河北机电职业技术学院
机械工程系
花键传动轴的机械加工工艺规程编制
班级机制0705
专业机械制造与自动化
学号 020*********
学生姓名刘辉
指导教师
完成日期 2012 年 6月
序言
随着机械制造业的不断发展，社会对生产率的要求也越来越高机械制造毕业设计涉及的内容比较多，它是基础课、技术基础课以及专业课的综合，是学完机械制造技术基础（含机床夹具设计）和全部专业课，并进行了实训的基础上进行的，是我们对所有课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们三年大学生活中占有重要的地位。
本次毕业设计使我们能综合运用机械制造的基本理论，并结合生产实践中学到的技能知识，独立地分析和解决工艺问题，初步具备设计花键传动轴的能力也是熟悉和运用有关手册、图表等技术资料及编写技术文件等基本技能的一次实践机会。
摘要
花键轴的主要作用是用于传递扭矩。多齿工作，承载能力高，对中性好，导向性好，齿根较浅，应力集中小，轴与毂强度削弱小，加工方便，能用磨削方法获得较高的精度。标准中有两个系列（轻系列和中系列）。
主要用于机床制造业。精度要求较高。花键轴的轴与毂强度削弱小，加工比较方便，用磨削方法可以获得较高的精度。齿廓为渐开线，受载时齿上有径向力，能起自动定心作用，使各齿受力均匀，强度高寿命长，加工工艺与齿轮相同，易获得较高精度和互换性。
关键词：受力，加工精度，毛坯选择。
目录
一零件分析 (5)
（一）工件的作用 (5)
（二）花键轴的历史 (6)
二工艺规程设计 (6)
（一）确定毛坯的制造形式 (6)
（二）基面的选择 (6)
（三）制定工艺路线 (6)
（四）机械加工余量、工序尺寸及毛皮尺寸的确定 (8)
（五）确立切削用量及基本工 (8)
三夹具设计 (15)
四附录 (18)
五致谢 (19)
五参考文献 (20)
一、零件的分析
（一）零件的作用
1、作用：是机械传动一种，和平键、半圆键、斜键作用一样，都是传递机械扭矩的，
2、结构：在轴的外表有纵向的键槽，套在轴上的旋转件也有对应的键槽，可保持跟轴同步旋转。在旋转的同时，有的还可以在轴上作纵向滑动，如变速箱换档齿轮等。
3、应用举例：在制动器、转向机构。还有一种是可伸缩的轴，由内外管组成，外管有内齿，内管有外齿，套在一起。使用时在传递旋转扭矩的同时，在长度方向可以伸缩。
4、材质：40MnB，硬度为255—302HB
5、热处理。淬火表面硬度HRC45—50
本产品主要用于机械车床使用。
（二）花键轴的历史
1674年丹麦天文学家罗默首次提出用外摆线作齿廓曲线，以得到运转平稳的花键轴。花键轴在一定的行业中能够发挥重要的作用和性能，按照原理和工作程序进行生产和加工，保证能够在生产中发挥重要的作用。18世纪工业革命时期，花键轴技术得到高速发展，人们对花键轴进行了大量的研究。1733年法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律；
1765年瑞士数学家欧拉建议采用渐开线作齿廓曲线。19世纪出现的滚齿机和插齿机，解决了大量生产高精度齿轮的问题。1900年,普福特为滚齿机装上差动装置，能在滚齿机上加工出斜齿轮，从此滚齿机滚切齿轮得到普及，展成法加工齿轮占了压倒优势，渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。
1899年，拉舍最先实施了变位齿轮的方案。变位齿轮不仅能避免轮齿根切，
还可以凑配中心距和提高花键轴的承载能力。1923年美国怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮，
