势发展，而且还在探究其向柔性化、网络化、精密化、绿色化和全球化方向发展的总趋势。
智能化可以促进柔性化，这样一来可以使生产系统有更好的判断能力，精密化奠定着产品零件的机械加工质量率，网络化模式和全球化模式便是相辅相成的，它们带着机械制造技术在全球朝着更新的方向一起探究和发展，剩下的绿色化模式便展现出的是新时代制造加工模式，顺应新时代要求。
2 减速器输出轴结构分析
2.1 减速器输出轴的结构
本文设计的零件是减速器输出轴，其工作原理是单列圆锥磙子轴承支撑该输出轴，轴承盖的凸缘挡住轴承的外圈，该轴需要轴向定位和周向定位。在齿轮和半联轴器两者之间分别用轴肩、套筒和挡圈轴向定位，用普通平键( A 型) 周向定位来传递运动和转距。
减速器在工作的期间要保证稳定可靠，因此应该要求轴上支撑轴颈处和装配传动零件的轴颈处有一定的同轴度，这样一来便能提高传动零件的传动精度从而减少产生噪音等影响。故减速器输出轴在机械加工工艺方面也有着较高的要求，加工输出轴要选择合适的毛坯材料、加工机床设备和量测工具等，然后制定出输出轴零件的加工路线，经过粗、精和磨削等工序完成该轴零件的机械加工。本论文将详细分析减速器输出轴的机械加工工艺设计规程，按照理论与实际相结合确定该零件加工的工序，加工顺序围绕基面先加工( 先加工端面， 后加工中心孔) 、再粗加工、后精加工，工序按先主工序后次工序进行，确保该零件各表面的加工精度和加工质量达到指定要求。
2.2 生产类型及工艺特性
按零件的生产纲领和生产数量划分不同的生产类型，零件的生产类型不同划分见表 2－1; 生产类型不同零件的机械加工工艺特性不同，详见表 2－2。
表 2－1 各种生产类型的规范
表 2－2 各种生产类型的工艺特性
2.3 减速器输出轴的工艺分析
图 2－1 减速器输出轴零件图
由图 2－1 可知: 该输出轴属于阶梯轴类零件，轴上依次有圆柱面、螺纹、矩形花键、轴肩、环槽和键槽等。轴由于要与其他零件安装装配，装配调整好之后便要锁紧，这时轴左边的螺纹便起到这个作用。轴上面的零件安装时候因为要确定一个轴向位置，轴肩便可以大致确定安装的位置。环槽则是为了让轴零件装配在减速器里面有一个正确的位置，另外它还可以让零件在加工车磨削外圆或者车削螺纹后退刀方便。键槽主要是安装键，与矩形花键一样，起到传递转矩的作用。分析零件图可知主要轴颈处、外圆表面与轴肩有着较高的尺寸要求、位置精度和较小的表面粗糙度值，这些要求加工过程中便要注意并加以保证，从而满足零件工艺要求。因为该输出轴是回转表面，通过车削和磨削外圆成形即可，另外轴左边螺纹旁边的矩形花键还有右边外圆上的键槽则可以通过铣削成形完成加工。
3 毛坯的选择及确定
3.1 毛坯的选择
碳素结构钢、合金钢及球墨铸铁多为轴的常用材料。表 3－1 是轴常用的不同种材料。
表 3－1 轴常用材料及主要性能
3.2 毛坯材料的确定
分析零件轴毛坯材料后，我们都知道输出轴在工作的时候轴与负载直接相连，在工作中要承受冲击载荷、扭转力矩，并且载荷也较大，所以该轴要具有足够的冲击韧度和抗扭强度。轴毛坯通常选用 45 钢，45 钢为优质碳素结构钢，属于中碳钢。本论文设计的减速器输出轴为中等精度且转速较高的轴类零件，承载较大冲击力，在硬度方面有着较高的要求且 40Cr 材料价格适当，虽相对于 45 钢贵些，但是通过分析总结材料性能，选用 40Cr 材料作为该轴零件毛坯更为合适。因为 40Cr 材料在进行热处理的过程中 Cr 发挥提高钢的淬透性作用， 正是淬透性的提高，经热处理后 40Cr 材料相对 45 钢材料不管是在强度、硬度方面还是在冲击韧性方面都是较有优势的，这也是选用40Cr 作为输出轴毛坯材料的因素。
