减速器低速轴设计及加工工艺

J20型减速器低速轴的设计及加工工艺

1 设计要求

原始资料：根据成都卡帕特科技有限公司要求，设计一减速器低速轴,传递的功率P=3.42kW，主动轮转速n=60r/min，载荷平稳，单向运转，预期寿命10年（每天按300天计），单班制工作，原动机为电动机。

设计应完成的任务：设计出一个符合上述要求的轴，画出零件图，根据轴的工作条件及性能要求确定轴的加工步骤，并写出轴的加工工艺。

2 轴的结构设计

2.1最小轴径的设计

按扭矩初算最小轴径本轴是属于中、小轴，在减数器重工作时要承受各种负荷和冲击载荷并且要具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，因此该轴材料选用45钢即可满足其要求。所以选用45#调质，硬度217-255HBS.根据文献P26514.4表，取c=118, 又因为设计要求P=3.42,n=60 所以, d≥(P/N)1/3118

=(3.42/60)1/3mm=46mm考虑有键槽，将直径增大5%，则d=46(1+5%)mm=48.3

mm∴选d=50mm

2.2 轴的结构设计

2.2.1轴上零件的定位，固定和装配

单级减速器中可将齿轮安排在箱体中央，相对两轴承对称分布，齿轮左面由轴肩定位，右面用套筒轴向固定，联接以平键作过渡配合固定，两轴承分别以轴肩和套筒定位，则采用过渡配合固定。

2.2.2 确定轴各段直径和长度 为了使计算方便、易懂，现画草图如下（图上的阶梯轴从左到右依次是I段、II段、III段、Ⅳ段、Ⅴ段、Ⅵ段）

2.1 轴的草图

I段：d1=50mm 长度取L1=47mm∵h=2c c=1.5mm

II段:取轴肩高3.5mm，作定位用，∴d2=57mm

初选用一对6213型角滚动轴承，其内径为65mm,宽度为23mm.

考虑齿轮端面和箱体内壁，轴承端面和箱体内壁应有一定距离。取套筒长为50mm，通过密封盖轴段长应根据密封盖的宽度，并考虑联轴器和箱体外壁应有一定矩离而定，为此，取该段长为55mm，安装齿轮段长度应比轮毂宽度小2mm,

故II段长：L2=85mm

III段直径d3=65mm， L3=55mm

根据轴承安装要求，轴肩高h=2.5 mm

Ⅳ段直径d4=70mm， L4=80mm

Ⅴ段直径d5=82mm. 长度L5=9mm

Ⅵ段直径d6=65 mm，长度L6=23 mm

由上述轴各段长度可算得轴支承跨距L=299mm

2.2.3 按弯矩复合强度计算

1.求分度圆直径：已知d=3×Z1=27mm

2.求转矩：已知T1=544350N·mm

3.求圆周力：Ft

根据参考文献P267得 Ft=2T1/d1=2×544350/324=3360N

4.求径向力Fr

根据参考文献P267得 Fr=Ft·tanα=3360×tan200=1220N

2.2轴的受力图

1)绘制轴的受力图如图a

2）水平面内的弯矩图(图b)，支点反力为：FHA=FHB=Fr/2=1680N

由两边对称，知截面C的弯矩也对称。截面C在垂直面弯矩为

MH=FHA×64=10752(N·mm)

3) 垂直面内的弯矩图（图c）

FVA= FHB=64×Fr/2=534.79(N·mm)

截面处的弯矩为: MVI= 646.95×64=34226.56(N·mm)

4)绘制合弯矩图（如图d）

MI=(MH2+MV2)1/2=(1075202+34226.562)1/2=112836.199N·mm

5)绘制扭矩图（如图e）

转矩：aT=0.6×544.35=326610N·mm

6)绘制当量弯矩图（如图f）

转矩产生的扭剪力按脉动循环变化，取α=0.6，截面C处的当量弯矩：

Mec=[MC2+(αT)2]1/2=[112836.1992+3266102]1/2=345550N·mm

7)校核危险截面C的强度

由式（6-3）d(Mec/0.1[σ-1])1/3=238594/0.1×551/3=39.5mm 因截面C处开有键槽，故将轴直径加大5%，即为39.5×1.05=41.475mm，

