齿轮轴设计课程设计

齿轮轴设计课程设

计

《机械加工工艺规程及工装设计》

课程设计说明书

2020年4月19日

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设计题目：进给箱轴的机械加工工艺规程及钻孔

工序的专用机床夹具设计

班 级： 机制101班 设 计 者： 韩乾坤 指导教师： ***

河南机电高等专科学校

12月14日

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目 录

第一章 计算生产纲领、确定生产类型…………………………………………………………………….2 第二章 零件分析……………………………………………………………………………………………… .3 2.1 零件的结构分析……………………………………………………………………………… 3 2.2 零件的工艺分析……………………………………………………………………………… 3 第3章 毛坯的确定 ……………………………………………………………………………… 4 3.1 毛坯的选择 ……………………………………………………………………………… … 4 3.2外圆尺寸的确定………………………………………………………………………………. 4

3.3外圆表面沿轴线长度方向加工余量及公差的确定……………………………………………4 3.4毛坯图的设计……………………………………………………………………………… … 5 第4章 工艺规程的确定……………………………………………………………………………6 4.1 基准的概念和分类…………………………………………………………………………… 6 4.2进给箱轴的基准选择…………………………………………………………………… …… 6 4.3制定工艺路线 ………………………………………………………………………………….7

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第5章拟定加工工艺路线方案…………………………………………………………………… 9 第6章选择加工设备及工艺装备…………………………………………………………………11 6.1机床的选择………………………………………………………………………………… …11 6.2 刀具的选择……………………………………………………………………………… ……11 6.3量具的选择…………………………………………………………………………………… 11 第7章 确定工序尺寸…………………………………………………………………………… 13 7.1确定圆柱面的工序尺寸……………………………………………………………………… 13 7.2确定轴向工序尺寸…………………………………………………………………………… 13 7.3 确定铣槽的工序尺寸 ………………………………………………………………… …… 13 7.4磨外圆至工序尺寸………………………………………………………………………… …13 第8章 切削用量的选 ……………………………………………………………………………14 第9章 夹具的设计………………………………………………………………………… ……15 9.1专用夹具设计的基本要求 ……………………………………………………………… …15 9.2夹具的特点…………………………………………………………………………………… 15

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9.3夹具的设计要点……………………………………………………………………………… 16 9.4钻床夹具的总体设计………………………………………………………………………… 16 9.5夹具的工作原理与结构设计………………………………………………………………… 17 9.6夹具装配图总尺寸…………………………………………………………………………… 23 总 结……………………………………………………………………………………………. 25 致 谢………………………………………………………………………………………… … 26 参考文献…………………………………………………………………………………… …… 27

第1章 计算生产纲领、确定生产类型

生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各个工序所需的专业化和自动化的程度，决定了所应选用的工艺方法和工艺装备。

零件生产纲领能够按以下公式计算： N=Q n（1+ａ）（1+ｂ） N:零件的年产量（件∕年）；

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Q:产品的年产量； a：零件的备品率； b：零件的废品率。

根据原始资料得知该产品产量为8000件/年，每日1班。进给箱轴的备用品率为16%，机械加工废品率为2%，现在制定该零件的机械加工工艺规程。

产品技术要求如下: ① 锻件应消除内应力。 ② 调制处理235HB。

③ 齿部局部淬火硬度54HRC。 ④ 未注倒角1×45。

⑤ 材料45Cr，N= Q n（1+ａ）（1+ｂ）=8000×（1+16%+2%）=9440。由《机械制造工艺基础（李长胜 主

编）》查出，生产类型属于中批生产。

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第2章 零件分析

2.1零件的结构分析 2.1.1工艺特点

齿轮轴类件的工艺特点首先是它的形面特征多，在基于特征的零件信息描述中能够把它分为主特征：内外圆柱面、圆锥面、齿轮表面等；辅助特征：键槽、小平面、花键、螺纹等。另外，齿轮轴类件加工所使用的机床多，材料及热处理种类也较多。它的工艺特征如尺寸精度、形位公差、表面质量也要求较高。在机械加工中，每一种零件都有几种加工工艺方法与之对应，根据生产规模、零件整体形状和轮廓尺寸、制造资源等，针对每一特征的加工精度、表面粗糙度及不同材料选择不同加工方法。 2.1.2

1

基、

本粗

工车

艺----过车

程 床

2、热处理----箱式炉

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3456

、

、、

、

铣滚

齿

面

精

键齿

淬

火

车

槽--------高

--------滚频

淬

车铣齿火

机

床 床 机 床

7、磨---外圆磨床 8、成品检验 2.1.3 零件的功用

本零件为机械设备的进给箱轴，功用是传递动力和改变输出轴运动方向。 2.2 零件的结构工艺分析

28、49、37.5、26.5、33、25圆柱面及35齿面。其主要加工的面有28、25的外圆柱面及齿

面，1个12的内孔。由于传动与装配的要求较高，对于28、25圆柱面有较高的同轴度要求，对于28、

49、37.5、26.5圆柱面及35齿面均有径向圆跳动要求。粗糙度方面表现在：对于28、 25圆柱表面、49 、37.5 、28、33端面有较高的要求为Ra0.8m,其中齿底圆粗糙度为Ra2.5m，要求较高。其余为