1955年苏诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究，圆弧齿轮遂得以应用于生产。这种齿轮的承载能力和效率都较高，但尚不及渐开线齿轮那样易于制造，还有待进一步改进。。
二、工艺规程设计
(一) 确定毛坯的制造形式
选择锻件毛坯。
1确定坯料质量和锻件尺寸
(1)、确定坯料质量
坯料质量包括锻件本身的质量、加热时氧化烧损、切头时的损失及冲孔时的芯料损失等。
1) 计算锻件质量根据锻件的形状和基本尺寸，可计算出锻件的质量：
m
锻
＝ pV
式中 m
锻
—锻件质量；
p—锻件材料的密度（ kg/dm3）取7.85kg /dm3；
V —锻件的体积（ dm3）；
由此计算得：m
锻
＝ pV = 7.85 kg /dm3×3.470 dm3 = 27.24 kg
2) 计算坯料质量坯料的质量包括锻件本身的质量、加热时氧化烧损、切头时的损失及冲孔时的芯料损失等。其计算公式为：
m
坯＝ m
锻
＋ m
烧
＋ m
切
＋ m
芯
式中 m
坯
—坯料质量（ kg ）；
m
锻
—锻件质量（ kg ）；
m
烧
—氧化烧损的质量（ kg ），
m
切
—表示对拔长工件的切头损失（ kg ）；
m
芯
—冲孔时冲掉的芯料损失（ kg ）；
m
烧
一般按火次进行估算，如第一火取锻件质量的 2.0% ～ 3.0% ，以后各火一
般取锻件质量的 1.5% ～ 2.0% ；m
切
一般按下面经验公式估算：对于该零件圆形截
面 m
切＝ 1.81 ，其中D 为切头部分直径（ dm ）；零件没有冲孔，故， m
芯
= 0kg。
所以，m
坯＝ m
锻
＋ m
烧
＋ m
切
＋ m
芯
＝27.24×（1+1.5%）+1.81×0.623 ＝28.08(kg)
(2)、确定坯料尺寸
坯料尺寸的确定与所采用的第一道基本工序（镦粗或拔长）有关，所采用的工序不同，确定的方法也不一样。
此零件应采用拔长法锻制锻件，钢坯拔长时所用截面A
坯
的大小应保证能够得到所要求的锻造比，即
A
坯≥YA
锻
式中 Y—锻造比；
A
锻
—锻件的最大横截面积（cm2）；
A
坯
—坯料的横截面积（cm2）。
按锻造比Y及锻件最大横截面积求出D
坯，
即
Y＝ A
坯/A
锻
＝D2
坯
/D2
锻
＝D2
坯
/D2
锻
所以 D2
坯=Y D2
锻
D
坯＝D
锻
＝62mm(取65mm)
根据坯料总质量（前已求出），可得出坯料体积（V
坯
）由此即可确定坯料长度
（L
坯
），即，
V
坯＝m
坯
/ρ
坯
所以 L
坯＝V
坯
/ A
坯
= 4V
坯
/πD2
坯
＝4×28.08/7.85/π/0.652
＝10.785dm＝1078.5mm(取1080mm)
所以，L
坯
＝1080mm。
2,变形或缺陷分析
缺陷的分析是在锻造前和锻造后进行的工艺，锻件的缺陷包括表面缺陷和内部缺陷。对锻件的缺陷进行分析是避免在零件应用的过程中出现意外，使锻件能达到工作中的安全系数，避免出现一些不该有的麻烦。锻件的缺陷包括表面缺陷和内部缺陷。有的锻件缺陷会影响后续工序的加工质量，有的则严重影响锻件的性能，降低所制成品的使用寿命，甚至危及安全。
以下是对在锻造工艺中的各种缺陷进行分析：
1.原材料的主要缺陷及其引起的锻件缺陷：表面裂纹、折叠、结疤等；
2.备料不当产生的缺陷：切斜、坯料端部弯曲并带毛刺、坯料端部凹陷等；
3.加热工艺不当产生的缺陷：脱碳、过热、过烧、加热裂纹等；
4.锻造工艺不当常产生的缺陷：大晶粒、晶粒不均匀、冷硬现象、裂纹；
5.锻后冷却工艺不当常产生的缺陷：冷却裂纹、网状碳化物；
6.锻后热处理工艺不当常产生的缺陷：硬度过高或者硬度不够、硬度不均匀；
7.锻后清理工艺不当产生的缺陷：酸洗过度、腐蚀裂纹。
