“十字轴”零件的机械加工工艺规程及典型夹具设计

机械制造工艺学
课程设计说明书
设计题目：“十字轴”零件的机械加工工艺规程及典型夹具设计（年度生产纲领为8000件）
学院机械学院
专业机械设计制造及其自动化
班级 xxxxxxxxxx
设计 xxxxx
学号 xxxxxxxxxxx
指导教师 xxxxxxxxx
20 年月日
机械制造工艺学课程设计任务书
题目：“十字轴”零件的机械加工工艺规程及工艺装配设计
生产纲领为中批或大批生产
内容：
1.零件图 1张
2.毛坯图 1张
3.机械加工工艺过程综合卡片 1张
4.工艺装备设计 1～2套
5.工艺装备主要零件图 1张
6.课程设计说明书 1份
目录
摘要 (3)
一、零件的分析 (4)
1.1零件的作用 (4)
1.2零件的工艺分析 (4)
二、工艺规程设计 (5)
2.1确定毛坯的制造形式 (5)
2.2基面的选择 (5)
2.3制定工艺路线 (5)
2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 (7)
2.5确定切削用量及基本工时 (8)
三、专用夹具设计 (10)
3.1 设计主旨 (10)
3.1 夹具设计 (10)
3.1 夹具设计及操作的主要说明 (11)
参考文献 (11)
摘要
这次设计的是十字轴机械加工工艺规程及工艺装备设计，包括零件图、装配图各一张，机械加工工艺过程卡片和与工序卡片各一张。

首先我们要熟悉零件和了解其作用，它位于车床变速机构中，主要起换档作用。

然后，根据零件的性质和零件图上各端面的粗糙度确定毛坯的尺寸和机械加工余量。

最后拟定工艺路线图，制定该工件的夹紧方案，画出夹具装配图。

就我个人而言，我希望能通过这次课程设计，了解并认识一般机器零件的生产工艺过程，巩固和加深已学过的技术基础课和专业课的知识，理论联系实际，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后的工作打下一个良好的基础，并且为后续课程的学习打好基础。

一、零件的分析
1.1零件的作用
十字轴是万向联轴器的重要而基本零件，通过滚动轴承与两个叉形头连接起到换向和传递扭矩
和运动的作用。

按虎克铰链原理工作，传递转矩可达m KN •10000~8000。

十字轴的四个轴颈安装滚动轴承，中间孔为油路通道，便于润滑滚动轴承。

十字轴的主要失效形式是轴颈根部处的断裂，所以在设计十字轴万向节时，应保证十字轴轴颈有足够的抗弯强度。

1.2零件的工艺分析 附图1
从图纸分析十字轴的主要技术要求为：
保证φ25轴颈的尺寸精度、同轴度以及表面粗糙度，在四个轴颈上淬火硬度63~58HBC ，渗碳层深度3.1~8.0。

加工表面及其要求为：
25φ轴颈： 轴颈尺寸02
.004.025--Φ○
E ，两端倒角C2，表面粗糙度63.0Ra 。

两垂直轴颈位置度误差φ0.02○
M 。

轴端面：保证尺寸，表面粗糙度为25.1Ra 。

6φ孔：孔径6φ,表面粗糙度20Ra
8φ孔：孔径8φ，表面粗糙度20Ra M8-7H ：为螺距为mm 1的单线粗齿普通螺纹
二、工艺规程设计
2.1确定毛坯的制造形式
2.1.1确定零件材料
零件材料为低合金钢材料20CrMnTi ，成份均匀稳定、淬透带窄、晶粒细小、纯净度高、
表面质量良好、热顶锻性能优良等优点。

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mm 30<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。