Ra3.2m，这些在安排加工工艺时也需给予注意。工件上大量的圆角为r=5，加工过程中应该主意。

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第3章 毛坯的确定

3.1毛坯的选择

毛坯的选择和拟定毛坯图是制定工艺规程的最初阶段工作之一，也是一个比较重要的阶段，毛坯的形状和特征（硬度，精度，金相组织等）对机械加工的难易，工序数量的多少有直接影响，因此，合理选择毛坯在生产占相当重要的位置，同样毛坯的加工余量的确定也是一个非常重要的问题。

毛坯种类的选择决定与零件的实际作用，材料、形状、生产性质以及在生产中获得可能性，毛坯的制造方法主要有以下几种：1、型材2、锻造3、铸造4、焊接5、其它毛坯。根据零件的材料，推荐用型材或锻件，但从经济方面着想，如用型材中的棒料，加工余量太大，这样不但浪费材料，而且还增加机床，刀具及能源等消耗，本零件的主要功用是传递动力，其工作时需承受较大的冲击载荷，要求有较高的强度和韧性，以使金属纤维尽量不被切断。因为直径差较大的阶梯轴，为了节约材料和减少机械加工的劳动量，锻造使零件粗略成型，改进纤维组织提高零件强度。对于中等精度而转速较高的轴类零件多选用45Cr合金结构钢，这类钢经调质处理和高频淬火后，具有较高的综合机械性能，能满足使用要求，毛坯的尺寸要求高。又由于年产量为8000件，达到了批量生产的水平，且零件形状较简单，尺寸也不大，故应采用模锻。

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3.2外圆表面尺寸的确定

加工长度为332毫米，与其连接的最大外圆表面直径为Φ49，为简化模锻毛坯的外形，现直接取外圆表面直径为Φ56，Φ49表面粗糙度为R0.8，需要半精加工和精加工即可此时直径余量为7已能满足加工要求Φ49×47、Φ28×135、Φ25×30、Φ26.5×44。

3.3外圆表面沿轴线长度方向加工余量及公差的确定

查《机械制造工艺设计简明手册》锻件复杂形状复杂系数为S1锻件材质系数为M1，锻件轮廓尺寸（长度方向）大于180-315毫米，故长度方向偏差为+1.9—-0.9毫米。

长度方向余量查表2.2-25其余量规定值为8-12毫米，取10毫米Φ26.5处外圆加工余量为11 mm，Φ33处外圆加工余量为10 mm，Φ25处外圆加工余量为10 mm，Φ35处外圆加工余量为11 mm，Φ28处外圆加工余量为10 mm，Φ49处外圆加工余量为7 mm。因为锻造长轴时，有可能出现不在同一轴线上，故流余量稍大些，防止毛坯报废。查《工艺手册》粗车外圆后半精车余量单边留1.2 mm即可，半精车后外圆磨削余量0.5 mm.由于毛坯及以后各道工序的加工都有加工公差，因此所规定的加工余量其实只上只是名义上的加工余量。实际上，加工余量有最大最小之分。

由于本设计规定的零件为大批生产，应该采用调整法加工，因此在计算最大、最小加工余量时，应按调整法加工

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方式予以确定，但轴类零件一般以两中心孔定位，加工精度就可保证，因此不用调整法加工即可。 3.4

毛

坯

图

的

设

计

毛坯（锻件）图是根据产品零件设计的，经查《机械加工工艺手册》 、《机械零件工艺手册》，再考虑到其所要加工的次数，知磨削余量，精车----粗车各余量,粗车余量可选用1mm，精车余量可选用取0.25mm 。毛坯图见附图。

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0.5mm，传动轴磨削余量可

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第4章 工艺规程的设计

4.1 基准的概念和分类

零件是由若干表面组成的，各表面之间都有一定的尺寸和相互位置要求。用以确定零件上点、线、面间的相互位置关系所依据的点、线、面称为基准。基准按其作用不同，可分为设计基准和工艺基准。 4.1.1 设计基准

设计图样上所采用的基准称为设计基准。如零件图上的轴心线是各外圆和孔的设计基准。 4.1.2 工艺基准

在工艺中采用的基准称为工艺基准。按用途可分为定位基准、测量基准和装配基准。

定位基准 加工时使工件在机床或夹具中占据正确位置所使用的基准。如零件在精车时，中心孔就是定位基准。

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测量基准 零件检验时，用于测量已加工表面尺寸及位置的基准。