因此，为了提高锻件质量，避免锻件缺陷的产生，应采取相应的工艺对策，同时还应加强生产过程的质量控制。应当避免以上缺陷。
（二）基面的选择
（1）基准的选择：
该零件既是花键轴又是阶梯轴，其加工精度又要求较高，因此选中心孔B3/7.5做为设计和工艺基准。
（三）制定工艺路线
制定工艺路线的出发点,应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证,在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用万能性机床配以专用工卡具,并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。
1.工艺路线方案一
工序一下料
工序二夹一端，车端面，见平即可，钻中心孔B3/7.5
工序三倒头装夹工件，车端面，保证总长175
工序四以中心孔定位装夹工件粗车外圆各部。
工序五去毛刺
工序六以两中心孔定位装夹工件。精车,半精车各部尺寸，倒角
工序七一夹一顶装夹工件，粗，精铣花键
工序八热处理：调质处理255—302HB
工序九按图样要求检查各部尺寸及精度。
2．工艺路线方案二
工序一下料
工序二车端面
工序三打中心孔
工序四以中心孔定位装夹工件粗车外圆去毛刺
工序五半精车外圆尺寸
工序六精车各部分尺寸
工序七倒角
工序八研磨
工序九粗，精铣键
工序十热处理、调制
工序十一检验各部分尺寸及其精度
工序十二入库
因为此花键轴精度要求较高。且为小批量生产。故选择方案二。
（四）机械加工余量、工序尺寸及毛皮尺寸的确定
“花键传动轴”；零件材料为40MnB，硬度为255—302HB，毛坯质量为6.37ｋｇ。生产类型为小批量生产，锻造毛坯。
据以上原始资料及加工路线，分别确定各加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下：
1. 外圆表面延轴线方向长度方向的加工余量及公差（φ32内孔及端面）。
查《机械制造工艺设计简明手册》表2.2～2.5，取φ20，φ50端面长度余量均为2.5（均为双边加工）
车削加工余量为：
粗车 1.5mm
半精车 1mm
3. 其他尺寸直接锻造得到
由于本设计规定的零件为小批量生产，应该采用调整加工。因此在计算最大、最小加工余量时应按调整法加工方式予以确认。
（五）确立切削用量及基本工 工序一 下棒料
1. 加工条件
工件材料：40MnB ，σ b =0.6GPa 《机械工程材料》表5—6 ，255—3 02HB ，型钢。
机床：CR6150《工艺手册》表7—4
刀具：W18Cr4V 高速钢 ，牌号W18，硬度63—66HRC ，
Ａ型机夹切断车刀：ｈ=20ｍｍ，ｂ=22ｍｍ，Ｌ=125ｍｍ。 2. 切削用量
1）切削深度 因为是切断，所以a p = 36ｍｍ。《工艺手册》表11—29 2）进给量 ｆ=0.20ｍｍ/ｒ《工艺手册》表11—29 3）查后刀面最大磨损及寿命
查《工艺手册》表11—25，后刀面最大磨损为0.4—0.6ｍｍ。寿命T=60ｍｉｎ。
4）计算切削速度
由《机械加工工艺手册》表8·4—8，(以下称《工艺手册2》)得，
v
v
v
c x y m p C V T a f
=
算得 c V =70ｍ/ｍｉｎ。
5）确定机床主轴转速
1000c
s w
V n d π=
=319ｒ/ｍｉｎ。 按机床说明书(见《工艺手册》表4.2),与319ｒ/ｍｉｎ相近 的机床转速为360ｒ/ｍｉｎ,故选择360ｒ/ｍｉｎ的转速. V f =ｆｎ=0.20×360=72ｍｍ/ｍｉｎ. 所以实际切削速度为ｖ=79ｍ/ｍｉｎ. 6) 计算基本工时
t m ＝L/ V f =36/72=0.5ｍｉｎ.