结构设计草图该处直径为70mm，强度足够。轴的结构简图如下：

图2.1减速器低速

3零件的工艺过程

3.1 轴的材料

轴的失效多为疲劳破坏，所以轴对材料的要求是：具有足够的疲劳强度，对应力集中的敏感性小，具有足够的耐性，易于加工和热处理，价格合理。

轴的常用材料主要是碳素钢、合金钢和铸钢。

1．碳素钢 在轴的材料中常用的有30、35、40、45、和50等优质碳素钢，尤以45纲应用最为广泛。用优质碳素钢制造的轴，一般均应进行正火或调制处理，以改善材料的力学性能。不重要的或受力较小的轴可用Q235A、Q255A，Q275A等普通碳素钢制造，一般不进行热处理。

2．合金钢 合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能。但对应力集中较敏感，价格也较贵，因此多用于重载、高温、要求尺寸小、重量轻、耐磨性好等特殊要求的场合。需要指出的是，合金钢和碳素钢的弹性摸量相差很小，因此在形状和尺寸相同的情况下，用合金钢来替代碳素钢不能提高轴的钢度。此外在设计在设计合金钢轴时，必须注意从结构上减小应力集中和减少其表面粗糙度。

3．铸铁 球墨铸铁和高强度铸铁适应于形状复杂的轴或大型转轴。其优点是不需要锻压设备、价廉、吸阵性好，对应力集中不敏感；缺点是冲击韧性低，铸造质量不易控制。

毛坯的形式有棒料和锻造两种，前者应用与单件小批量生产，尤其是适用于光滑轴和外圆直径相差不大的阶梯轴，对于相差较大的阶梯轴则往往采用锻件。锻件还可以获得较高的抗拉，抗弯和抗扭强度。单件小批生产一般采用自由段，批量生产则采用模锻造，大批量生产时若采用带有贯穿孔的无缝钢管毛坯，能大大节省材料和机械加工量

本轴是属于中、小轴，在减数器重工作时要承受各种负荷和冲击载荷并且要具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，因此该轴材料选用45钢即可满足其要求。

根据图样可看出外圆直径尺寸相差不大，故选择¢85mm的热轧圆钢作毛坯。 3.2轴的热处理

锻造是利用锻压机械对金属坯料施加的压力，使其产生塑性变形以获得一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造能消除金属的铸态疏松,焊合孔洞,锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件.常用的锻造有轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻、板料冲压。因为轧制比较方便，所以我选择轧制。

在机器制造过程中，为使工件获得良好力学性能，或改善材料的工艺性能，常采用热处理方法。热处理就是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，获得所需组织结构与性能的一种工艺方法。

热处理是强化金属材料、提高产品质量和寿命主要途径之一。通常重要的机器零件大多数要进行热处理。如汽车、拖拉机工业中70%-80%的零件要经过热处理，机床工业中60%-70%的零件要进行热处理，各种工具则几乎100%要进行热处理。因此热处理在机械制造工业中有切削加工十分重要的地位。

根据热处理加热和冷却方式的不同，热处理可分为以下三类：

1. 整体热处理：指对工件整体进行穿透加热的热处理，主要有退火、正火、淬火和回火。

2. 表面热处理：指对工件表层进行热处理，以改变表面组织和性能的热处理，主要有火焰淬火、感应淬火等。

3. 化学热处理：指改变工件表面的化学成分、组织和性能的热处理，主要有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。