装配基准 装配时用已确定零件在部件或产品中位置的基准。零件图中的25、 28即为装配基准。 4.1.3 定位基准的选择

选择工件的定位基准，实际上是确定工件的定位基面。根据选定的基面加工与否，又将定位基准分为粗基准和精基准。在起始工序中，只能选择未经加工的毛坯表面作为定位基准，这种基准称为粗基准。用加工过的表面作为定位基准，则称为精基准。在选择定位基准时，是从保证精度要求出发的，因此分析定位基准选择的顺序就应为精基准到粗基准。

4.2进给箱轴的基准选择 4.2.1粗基准的选择

选择的原则是：（1）非加工表面原则（2）加工余量最小原则（3）重要表面原则（4）不重复使用原则（5）便于装夹原则。根据以上选择的原则，在加工时：（1）车左端时，以两端端面中心孔作为粗基准。（2）车右端时，以两端端面中心孔作为粗基准。 4.1.2精基准的选择

选择的原则是：

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（1）基准重合原则 （2）基准统一原则 （3）自为基准原则 （4）互为基准原则 （5）便于装夹原则

根据以上选择的原则，我们就能够选择端面的中心孔作为精基准。

由于该传动轴的几个主要配合表面，轴肩面对基准轴线A-B均有径向圆跳动要求，它又是实心轴，因此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。

根据零件的图纸和使用要求分析Φ25、Φ28圆跳动要求为0.020mm。基准选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择的正确与合理，能够使加工质量得以保证，生产率得以提高，否则加工工艺过程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法进行。

（1）粗基准的选择对于一般轴类零件而言以外圆作为粗基准是完全合理的。

（2）精基准的选择，以两顶尖孔作为轴类零件的定位基准既符合基准重合原则又能使基准统一。因此以两顶尖为定位基准。两顶尖孔质量的好坏对加工精度影响很大，应尽量做到两顶尖孔轴线重合，顶尖接触面积大，表面粗糙度

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底，否则，将会因工件与顶尖间的接触刚度变化而产生加工误差作为定位基准的中心孔经过多次使用可能磨埙或拉毛或因热处理和内应力发生位置变动或表面产生氧化皮。因此，经常注意保持两顶尖孔的质量是轴类零件加工的关键问题之一。 4.3制定工艺路线 4.3.1 加工阶段的划分

工件的加工质量要求较高时，都应划分加工阶段，一般可分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。如果加工精度和表面质量要求特别高，则还可增设光整加工和超密加工阶段。 4.3.2 各加工阶段的主要任务

（1）粗加工阶段的任务是切除毛坯大部分余量，使毛坯接近成品的形状和尺寸。

（2）半精加工阶段的任务是留下精加工余量后使主要表面达到一定的精度，为精加工做好准备并完成一些次要表

面

的

加

工

。

（3）精加工阶段的任务是保证各主要表面达到规定的精度和表面粗糙度。 4.3.3加工顺序的安排

（1）切削加工的安排原则：A.基准先行B.先粗后精 C.先主后次 D.先面后孔

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（2）热处理工序的安排：

A.预备热处理的目的的改进工件的加工性能，消除残余内应力，改进金相组织，为最终热处理做好准备，如正火、退火和调质等。预备热处理一般安排在粗加工前，但调质常安排在粗加工后进行。

B.消除残余应力处理的目的是消除毛坯制造和切削加工过程中产生的残余应力，如时效和退火。

C.最终热处理的目的是提高零件的力学性能（如强度、硬度、耐磨性等），如调质、淬火、回火以及各种表面处理，一般安排在精加工前。

本零件的主要功用是传递动力，其工作时需承受较大的冲击载荷，要求有较高的强度和韧性，故需要进行渗碳淬火回火热处理。此零件为配合件，配合部位的精度要求比较高，为了达到图纸的精度要求，应该安排磨削工序，来达到精度要求和提高表面性能。

（3）辅助工序的安排：辅助工序包括检验、去毛刺、清洗、防锈等检验。除了工序中自检外，还需在下列场合单独安排检验工序：a.重要工序前后；b.送往外车间加工之前；c.全部加工工序完成、去毛刺之后。有些特殊去毛刺常安排在下列场合进行：a.淬火工序之前；b.全部加工工序结束之后。 4.3.4 粗加工阶段

(1)毛坯处理、毛坯备料、锻造和正火。

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(2)粗加工，锯去多余部分、铣端面大中心孔和车外圆。

这个阶段的主要目的是：用大的切削用量切除大部分余量，把毛坯加工至接近工件的形状和尺寸，只留下少量加工余量。经过这个阶段还可及时发现锻件裂缝及缺陷，做处相应措施。 4.3.5 半精加工阶段