工序二 粗车端面，钻中心孔 1. 加工条件
工件材料：40MnB ，σ b =0.6GPa 《机械工程材料》表5—6 ，24—38HRC ，型钢。 加工要求：粗车M24×1.5—8ｇ端面，钻中心孔。 机床：CR6150《工艺手册》表7—4
刀具：ＷＣ+Ｔｉ+Ｃ。硬质合金钢车刀，牌号YT15，硬度78HRC ，《工艺手册》表10—3。
45°端面铣刀尺寸；Ｌ=140ｍｍ，ｈ=25ｍｍ，ｂ=16ｍｍ。《工艺手册》表10—99。 2. 切削用量
1）切削深度： a p= 3ｍｍ 《工艺手册》表11—26。 2）进给量 ：ｆ=0.25ｍｍ/ｒ 《工艺手册》表11—26。 3）查后刀面最大磨损及寿命
查《工艺手册》表11—25，后刀面最大磨损为1.0—1.4ｍｍ。寿命T=60ｍｉｎ。 4）计算切削速度
由《工艺手册2》表8·4—8，得，
v
v
v
c x y m p C V T a f
==138 ｍ/ｍｉｎ.
5）确定机床主轴转速
1000c
s w
V n d π=
=628ｒ/ｍｉｎ。按机床说明书(见《工艺手册》表4.2),与628ｒ/ｍｉｎ相近 的机床转速为600ｒ/ｍｉｎ. ,故选择600ｒ/ｍｉｎ的机床. 所以实际切削速度为ｖ=120ｍ/ｍｉｎ. V f =ｆｎ=0.25×600=150ｍｍ/ｍｉｎ。 6) 计算基本工时
t m ＝L/ V f =36/150=0.24ｍｉｎ
查《工艺手册》表10—180，选用带护锥中心钻（B 型）
ｄ=2.50ｍｍ，材料为高速钢。主轴转速ｎ=628ｒ/ｍｉｎ，切削深度=10ｍｍ。
工序四 粗车
1．加工条件
工件材料：40MnB ，σ b =0.6GPa 《机械工程材料》表5—6 ，24—38HRC ，型钢。 加工要求：粗车外圆各部。
机床：CR6150《工艺手册》表7—4。
刀具：ＷＣ+Ｔｉ+Ｃ。硬质合金钢车刀，牌号YT15，硬度78HRC ，《工艺手册》表10—3。
95°外圆车刀，Ｌ=140ｍｍ，ｈ=25ｍｍ，ｂ=16ｍｍ。《工艺手册》表10—100。 2. 切削用量
1）切削深度： a p= 3ｍｍ 《工艺手册》表11—26。 2）进给量 ：ｆ=0.75ｍｍ/ｒ 《工艺手册》表11—26。 3）查后刀面最大磨损及寿命
查《工艺手册》表11—25，后刀面最大磨损为1.0—1.4ｍｍ。寿命T=60ｍｉｎ。 4）计算切削速度
由《工艺手册2》表8·4—8，得，
v
v
v
c x y m p C V T a f
==123ｍ/ｍｉｎ。
5）确定机床主轴转速
1000c
s w
V n d π=
=612ｒ/ｍｉｎ。根据机床选取ｎ=600ｒ/ｍｉｎ。 V f =ｆｎ=0.75×600=450ｍｍ/ｍｉｎ。 所以实际切削速度为ｖ=120ｍ/ｍｉｎ。
粗车不同轴处的切削速度：V c2 =∏ｄｎ/1000=90ｍ/ｍｉｎ。 V c3=∏ｄｎ/1000=87ｍ/ｍｉｎ。 V c4=∏ｄｎ/1000=69 ｍ/ｍｉｎ。 V c5=∏ｄｎ/1000=60ｍ/ｍｉｎ。 V c6=∏ｄｎ/1000=49ｍ/ｍｉｎ。 6) 计算基本工时
t m ＝L/ V f =260/450=0.577ｍｉｎ。 工序六 精车 1．加工条件
工件材料：40MnB ，σ b =0.6GPa 《机械工程材料》表5—6 ，24—38HRC ，型钢。 加工要求：精车各部尺寸，留磨削余量0.4ｍｍ，各处倒角C1，粗、精车螺纹 机床：CR6150《工艺手册》表7—4。
刀具：ＷＣ+Ｔｉ+Ｃ。硬质合金钢车刀，牌号YT15，硬度78HRC ，《工艺手册》