2.1.2确定毛坯的制造方法
十字轴在工作过程中经常承受交变载荷及冲击性载荷，因此应该选用锻件，以使金属纤
维尽量不被切断，保证零件工作可靠。

由于零件年产量为8000件，已达到大批生产的水平，而且零件的轮廓尺寸不大，故可采用模锻成型。

这对于提高生产率、保证加工质量也是有利的。

2.2基面的选择
2.2.1粗基准的选择
由于附图1所示的十字轴零件图上多数尺寸及形位公差以φ25轴颈以及端面为设计基准，因此必须首先将φ25轴颈及其端面加工好，为后续工作准备基准。

按照粗基准的选用原则互为基准结合本零件的具体情况选用三个轴颈为粗基准加工端面。

利用V 形块支承25φ轴颈作为定位面以消除→
x 、→
y 、⋂x 、⋂
y 四个自由度，再用一对弯板压紧毛坯用以消除→
z 、⋂
z 两个自由度，达到完全定位。

2.2.2精基准的选择
轴颈：双顶尖孔
8φ孔、6φ通孔、M8-7H 螺纹孔都选用25φ轴颈外圆及其端面作为精基准。

2.3制定工艺路线
2.3.1工艺路线方案一
工序1：模锻及热处理
工序2：粗铣四轴颈端面并打中心孔 工序3：粗车25φ四轴颈并倒角 工序4：半精车25φ四轴颈并倒角 工序5：精铣端面
工序:6：粗磨25φ四轴颈
工序7：钻 8φ孔、钻 6φ通孔、及锪 60孔 工序8：钻侧面M8—7H 底孔、攻M8—7H 螺纹 工序9：中间检查
工序10：热处理—渗碳、淬火、回火 工序11：精磨25φ四轴颈 工序12：终检 工序13：涂油、封装 2.3.2工艺路线方案二 工序1：模锻 工序2：热处理 工序3：粗铣端面 工序4：打中心孔
工序5：粗车25φ四轴颈并倒角 工序6：半精车25φ四轴颈并倒角 工序7：精铣端面 工序8：粗磨25φ四轴颈 工序9：钻8φ孔 工序10：钻6φ孔 工序11：锪 60孔
工序12：钻侧面M8—7H 底孔 工序13：攻M8—7H 螺纹工序 工序14：中间检查
工序15：热处理—渗碳、淬火、回火 工序16：精磨25φ四轴颈 工序17：终检 工序18：涂油、封装
2.3.3工艺方案的比较与分析
方案一属于工序集中原则，每个工序中包括尽可能多的工步内容，因而总的工序数目减少，夹具的数目和工件的安装次数就减少。

有利于保证各个加工面的相互位置精度要求，有利于采用高效率机床，节省装夹工件的时间，减少工件的搬动次数。

方案二属于工序分散原则，将工艺路线中的工步内容分散在更多的工序中完成。

可使每个工序使用的设备和夹具比较简单，调整、对刀也容易，对操作个人的技术水平要求较低。

十字轴属于大批量生产，加工精度要求比较高，综合考虑，采用方案一。

考虑经济精度，方案1端面达不到粗糙度要求，必须对端面磨削。

所以方案一工序调整为：
工序1：模锻及热处理 选用模锻设备及热处理设备
工序2：粗铣四轴颈端面并打中心孔 选用X6025铣床及专用夹具
工序3：粗车25φ四轴颈并倒角 选用CA6140车床及专用夹具 工序4：半精车25φ四轴颈并倒角 选用CA6140车床及专用夹具 工序5：精铣端面 选用X6025铣床及专用夹具 工序6：钻 8φ孔、钻 6φ通孔、及锪 60孔 选用CL6140转塔车床及三爪卡盘 工序7：打中心孔 选用Z525钻床及专用夹具 工序8：钻侧面M8—7H 底孔 选用Z525钻床及专用夹具 工序9：攻M8—7H 螺纹 选用Z525钻床及专用夹具 工序:10：粗磨25φ四轴颈 选用M1412磨床及专用夹具 工序11：热处理—渗碳、淬火、回火 选用渗碳炉、高频淬火机等热处理设备 工序12：精磨25φ四轴颈 选用M10100无心专用夹具 工序13：半精磨端面 选用M1412磨床及专用夹具 工序14：终检 工序15：涂油、封装
以上工艺过程详见“机械加工工艺过程卡片”
2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定
2.4.1外圆表面
查参考资料[1]表2-15、2-16、2-13确定各工序的加工余量及经济精度，按入体原则计算各尺寸的公差。