(1)半精加工前热处理 对于45Cr一般采用调质处理达到HB235。 (2)半精加工外圆

这个阶段主要目的是：为精加工做好准备，特别为精加工做好基面准备。一些要求不高的表面，在这个阶段达到图纸规定要求。

4.3.6 齿轮加工阶段磨削加工阶段： (1)粗磨削加工前热处理，低温时效。

(2)精加工前各种加工、铣槽、研中心孔、磨外圆、粗磨齿、二次时效。 (3)精磨齿，保证重要表面的精度。

第5章 拟定加工工艺路线方案

该零件是批量生产，能够采用机床配以专用夹具，工序以分散为主，某些工序能够适当集中应划分加工阶段，

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将粗加工和精加工分开，工艺路径的拟定，为保证达到零件的几何形状尺寸精度，位置精度及各项技术要求，必须制定合理的工艺路线。在生产纲领已确定为中批生产的条件下，能够采用通用机床配一专用的工夹量具，并考虑工序集中，以提高生产率和减少机床数量使生产成本降低。工序如下： (1)备料：45Cr Φ56×342

(2)锻造：为了零件粗略成型，到节约原材料，减少切削用量，改进纤维组织要严格控制锻造温度，最好能一火锻成，外圆锻造余量8-10毫米，始锻温度1200度，终锻 温度800度，空冷。

(3)退火处理：目的是降低硬度，改进切削加工性能。消除锻造应力以及细化晶粒和消除组织不均匀，退火温度840-870℃保温5小时，炉冷至550℃空冷。 (4) 钻中心孔B2 GB145- ，铣端面至尺寸。

(5)粗车：夹Φ56粗车Φ26.5、Φ35、Φ33、Φ28、Φ25均留余量3毫米，调头车Φ28 留余量3毫米。

(6)调质热处理：目的是为了提高零件的机械性能，获得均匀的回火奥氏体，为表面硬化作好纤维组织上的准备，是轴能获得高强度的心部和高硬度的表层。同时有一个良好的硬度阶梯，避免应力集中。调质淬火温度830-850℃保时1-1.5分/毫米回火温度600-640℃2-4小时 调质硬度HB220-250。

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(7)研磨中心孔。

(8)半精车：半精车外圆各步，留余量0.5毫米，Φ49车至尺寸。 (9)滚齿：齿数18 模数1.75 精度等级7。

(10)齿表面淬火: 不改变钢的表层成分，仅改变表层组织且心部组织不发生变化。目的是保持工件的心部韧性和使表面得到较好的耐磨性，提高其冲击韧性和疲劳强度等力学性能。感应加热表面淬火零件宜选用中碳非合金钢和低碳合合金结构钢。经感应加热表面淬火的工件，表面不易氧化，脱碳变形小，淬硬层深度易于控制，一般高频感应加热淬硬层深度为1-2毫米，表面硬度比普通淬火高2-3HRC。另外，该热处理方便生产率高，易于实现机械化，多用于大批大量生产形状简单的零件，符合要求。 (11)铣键槽: 保证尺寸。 (12)研磨中心孔。 (13)齿端面到角。

(14)磨外圆：Φ26.5、Φ33两外圆虽无尺寸精度，由于进给箱齿轮轴在高速运转中工作，进给箱齿轮轴所产生微小不平衡都全影响内磨质量，因此，两外圆需经磨削加工。 (15)粗磨齿。

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(16)二次时效：加热到160℃保温10小时空冷。 (17)精磨齿。 (18)终检。 (19)入库。

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第6章 选择加工设备及工艺装备

6.1机床的选择

本零件在粗加工阶段所使用的是C616型普通车床，这是一种小型车床，床身最大工件回转半径为160mm，最大加工长度为550mm。适合批量较小，精度要求不高零件的加工。在精加工阶段使用的是CJK6132型数控车床，床身上最大工件回转直径：ф320mm,最大加工长度：600mm。精加工阶段使用数控车床加工的优势在于：数控车床的加工精度比普通车床的高，能满足零件设计的要求，而普通车床难以达到要求。再者数控车床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，是普通车床的 3～5 倍。但数控车床的投资大，使用费用高，生产准备工作复杂。由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。综合考虑这些因素，因此在粗加工阶段所使用的是C616型普通车床来加工，精加工阶段使用的是CJK6132型数控车床来加