表10—3。
95°外圆车刀，Ｌ=140ｍｍ，ｈ=25ｍｍ，ｂ=16ｍｍ。《工艺手册》表10—100。 2. 切削用量
1）切削深度： a p=1.6ｍｍ，《工艺手册》表11—27。 2）进给量 ：ｆ=0.14 ，《工艺手册》表11—27。 3）查后刀面最大磨损及寿命
查《工艺手册》表11—25，后刀面最大磨损为0.4—0.6ｍｍ。寿命T=60ｍｉｎ 4）计算切削速度
由《工艺手册2》表8·4—8，得，
v
v
v
c x y m p C V T a f
==198ｍ/ｍｉｎ。
5）确定机床主轴转速
1000c
s w
V n d π=
=955ｒ/ｍｉｎ 根据机床选取ｎ=900ｒ/ｍｉｎ V f =ｆｎ=0.14×900=126ｍｍ/ｍｉｎ。 所以实际切削速度为ｖ=176ｍ/ｍｉｎ。
精车不同轴处的切削速度： 2c V 1000dn π==131ｍ/ｍｉｎ 3c V 1000
dn
π==125ｍ/ｍ
ｉｎ
4c V 1000dn π=
=100ｍ/ｍｉｎ 5c V 1000dn π==86ｍ/ｍｉｎ 6c V 1000
dn
π==68ｍ/ｍｉｎ
6）计算基本工时
t m ＝f L
V =2ｍｉｎ
工序八 磨削 1．加工条件
工件材料：40MnB ，σ b =0.6GPa 《机械工程材料》表5—6 ，24—38HRC ，型钢。 加工要求：以两孔定位装夹工件。粗，精磨外圆各部至图样尺寸。
机床：万能外圆磨床MW1420，表面粗糙度0.16ｕｍ，《工艺手册》表7—117。 选取陶瓷剂平行小砂轮，由《工艺手册》中磨料选择各表中，选择结果为 WA46KV6P20×4×6其含义为：砂轮磨料为白刚玉，粒度为#46，硬度为中软1级，陶瓷结剂， Ｄ=35ｍｍ，Ｈ=10ｍｍ，ｄ=6ｍｍ。《工艺手册》表
10—281 2. 切削用量
根据《工艺手册》表11—172查得，p a =0.0222ｍｍ/ｓｔ 工件纵向进给量
a f =0.5ｍｍ/ｒ， 砂轮速度V 砂=20ｍ/ｍｉ，转速n 砂=1050ｒ/ｍｉｎ. 3、切削工时
当加工1个表面时 121000b a r LbZ K
t vf f =
（见《工艺手册》表6.2-8）
式中 Lb ——加工面积
b Z ——单面加工余量0.2 K ——系数1.10 v ——工作台移动速度
a f ——工作台往返一次砂轮轴向进给量 r f ——工作台往返一次砂轮径向进给量
1t ≈0.822min
工序九 铣花键 1．加工条件
工件材料：40MnB ，σ b =0.6GPa 《机械工程材料》表5—6 ，24—38HRC ，型钢。 加工要求：一夹一顶装夹工件，粗，精铣花键 机床：X62W 2. 切削用量
选取铣刀类型及其参数：根据花键轴参数，选取高速钢尖齿槽铣刀，其直径D=40，铣刀厚度L=18，齿数Z=16
选取每齿进给量af:根据铣刀结构及其参数，加工性质和铣削宽度 ae=(120-112)/2=4mm
按表选取每齿进给量a f=0.04mm/z
确定刀具耐久度T ：按表18。2-14确定铣刀耐久度T=120min
选择切削速度V ：根据表18.2-14选取切削速度V ，按条件D=40； L=10-16；Z=16；T=120min 和af=0.04mm/z ，取V1=45m/min ，又根据不同的加工条
件进行修正计算。
按表18.2-19，工件硬度为255—302HB时，取Kmv=1.27，最后确定V=V1，Kmv=45×1.27=57.15m/min.