40Cr 材料需要的韧性、塑性和耐磨性在经过适当的热处理后可以获得的，加工起来也比较容易。该材料正火可以促进组织球化，这样一来可以提高硬度较小毛坯的切削性能，在 550℃～570℃ 之间进行回火。该材料有多种热处理方式，从而加工制造不同种性能需求的零件: 若需加工制造中等速度工作，与此同时具备能承受高负荷和高冲击性能的零件(比方齿轮，油泵转子)，该材料通过淬火及中温回火这种热处理方式后可以满足此类零件的工艺要求; 其次加工制造中等速度工作且只需承受中等负荷于冲击的零件(比方蜗杆，花键轴)， 这时该材料热处理方式改为调质即可达到想要的要求; 热处理方式为淬火及低温回火，这样处理便用来加工制造低冲击，重负荷且有耐磨性的零件(比方套环，主轴) ; 当然除此之外， 有些零件需要一定的表面硬度和耐磨性(比方连杆，螺钉)，这时加工制造这类零件时热处理工序为调质并加高频表面淬火。综上分析可选用尺寸长度为214mm、直径为 55mm 的 40Cr 材料做毛坯，经调质处理达到所需的性能要求，满足该零件的规定要求。
4 零件加工工艺路线的确定
4.1 定位基准的选择
4.1.1 粗基准的选择
粗基准的选择是为了保证零件需要加工的表面留有足够的余量，同时不加工的零件表面尺寸也要符合位置要求，选择方法可以参考表 4－1 内容。
表 4－1 粗基准的选择
4.1.2 精基准的选择
精基准的选择便是为了确保加工工件达到零件图纸的加工精度要求， 一般参考遵循表 4－2 原则。
表 4－2 精基准的选择
4.2 加工顺序的安排
因为该加工轴为阶梯轴，所以毛坯在加工时两端便有着很多的机械加工余量，切削过程中便会产生的大量切削热，让工件重新分布残余应力可能报废加工毛坯，从而降低生产率。为了提高选用毛坯的生产使用率，因此其加工顺序也有安排。
4.2.1 机械加工主工序
表 4－3 机械加工主工序
4.2.2 机械加工热处理工序
表 4－4 机械加工热处理工序
4.2.3 机械加工辅助工序
机械加工工艺途中为了保证其机械加工的质量，便要安排辅助工序， 比方说加工后的检验， 工后对表面的强化，工后去除表面的毛刺、倒工件的棱角，工后去除零件的磁性，工后清洗加以防锈包装等。
4.3 零件工艺路线的拟定
根据对所选材料 40Cr 了解到材料中所含的元素能更有利于氮化， 40Cr 可归可氮化钢种类。40Cr 调质后氮化处理便能获得较高的表面硬度，达到 HRC( 43～55)。
随之查阅资料了解到精密氮化钢轴类零件的加工工艺路线为: 备料→锻造→正火( 退火) →打顶尖孔→粗车→调质→半精车、精车→低温时效→粗磨→次要表面加工→精磨光磨。
综上该轴零件的加工工艺路线拟定如表 4－5 所示。
表 4－5 输出轴零件的加工工艺路线
5 零件加工设备和刀具的选择
5.1 加工设备的种类及型号选择
对该轴零件思考分析，加工该零件应粗车轴两端面后钻中心孔再粗车外圆，车槽、攻螺纹和倒角，这些工序可选用 CA6140 卧式车床，如图 5－1;在铣矩形花键和键槽时可选用铣床 X6132，如图 5－2; 另外要保证其零件轴的粗糙度还需用到外圆磨床 M1432A，如图 5－3。