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工。

6.2 刀具的选择

在车床上加工的工序，一般都选用硬质合轫。加工钢质零件采用YT类硬质合金粗加工用YT5，精加工用YT15。为提高生产率和经济性，可选用可转位车刀。（GB5343.1-85，GB5343.2-85）滚齿根据《金属切削原理与刀具》采用A级单头滚刀能达到8级精度。滚刀选模数为3mm的Ⅱ型A级精度滚刀（GB6083-85）。铣刀按直柄键槽铣刀（GB1112-85）零件要求铣切深度为4mm，槽宽为8mm，因此所选铣刀=铣刀直径d=8mm,L=50mm,l=14mm,d1=8用硬质合金顶尖研磨中心孔，把硬质合金顶尖的60度圆锥体修磨成角锥的形状，使圆锥面留下4-6条均匀分布的刃带。不带护锥的A型中心孔，d=4,D=8.5,L2=3.9,t=3.5。外圆磨削：200×20×75—AF60L5v—35m／s 。

6.3量具的选择

本零件属成批生产，一般均采用通用量具。选择量具的方法有两种：一是按计算器具的不确定度选择；二是按计算器具的测量方法极限误差选择。选择时，采用其中的一种方法即可。

6.3.1 径向测量工具

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选择各外圆加工面的量具

加工面尺寸 49 尺寸公差 0.016 量 具 分度值为0.01mm， 测量范围为25--50mm外径百分尺

6.3.2工具轴向测量

35 | （GB1216-85） 28 0.06 33 | 25 0.06 26.5 | 分度值为0.01mm， 测量范围为25--50mm外径百分尺 （GB1216-85） 尺寸及公差 量具 135 47 10 分度值为0.02， 测量范围为0—150游标卡尺。（GB1214-85） 44 30 50 35 分度值为0.02， 测量范围为0—150游标卡尺。（GB1214-85） 2020年4月19日

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332 分度值为0.02， 测量范围为0—500游标深度尺。（GB1215-87） 6.3.3选择加工槽所用量具

槽经粗铣、半精铣两次加工。槽宽及槽深的尺寸公差等级为：粗细是均为IT14；半精铣时，槽宽为IT9级、槽深为IT12均可选用分度值为0.01测量范围0—10百分表（GB1219-85）. D选择滚齿工序所用量具

滚齿工序在加工时测量公法线长度即可。根据《公差配合与测量技术》【3】，选分度值为0.01，测量范围0—25的公法线百分尺（GB1217-86）

第7章 确定工序尺寸

确定工序尺寸的一般方法是，由加工表面的最后工序往前推算，最后工序的工序尺寸按需零件图样的要求标注。

7.1确定圆柱面的工序尺寸

圆柱面即轴表面的工序尺寸只与加工余量有关。前面根据有关资料已查处零件各表面的总加工余量（毛坯余量），应将总加工余量分为各工序加工余量，然后再由后往前计算工序尺寸。查表修正法是以生产实践和实验研究积累的有关加工余量资料数据为基础，并按具件生产条件加以修正来确定加工余量的方法，该方法应用比较广泛。

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加工余量数值可在各种机械加工工艺手册中查找，其步骤如下：

1.根据各工序的加工性质，查表得它们的工序余量。

2.确定各工序的尺寸公差及表面粗糙度。由各工序的加工性质查有关经济加工精度和经济表面粗糙度。 3.根据查的余量计算各工序尺寸。

4.确定各工序的上下偏差。按“单向入体”原则，对于孔基本尺寸值为公差带的下偏差，上偏差取正值；对于毛坯尺寸偏差应取双向对称偏差。 7.2确定轴向工序尺寸

确定各加工表面的工序加工余量，本零件各端面台阶的工序加工余量。因为用顶尖顶紧工件进行加工，径向又没有标注公差尺寸，只选用两端面为测量基准，故不用确定工序尺寸，每次工序加工中只选测量出要求尺寸即可。因此轴向工序尺寸可略。 7.3 确定铣槽的工序尺寸

半精铣可达到零件图样的要求，则该工序尺寸：槽宽为8mm，槽深4mm。粗铣时，为半精铣留有加工余量：槽宽双边余量为2mm,槽深余量为2mm。则粗铣的工序尺寸：槽宽为6mm，槽深2mm。 7.4磨外圆至工序尺寸

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磨齿到表面粗糙度。

第8章 切削用量的选择

粗车工序:已知加工材料为45Cr钢，Eb700Mpa，锻件，有外皮，坯件D=60mm，车削后d=56mm,加工长度为342mm，机床为c616，工件两端支承在顶尖上。由于工件是锻造毛坯，加工余量达5mm，而加工要求较高，故分两次走刀完成，粗车加工余量为4mm，半精车加工余量为0.75mm。

粗铣槽工序:所选刀具为高速钢直柄槽铣刀，铣刀直径=6，立铣刀可直接加工到图纸要求，不用确定切削用量 (1)确定铣削宽度 立铣刀=6mm

确定每齿进给量，根据X52型铣床说明书，其功率为75KW，中等系统刚度，根据说明书 v=0.12-0.20 (2)选择铣刀磨钝标准及刀具寿命，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为0.4mm，刀具寿命T=60min (3)确定切削速度，切削速度可根据查得公式计算

