机械基础课程设计

I机械基础课程设计题目减速器低速轴的设计与加工工艺系别机电工程系专业机电一体化技术班级2222学生姓名3333指导教师333完成日期2011-12-13河南质量工程职业学院II河南质量工程职业学院《机械基础》课程设计任务书班级姓名学号指导教师设计题目减速器低速轴的设计与加工工艺主要研究内容本设计根据减速器的内部结构设计出低速轴的基本尺寸和精度要求.设计出符合要求的减速器低速轴,其次,对该轴进行分析,确定它的材料、热处理、加工路线等主要技术指标1.轴的热处理2.轴表面的加工方法3.轴的定位基准4.划分加工阶段5.切削用量的选择入手。基本要求强度计算是使轴具有工作能力的根本保证，结构设计是合理确定轴的结构和尺寸，它除应考虑强度和钢度因素外，还要考虑使用、加工和装配等方面的许多因素。主要参考资料及文献隋冬杰主编：《机械基础》-1-1.轴的结构设计1.1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=48.3mm∴选d=50mm1.2轴的结构设计1.2.1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。1.2.2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=2cc=1.5mmII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-2-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=85mmIII段直径d3=65mm，L3=55mm根据轴承安装要求，轴肩高h=2.5mmⅣ段直径d4=70mm，L4=80mmⅤ段直径d5=82mm.长度L5=9mmⅥ段直径d6=65mm，长度L6=23mm由上述轴各段长度可算得轴支承跨距L=299mm1.2.3按弯矩复合强度计算1.求分度圆直径：已知d=3×Z1=27mm2.求转矩：已知T1=544350N·mm3.求圆周力：Ft根据参考文献P267得Ft=2T1/d1=2×544350/324=3360N4.求径向力Fr根据参考文献P267得Fr=Ft·tanα=3360×tan200=1220N2.2轴的受力图1)绘制轴的受力图如图a2）水平面内的弯矩图(图b)，支点反力为：FHA=FHB=Fr/2=1680N-3-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·mm5)绘制扭矩图（如图e）转矩：aT=0.6×544.35=326610N·mm6)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·mm7)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1.1减速器低速轴-4-2.零件的工艺过程2.1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。-5-2.2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。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。四把火随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。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。表面热处理是只加热工件表层，以改变其-6-表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。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。化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质气体、液体、固体中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。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。-7-2.3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¢67mm→¢65mm，调头粗车外圆¢52mm→¢50mm粗车外圆¢59mm→¢57mm半精车：半精车外圆¢65.5mm→¢65.mm半精车外圆¢82.5mm→¢82mm半精车外圆¢70.5mm→¢70mm调头半精车外圆¢65.5mm→¢65mm调头半精车外圆¢50.5mm→¢50mm半精外圆¢57mm→¢57mm。磨削：磨各外圆到各设计的尺寸,磨各轴肩到各设计的尺寸。2.4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。2.5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