图 5－1 CA6140 卧式车床
图 5－2 X6132 铣床
图 5－3 M1432A 万能磨床
图 5－4 车床常用刀具
5.2 刀具的类型及材料选择
5.2.1 刀具类型的选择
图5－4 中 1 是 45°弯头车刀、2 是 90°外圆车刀、3是外螺纹车刀、4 是 75° 外圆车刀、5 是成形车刀、6 是90°左偏车刀和 7 是车槽( 切断) 刀。分析零件图可知该轴两端都有倒角，轴不同阶梯之间存在退刀槽，此次加工该轴便用到45°弯头车刀、外螺纹车刀、90°外圆车刀、75°外圆车刀和车槽( 切断) 刀这几种类型的刀。另外用铣刀进行铣削加工该轴上左边外圆螺纹旁边的矩形花键和右边外圆上的键槽。常见的铣刀主要有圆柱形铣刀、三面刃铣刀、立铣刀、键槽铣刀、角度铣刀、模具铣刀和硬质合金可换位面铣刀七种。加工此零件上的键槽可选用键槽铣刀， 矩形花键可采用花键铣刀。
5.2.2 刀具材料的选择
因为高的切削温度、剧烈的摩擦、大的切削力还有冲击振动这些因素在刀具进行切削过程中都是要承受的，这样一来刀具是很容易造成磨损和损坏的。所以足够的硬度和耐磨性，足够的强度，高的耐热性还有工艺性、经济性这些性能刀具材料是少不了的，进而有更好的加工寿命，满足更高的加工要求。各种不同刀具材料的分类及性能见表 5－1。
表 5－1 常用刀具材料的主要物理力学性能
综上及结合资料分析可以了解到刀具材料的切削性能(刀具材料磨损的程度) 直接影响着零件的生产率、加工精度。所以在加工工艺中如何正确的选择刀具材料也是工艺规程的一个重要内容。所选零件毛坯材料是 40Cr 且加工该类零件时摩擦严重，切削温度较高，由于硬质合金有着较高的硬度、耐磨性和耐热性，刀具材料选择硬质合金钢进行加工时，即使在高速切削钢料时刀具也磨损小。这样刀具加工的寿命长且经济性也较好，这正是刀具材料选用需要考虑的。若加工选择高速钢材料为刀具时，虽然硬度和耐热性更高了，但是该刀具材料成本也比硬质合金钢越高些，本次该零件加工为中批生产，选合金工具钢作刀具材料可以满足要求，所以选择硬质合金的刀具加工 40Cr 材料更为合适。
6 工序加工余量和切削用量的选择
6.1 工序加工余量的选择
工序的加工余量为该工序完成加工后从工件表面上所切除下来的金属层厚度。算法为:工序加工余量=上道工序的工序尺寸－本道工序的工序尺寸在加工平面时，加工余量的算法就是实际加工中切除的金属层厚度。但是对于外圆和内孔等旋转表面却不是这样算的，因为对于它们来说，在实际加工中切除的金属层厚度是工件直径上的一半。因此该轴的加工余量是从直径上来算的，称为对称余量或者双边余量。根据拟定的零件加工工艺路线，再查阅机械加工工艺手册找到相关的加工经济精度和表面粗糙度，可得知外圆粗车后精度为 IT12～IT11， Ra50～12.5μm; 半精车后精度为 IT10～IT9，Ra6.3～3.2μm; 磨削后精度为 IT7～IT5，Ra 0.8～0.2μm。最后各工序的加工单边余量、加工经济精度和表面粗糙度具体如下表 6－1。
表 6－1 机械加工余量及基本尺寸
6.2 工序切削用量的选择