Vc=21.5×8×0.45/60×4×0.1×0.5×8×0.54 ×1.0=95m/min

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(4)检验机床功率：根据说明书， Vf≤75，Pct=1.1KM

切削功率的修正系数为=1，故实际切削功率为Pcc=Pct=1.1KW 机床主轴允许的功率为： Pcm=7.5×0.75KW=5.63KW

故，所确定的切削用量能够采用。

进给箱用来改变进给量，主轴经挂轮箱传入进给箱的运动，经过移动变速手柄来改变进给箱中滑动齿轮的啮合位置，便可使光杆或丝杆获得不同的转速。进给箱齿轮轴是进给箱内重要的轴，应用广泛。本设计针对它的加工工艺过程进行了一系列的分析，主要从毛坯的选择，基准的选择，加工阶段的划分，工艺路径的拟定，机床、夹具、刀具、量具、切削用量的确定以及工序尺寸的方面进行研究的，制定出了机械加工工艺规程，在实际中具有一定的可行性。

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第9章 夹具的设计

9.1专用夹具设计的基本要求

1)夹具设计应满足零件加工工序的精度要求 2)应能提高加工生产率 3)操作方便、省力、安全

4)具有一定使用寿命和较低的夹具制造成本

5)具有良好的结构工艺性：便于制造、检验、装配、调整、维修 9.2夹具的特点

1）保证工件的加工精度

专用夹具应有合理的定位方案，合适的尺寸，公差和技术要求，并进行必要的精度分析，确保夹具能满足工件的加工精度要求。 2）提高生产效率

专业夹具的复杂程度要与工件的生产纲领相适应，应根据工件生产批量的大小选用不同复杂程度的高效夹紧装置，以缩短辅助时间，以提高生产效率。

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3）工艺性好

专用夹具的结构简单，合理，便于加工，装配，检验和维修。专用夹具的生产属于小批量生产。 4）使用性好

专用夹具的操作应简单，省力，安全可靠，排屑应方便，必要时可设置排屑机构。 5）经济型好

除考虑专用夹具本身结构简单，标准化程度高，成本低廉外，还应根据生产纲领对夹具方案进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。 9.3夹具的设计要点

确定各表面加工方案，在选择各表面孔的加工方法时，需综合考虑以下因素：

（1）要考虑各表面的精度和质量要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工。

（2）根据生产类型来选择，在大批量生产中可使用专用的高效率的设备；在单件小批量生产中则使用常见设备和一般加工方法。

（3）要考虑被加工材料的性质。

（4）要考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有的加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水

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平。

（5）另外，还要考虑一些其它因素，如加工表面的物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等。 9.4钻床夹具的总体设计 9.4.1设计任务

设计的主要任务是设计一个钻床夹具，在零件端面上钻孔，为了使钻孔的位置精确，必须对零件进行固定定位，提高加工精度，使之满足使用要求。专用夹具设计，方便加工及装卸，节省时间，提高工作效率。

被加工零件材料为45Cr，孔深度为34mm，零件总长为332mm，在进给箱轴左端面上钻孔，孔的直径为ø12mm。

9.4.2 夹具的设计步骤

1）明确设计任务书与收集设计材料

夹具设计的第一步是在已知生产纲领的前提下，研究被加工零件的零件图、工序图、工艺规程和设计任务书，对工件进行工艺分析。其内容主要是了解工件的特点、材料；确定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等。

其次是根据设计任务书收集有关材料。

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2）拟定夹具结构方案与绘制夹具图

A）确定工件的定位方案，设计定位装置。 B）确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。

C）确定夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面。 D）绘制夹具图，并标注尺寸。

3）进行必要的分析计算

工件的加工精度较高时，应进行工件加工精度分析。有动力装置的夹具，需计算夹紧力。当有几种夹具方案时，可进行经济分析，选用经济效益较好的方案。

4）绘制夹具装配总图

夹具的总装配图应按国家标准绘制。绘图比例采用1:1。总图应把夹具的工作原理、各种装置的结构及其相互关系表示清楚。

夹具总图的绘制次序如下：

A）用双点划线将工件的外形轮廓、定位基面、夹紧表面及加工表面绘制在各个视图的合适位置上。在总图中，

工件可看作透明体，不遮挡后面夹具的线条。

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B）依次绘出定位装置、夹紧装置、其它装置、夹具体及连接元件和安装基面。 C）标注必要的尺寸、公差和技术要求。 D）编制夹具明细表及标题栏 6）绘制夹具零件图

夹具中的非标准零件均要画零件图，并按夹具总图的要求，确定零件的尺寸、公差及技术要求。 9.5夹具的工作原理与结构设计 9.5.1对定位元件的基本要求 1) 足够的精度