确定铣床主轴转速N
N=100V/∏D=1000×57.15/∏×100=181.91r/min
根据X62W型铣床说明书，选定N‘=190r/min
最后确定的切削速度为：
V=∏×100×190/1000=59.69r/min
确定每分钟进给量Vf
Vf=Af×Z×N‘=0.04×18×190=136.8mm/min
根据X62W铣床说明书，确定Vmm/min
校验机床电动机功率：选取切削功率Pm=1.1kw,
按公式Pm≤η×Pe,则
1.1≤0.85×7.5
1.1＜6.375
所以满足要求
计算纵向工作台的工作行程长度：
L=l+L1+L2
花键长度l=95mm，则L1=21mm
取L2=3mm,L=400+21+3=424mm
(3) 切削工时
计算机动时间：
Tm=LN/Vf=424×10/118=35.9min
三、 夹具设计
1．定位基准的选择
出于定位简单和快速的考虑，选择中心孔B3/7.5为基准，即一端夹紧，另外一端顶住，使工件定位。再使用快速螺旋夹紧机构进行夹紧。
2． 切削力和卡紧力计算
铣削切削力的确定： 0.860.86
0.72f p p z p F C a f D
B z K -
= 算得f F =25.71N
注： F ——铣削力（N ）；
p C ——在高速钢（Ｗ18r C 4V ）铣刀铣削时，考虑工件材料及铣刀类型的系数；
p a ——铣削深度（ｍｍ）
，指铣刀刀齿切入和切出工件过程中，接触弧在垂直走刀方向平面中测得的投影长度；
z f ——每齿进给量（ｍｍ）； D ——铣刀直径（ｍｍ）；
B ——铣削宽度（ｍｍ）（指平行于铣刀轴线方向测得的切削层尺寸）；
z ——铣刀的齿数；
p K ——用高速钢（Ｗ18r C 4V ）铣刀铣削时，考虑工件材料机械性能不同的修正系数。 切削扭矩的确定： 20.80.34p M D f K == 20.80.34120.1 2.8???=21.7N ·ｍ
夹紧力的确定：
防止工件转动：12sin
2
sin 2K KM W R R θ
θ
μμ=
+
2.80821.7?（N ）
34
sin
2sin 2
f K KF W θ
θμμ=
+
2.80825.7142.54()N ?= 所以工件所需的实际切削力为42.54N 。
3 夹具设计及操作的简要说明
因切削力不大故使用三抓卡盘一夹一定。其加紧力能够满足切削力的要求。夹具的夹紧力不大，故使用手动夹紧。为了提高生产力，使用快速螺旋夹紧机构。
本次夹操作相对的简单，首先把底座和夹具体、尾座用螺栓连接。再接上分度装置，调整期对中性。
夹具使用的注意事项、包养及维护： （1） 使用前对限位尺寸检查是否还保持正确的位置，对轴承进行使用前润滑。
（2） 如果挡销磨损超差，可以进行打磨修复。遇过插销、定位锥头磨损超差，可以重新组装，错开磨损部位后继续使用。 （3）
使用后需要涂防锈油。
附录
1.工序过程卡片一张
2.工序卡片八张
3.零件图一张
4.夹具体图一张
5.零件图一张
致谢
经过这次课程设计，对以前学习过的课程有了一定的复习，并在课程设计中发现了自己的不足之处，在以后的学习过程中可以加以弥补。这次课程设计对我来说最大的作用是，为紧接下来的毕业设计打了一个基础，有了一次独立作业的机会，可以少犯一些错误，少走一些弯路。在这次课程设计中，有以下体会；一是不能拖，要尽快做，按着进度一步一步做下去；二是对自己要严要求，不能随便搞一下。三是要学会查资料，利用各种工具书，特别是手册。四是整个设计过程应该是先紧后松，而不是倒过来。五是要善于发现问题，与指导老师交流。
本论文的顺利完成，离不开王祖伟老师、同学和朋友的关心和帮助，在此由衷地感谢他们指导和帮助。通过这次设计我学习到了更多有关钻夹具和孔加工工艺方面的知识，王老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、
孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。
感谢各位毕业答辩老师的审批，再次向你们致以真挚的谢意！
参考文献
1.《机械制造技术》王明耀主编机械工业出版社
2．《机械加工工艺手册》杨叔子主编机械工业出版社
3.《机械工程材料》文九巴主编机械工业出版社
4. 《机械制图》金大鹰主编机械工业出版社
5. 《金属切削机床夹具设计手册》浦林祥主编机械工业出版社