首先我们应该尽可能选大的背吃刀量(当然应该要考虑判断该加工机床的动力和刚度能否具备加工条件，否则便会损坏加工设备) 。若是工件已加工表面的粗糙度已经满足了要求，这时为了提高零件的生产加工效率，我们应该选取较大的进给量。最后切削速度的选择便应该结合该加工车床主轴合适的实际转速，求得最终的实际切削速度。这三点基本原则是在保证零件产品的生产率前提下进行选择切削用量的。
6.2.1 背吃刀量的选择
我们都知道切削加工分为粗加工、半精加工和精加工。我们选择中等功率机床进行粗加工 (表面Ra12. 5～50μm) 时背吃刀量 ap可选 8～10mm，因为尽量用一次走刀切除全部加工余量，这样一来提高生产效率不在话下。但是粗加工选择加工余量太大了或者加工余量极不均匀时候，这时我们应该减少背吃刀量，分多次走刀进而减少刀具磨损且减小车削引起的大振动导致误差; 而且在多次走刀选择背吃刀量中，为了使该工序有着较高的刀具耐用度、加工精度和较小的粗糙度，我们应该在第一次的背吃刀量上选择高些，之后的背吃刀量依次取小且最后一次最小更加合适。在半精加工(表面Ra6.3～ 32μm) 时背吃刀量可选 ap 可选 0.5～2mm; 进行精加工( 表面Ra0. 8～1. 6μm) 时背吃刀量可选 ap可选 0. 1～0. 4mm， 当然这是大致范围，如果刀具材料( 比方选用陶瓷刀具、金刚石和立方氮化硼刀具) 不同时， 背吃刀量 ap 也可有不同，可选 0.05～0. 2mm， 倘若加以配合适当的进给量 f = 0.01～0.1mm和切削速度 v = 240～900m /min 时可以让表面粗糙度达到磨削加工的要求范围。
另外在加工硬化严重的材料(铸、锻或者不锈钢等) 。我们应该让背吃刀量 ap大于硬皮层厚度， 这样一来可以保护刀具刀尖避免过早磨损。
6.2.2 进给量的选择
在对工件进行半精加工和精加工时，因为我们要保证表面粗糙度，所以往往选择背吃刀量比较小，这时切削中切削力没有很大，进给量 f 可以选择稍大些，然而实际取 f 值不能脱离加工表面的粗糙度值，所以还是要参考加工表面的粗糙度进而选择 f。一般在半精加工和精加工时查表根据表面粗糙度值所要求，参考工件的材料，刀尖的圆弧半径和切削速度不同区域来大致选择进给量 f。但是在粗加工工序中，我们因表面不怎么高的质量要求，都会选择大的背吃刀量，进而提高生产效率，但这时切削力便更大了，大的切削力限制了进给量 f 的选择，故 f 不能取很大。一般粗加工时查表根据参考加工的材料，车刀刀杆尺寸，加工工件直径和已确定的背吃刀量来大致选择进给量 f。
在实际零件的生产中，假如有好的加工条件(比方高强度加工设备的进给机构、高强度的车刀刀杆和好刚度、高强度的刀具材料) ，这时加工工件可以选用较大的进给量。其次我们也会查资料或以积累的经验加上理论知识分析去确定进给量 f。
6.2.3 切削速度的选择
背吃刀量ap和进给量 f 选择及确定之后， 通过两者相关联再对切削速度 v 选择确定。在粗加工时一般取小值，而精加工时为满足表面的粗糙度，往往取的更大些。选择原则以下表 6－2 所示。
表 6－2 切削速度一般选择原则
7 结束语
机械制造的发展不仅标志着机械结构的改进，同时也要求生产工艺不断完善。确定零件的机械加工工艺是个复杂的过程， 这就要求设计者多思考、多比较，确定一个合理的机械加工工艺路线，综合选择一个合理的工艺参数，确保零件的加工质量，提高零件的使用寿命。
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