由于工件的定位是经过定位副的接触（或配合）实现的，定位元件上限位基面的精度直接影响工件的定位精度，因此，限位基面应有足够的精度，以适应加工的要求。

2) 足够的强度和刚度

定位元件不但限制工件的自由度，还有支撑元件、承受夹紧力和切削力的作用，因此，因有足够的强度和刚度，以免使用中变形或损毁。

3) 耐磨性好

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工件的装卸会磨损定位元件的限位基面，导致定位精度下降。定位精度下降到一定程度时，定位元件必须更换，否则，夹具不能继续使用。为了延长定位元件的更换周期，提高夹具的使用寿命，定位元件应有较好的耐磨性。

4) 工艺性好

定位元件的结构应力求简单、合理，便于加工、装配和更换。 9.5.2定位方案与定位元件

工件在夹具中定位的任务是：使同一工序中的一批工件都能在夹具中占据正确的位置，工件位置的正确与否，用加工要求来衡量，能满足加工要求的为正确，不能满足加工要求的为不正确。一批工件逐个在夹具上定位时，各个工件在夹具中占据的位置不可能完全一致，也不必要求它们完全一致，但各个工件的位置变动量必须控制在加工误差所允许的范围之内。

该设计为了满足钻孔的需要，在定位过程中需要保证零件的上下表面与水平面平行，轴的中心线与水平面垂直，保证ø12mm孔的位置。由于定位基准为零件的中心线，采用V形块定位，满足了定位基准的要求。同时下面采用水平面定位，水平面与零件的外圆面线接触，配合起来使零件不会发生移动或左右偏转的情况，满足加工要求。 9.5.3对夹紧装置的基本要求：

5）夹紧过程中，不改变工件定位后占据的正确位置。

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6）夹紧力的大小适当，一批工件的夹紧力要稳定不变。既要保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，振动

小，又要是工件不产生过大的夹紧变形。夹紧力稳定可减小夹紧误差。

7）夹紧装置的复杂程度应与工件的生产纲领相适应。工件生产批量越大，允许设计越复杂、效率越高的夹紧装

置。

工艺性好，使用性好。其结构力求简单，便于制造和维修。夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。

在夹紧工件的过程中，夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度、表面粗糙度以及生产效率。因此，设计夹紧装置应遵循以下原则：

（1）工件不移动原则

夹紧过程中，应不改变工件定位后所占据的正确位置。

（2）工件不变形原则

夹紧力的大小要适当，既要保证夹紧可靠，又应使工件在夹紧力的作用下不致产生加工精度所不允许的变形。

（3）工件不振动原则

对刚性较差的工件，或者进行断续切削，以及不宜采用气缸直接压紧的情况，应提高支承元件和夹紧元件的刚性，并使夹紧部位靠近加工表面，以避免工件和夹紧系统的振动。

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（4）安全可靠原则

夹紧传力机构应有足够的夹紧行程，手动夹紧要有自锁性能，以保证夹紧可靠。

（5）经济实用原则

夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产效率的前提下，其结构应力求简单，便于制造、维修，工艺性能好；操作方便、省力，使用性能好。

夹紧机构---传递夹紧力，它是直接与工件接触完成夹紧作用的最终执行元件。要使动力装置所产生的力或人力正确地作用到工件上，需有适当的传递机构。在工件夹紧过程中起力的传递作用的机构，称为夹紧机构。

夹紧机构在传递力的过程中，能根据需要改变力的大小、方向和作用点。手动夹具的夹紧机构还应具有良好的自锁性能，以保证人力的作用停止后，仍能可靠地夹紧工件。 9.5.4夹紧方案的选择

由于是轴用两个V形块夹住齿轮轴，为了使其快速夹紧使用类似台虎钳的夹紧机构（见零件图和装配图）。限制5个自由度。

9.5.4.1钻削切削力

需要钻孔零件的材料为45Cr，含碳量为0.42~0.49,属于。

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45Cr力学性能：抗拉强度≥1030Mp；屈服强度≥835 Mp；伸长率 δ≥9%；断面收缩率 ψ ≥40%；硬度：调制处理235HB。

钻削切削力的计算公式如下表：

表1 钻削切削力的计算公式

工件 加工 刀具 切削扭矩 切削力 材料 方法 材料 计算公式 计算公式 结构钢和铸钢 钻 M0.34D2f0.8Kp Ff667DF0.7KP b=736MPa 扩钻 M0.88Da0.90.8pfKp F371a1.30.7fPfKp 耐热钢 高速钢 M0.40D2f0.7Kp Ff1402Df0.7KP （HB141） 钻 M0.21D2f0.8Kp F.8f419Df0KP 灰铸铁 硬质合金 M0.12D2f0.8K75p F1.2f412Df0.KP （HB190） 扩钻 M0.83D2a0.75f0.8pKP F.20.4f231a1pfKP 可锻铸铁 高速钢 M0.21D2f0.8KP F.8f425Df0KP （HB120） 钻 硬质合金 M0.098D2.2f0.8K.275P Ff319D1f0.KP 2020年4月19日