最后确定外圆表面的加工余量如下表（表2-1）所示：
2.4.2十字轴端面
查参考资料[3]表9-19确定各工序的加工余量及经济精度，按入体原则计算各尺寸的公差。

最后确定端面的加工余量如下表（表2-2）所示：
称 量/mm 经济精度
表面粗糙度
/mm
寸公差/mm
半精磨 0.6 )(80054.0-h 25.1Ra 108
02
.0074.0108-- 精铣 1 )(90089.0-h 5.2Ra 108+0.6=108.6 02.0109.06.108-- 粗铣 1.4 )(12035.0-h
10Ra 108.6+1=109.6
02.037.06.109--
毛坯
1±
109.6+1.4=111 1111±
2.4.3确定毛坯尺寸
根据十字轴端面和外圆面的加工余量确定毛坯尺寸图如下图（图2—1）所示：
2.5确定切削用量及基本工时
2.5.1工序3：粗车25φ四轴颈并倒角 2.5.1.1加工条件
工件材料：20CrMnTi, GPa b 6.0=σ,模锻。

加工要求：粗车25φ外圆，表面粗糙度16Ra 机床： CA6140卧式车床
刀具：刀片材料YT15，刀杆尺寸为mm mm 2516⨯，
90=r κ， 15=o γ， 8=o α，mm r 5..0=ε 2.5.1.2计算切削用量
1）确定背吃刀量
粗加工余量为mm 5.1，一次性加工，被吃刀量mm a p 75.0=
2）确定进给量f ：根据参考资料[3]表11-28，当刀杆尺寸为mm mm 2516⨯，
mm a p 75.0≤，以及工件直径为mm 25时
r mm f /7.0~5.0=
按CA6140车床说明书取r mm f /51.0=
3）计算切削速度：按[2]P83，切削速度的计算公式为（寿命选min 60=T ）
v y x p m v c k f
a T C v v
v
=
式中，242=v C ，15.0=v x ，35.0=v y ，2.0=m ，44.1=Mv k ，8.0=sv k ，04.1=kv k ，97.0=Bv k ，81.0=krv k 所以
min /75.13281.097.004.18.044.151.075.060242
35
.015.02.0m v c =⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
4)确定机床主轴转速：
min /169125
14.375
.132********r d v n w c s =⨯⨯==
π 说明加工此工件对主轴转速没要求，通常取机床主轴转速为min /960r ，所以实际切削速度min /4.84m v c = 2.5.2工序8：钻侧面M8—7H 底孔 2.5.2.1加工条件
加工要求：钻侧面M8—7H 底孔，表面粗糙度20Ra 机床： Z525钻床
刀具： 攻螺纹前用莫氏锥柄阶梯麻花钻mm d 8.61=、mm d 92=、mm l 182=、
mm l 801=、mm L 120=
2.5.2.2确定切削用量
根据参考资料[3]表11-266，选切削速度 min /21m v =，进给量r mm f /2.0=，钻头螺旋角为030钻尖角为0118
min /5.9838
.614.321
10001000r d v n w c s =⨯⨯==
π 选机床主轴转速为min /976r ，所以实际切削速度min /20m v c = 2.5.2.3计算切削工时
机动工时为1t t f
n l t w +∆+=
其中，进给路程mm l 40=，停顿时间s t 2=∆，快速
移动时间s t 51=
则机动时间为s s t 20522.06097640=++⨯=
辅助时间为s t 30'=
最后，将以上各工序切削用量、工时定额的计算结果，连同其他加工数据，一并填入“机械加
工工艺过程卡片”和“机械加工工序卡片”中。