热处理的种类和方法很多，但其基本过程都由加热、保温和冷却三个阶段组成。其过程通常用“温度-时间”为坐标的曲线来表示，称热处理工艺曲线，改变加热温度、保温时间和冷却速度等参数，都会在一定程度上发生相应的组织转变，进而影响材料的性能。所以，要掌握钢的热处理规律，就必须研究钢在加热和冷却过程中的组织.综上所述制定主轴制造工艺路线：

锻造→正火→切削加工（粗）→调质→（半精）→高频感应加热表面淬火→低温回火→磨削

锻造是消除毛坯的铸态疏松，焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件. 正火的目的是为了消除和改善前一道工序即锻造所造成的某些组织缺陷及内应力，也为随后的切削加工（粗加工）及热处理做好组和性能上的准备。

调质是为以后的表面淬火作预先热处理；调质后的硬度不高，便于为以后的切削加工（半精加工）最好准备。

而高频感应加热表面淬火+低温回火作为最终热处理，高频感应加热表面淬火是为了使轴承处及锥孔表面得到高硬度、耐磨性和疲劳强度；

低温回火是为了消除应力，防止磨削时产生裂纹，并保持高硬度和耐磨性。

3.3确定轴表面的加工方法

轴大都是回转表面，主要采取车削与外圆磨削成形。由于该轴的主要表面的公差等级较高，所以外圆表面的加工方案可为：粗车→半精车→磨削。

先用夹具夹住毛坯的一端。先把¢85的毛坯粗车加工成¢83的外圆。

粗车：粗车外圆¢65mm→¢67mm 粗车外圆¢70mm→¢72mm

粗车外圆¢65mm→¢67mm， 调头粗车外圆¢50mm→¢52mm

粗车外圆¢57mm→¢59mm

半精车：半精车外圆¢65mm→¢65.5mm 半精车外圆¢82mm→¢82.5mm

半精车外圆¢70mm→¢70.5mm 调头半精车外圆¢65mm→¢65.5mm

调头半精车外圆¢50mm→¢50.5mm 半精外圆¢57mm→¢57 mm。

磨削：磨各外圆到各设计的尺寸,磨各轴肩到各设计的尺寸。

3.4 确定轴的定位基准

合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。由于该轴的几个主要配合表面及轴肩面对基准轴线A-B均有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，以保证零件的技术要求。

粗基准采用热轧圆钢的毛坯外圆。中心孔加工采用三爪自定心卡盘装夹热轧圆钢的毛坯外圆，车端面、钻中心孔。一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外圆作粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过的外圆作基准，用三爪自定心卡盘装夹，车另一端面，钻中心孔。如此加工中心孔，才能保证两中心孔同轴。

3.5 划分加工阶段

轴类零件的加工，一般可分为三个阶段：粗加工（包括铣端面打顶尖孔，粗车外圆），半精车和精加工。具体的加工工艺路线取决于轴的主要表面的加工精度和表面粗糙度要求。加工工艺路线通常是：粗车→半精车→精车→研磨→精磨。为了改善机械加工性能和提高硬度，在加工过程中，还要插入必要的热处理工序，例如：粗加工（包括切小头端面，打顶尖孔，粗车外圆，大端端面，钻通孔等）→热处理（调质）→半精加工（包括各外圆，小端。内孔，锥孔的半精车与半精镗等）→热处理（各主轴颈及锥孔高频淬火）→精加工（包括精车小端锥孔，洗键槽，钻大端面各孔，精车各档外圆及螺纹，精磨外圆及大端锥孔等）。插入热处理工序后，主轴的加工过程自然地被分为几个加工阶段。可以说，轴类零件的加工阶段的划分大至以热处理工序为界。

由此可见，整个主轴加工的工艺过程，就是以主要表面的粗加工，半精加工和精加工为主，适当插入其它表面的加工工序而组成的。这就说明，加工阶段的划分起主导作用的是工件的精度要求。对于一般精度的机床主轴，精度是最终工序，对精密机床的主轴，还要增加光整加工阶段，以求获得更高的尺寸精度和更低的表面粗糙度。