三、专用夹具设计
为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。

夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装备，它广泛地运用于机械加工，检测和装配等整个工艺过程中。

在现代化的机械和仪器的制造业中，提高加工精度和生产率，降低制造成本，一直都是生产厂家所追求的目标。

正确地设计并合理的使用夹具，是保证加工质量和提高生产率，从而降低生产成本的重要技术环节之一。

同时也扩大各种机床使用范围必不可少重要手段
3.1 设计主旨
本夹具主要用来钻侧面M8—7H 底孔，后面还需要攻螺纹。

此孔主要用来连
接油路管道，精度要求不是太高，没有技术要求。

因此，在本工序加工时主
要考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度，而其位置尺寸为自由公
差，精度不是主要问题。

3.2 夹具设计
3.2.1定位基准的选择
由零件图可知，侧面M8—7H 底孔没有技术要求，为使定位误差为零，
应该选择十字轴的两个轴线为定位基准保证该底孔位置。

因此，选用
标准V 形块来定位。

再采用定位销来辅助支撑。

为了装夹零件方便，现决定采用螺母副夹紧工件快换装置。

3.2.2切削力及夹紧力计算
切削刀具：高速钢莫氏锥柄阶梯麻花钻，mm d 8.6=。

由实际加工的经验可知,钻削时的主要切削力为钻头的切削方向,
即垂直于工作台,查《切削手册》表2.3，切削力计算公式为：
F F F k f d C F y Z F f 0=
其中：410=C F ，2.1=Z F ，75.0=y F ，mm d 8.6=。

22.0=f ，k k k k hF xF MF F ⋅⋅=，
k MF 与加工材料有关,取0.94；k xF 与刀具刃磨形状有关,取1.33；k hF 与刀具磨
钝标准有关,取1.0，则：
N F 56.164225.122.08.641075.02.1=⨯⨯⨯=
在计算切削力时，必须考虑安全系数，安全系数一般为5.2~5.1=K
夹紧力N N KF F 330056.164220≈⨯==
3.2.3定位误差分析
3.2.3.1定位元件尺寸及公差的确定
夹具的主要定位元件为两个V 形块，这两个V 形块的尺寸与公差规定为与本零件在工作时与其相匹配轴的尺寸与公差相同。

此外，这两个V 形块共同保证加工孔中心的位置。

3.2.3.2计算钻套中心线与工作台的垂直度误差
钻套外径与衬套孔的最大间隙为：
026.0)011.0(015.0max =--=∆
则钻套中心与工作台平面的垂直度误差为：0.026-0.005=0.021。

3.2.3.3计算定位V 形块与工作台的平行度误差。

定位销轴与夹具体孔的最大间隙为：
034.0001.0035.0max =-=∆
夹具体孔的长度为mm 18，则上述间隙引起的最大平行度误差为：18/034.0，即100/189.0。

3.3 夹具设计及操作的主要说明
如前所述，在设计夹具时，应该考虑提高劳动生产率。

为此，设计采用了快换装置。

拆卸时，松开夹紧螺母1~2扣，拔下开口垫圈，实现工件的快换。

攻螺纹时，松开压紧螺母即可替换可换钻套，进行攻螺纹加工。

参考文献：
[1]、王先逵主编,机械制造工艺学(第2版),机械工业出版社,2011年.
[2]、吴拓主编,机械制造工艺与机床夹具课程设计指导（第二版），机械工业出版社,2009年.
[3]、侯德政主编，机械制造工艺课程设计指导书，北京理工大学出版社，2010年.
[4]、朱耀祥、浦林祥主编,现代夹具设计手册,机械工业出版社,2009年.
[5]、金属切削机床夹具设计手册.上海柴油机厂工艺设备研究所编,
机械工业出版社，1987年.。