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铜合金 高速钢 M0.12D2f0.8K.8p Ff309Df0KP

钻削时的进给量

f：0.15~0.32mm/r，取f=0.2mm/r

由表可知，切削扭矩的计算公式

M0.34D2f0.8Kp （式3-1）

KP为修正参数，它的计算公式

因为45Cr的抗拉强度 σb (MPa)：≥1030，σb (MPa)=1030

0.75KPb7360.75

1030736106 （3-2）

1.3104.56孔，带入式3-1得：

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M0.3412103

20.20.81.3104.59.6101.5Nm （式3-3）

由表3-3可知，切削力的计算计算公式如下，其中f=0.2mm/转

Ff667DF0.7KP （式3-3）

计算6孔的切削力，带入式3-4得：

9.5.4.2实际所需夹紧力的计算

计算夹紧力时，一般将夹具和工件看成是一个刚性系统。根据工件受切削力、夹紧力（大型工件还应考虑工件重力，运动的工件还应考虑惯性力等）的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值，即：

WKWK （式3-5）

式中 WK—实际所需夹紧力（N）；

W—在一定条件下，由静力平衡计算出的理论夹紧力（N）；

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Ff667121030.2103156N0.71.3104.5 （式3-4）

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K—安全系数。

安全系数K可按下试计算：

KK0K1K2K3K4K5K6 （式3-6）

式中，K0~K6为各种因素的安全系数，如表3-1。

表2 安全系数K0~K6的数值

符号 考虑的因素 系数值 K0 考虑工件材料及加工余量均匀性的安全系数 1.2~1.5 K1 粗加工 1.2 K2 加工性质 精加工 1.0 K3 刀具钝化程度（详见表3） 1.0~1.9 K4 切削特点 连续切削 1.0 断续切削 1.2 K5 夹紧力的稳定性 手动夹紧 1.3 机动夹紧 1.0 K6 手动夹紧的手柄位置 操作方便 1.0 操作不方便 1.2 2020年4月19日

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K7 仅有力矩使工件回转时，工件与支撑面接触的情况 接触点稳定 接触点不稳定 1.0 1.5 若安全系数K的计算结果小于2.3时，取K=2.5。

钻孔时，根据表2、表3，带入式3-5，计算相应的安全系数得：

KK0K1K2K3K4K5K6 1.31.01.51.01.31.0 （式3-7） 2.5

表3 安全系数K2

加工方法 切削力分力情况 K 钻削 MK 铸铁 钢 FC 1.15 1.15 粗扩（毛坯） MK 1.0 1.0 FC 1.3 1.3 精扩 MK 1.2 1.2 2020年4月19日

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F 1.2 1.2 C粗车或粗镗 FC 1.0 1.0 FP 1.2 1.4 Ff 1.25 1.6 精车或精镗 FC 1.05 1.0 FP 1.4 1.05 Ff 1.3 1.0 圆周铣削 FC 1.2~1.4 1.6~1.8(含碳量小于0.3%) （粗、精） 1.2~1.4(含碳量大于0.3%) 端面铣削 FC 1.2~1.4 1.6~1.8(含碳量小于0.3%) （粗、精） 1.2~1.4(含碳量大于0.3%) 磨削 FC 1.15~1.2 拉削 F 1.5 本夹具径向锁紧机构，转动手柄，锁紧螺杆使两个V形块相对运动，将转轴锁紧。 夹紧力和夹紧扭矩的计算公式如下：

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W

2M （式3-7） D 式中 W—夹紧力（N）； M—夹紧扭矩（N*m）； Q—作用力（N）；

f—摩擦系数（表面光滑f=0.16）； —螺纹或端面升角（此处900） 计算夹紧扭矩，代入式3-8得：

2020年4月19日Q•f11.07cosM2•D sin21.07cos23-8）42

（式

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MQ•f11.07cos•D2sin21.07cos2 600.1607211.223521.0722405.6Nm计算理论夹紧力得：

W2MD2600.16211.07

22 21.072223N计算实际夹紧力，代入式3-5得：

WKWK

57.5N 计算摩擦力

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（式3-9）（3-10） 3-11）

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fFf 0.1660 （3-12）

9.6N因为 WKf，因此钻孔过程中不会发生滑动，夹紧力合适，夹紧机构满足设计要求。 9.6夹具装配图总尺寸

夹具总长415mm，高205mm，宽160mm。由固定夹具体、活动V形块、固定支承，其中固定V形块与固定夹具体铸造在一起。

下图为夹具与钻床的连接图：

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总结

本学期我们做了《机械制造工艺基础》和《机械制造工艺装备》的课程设计，我们组选择的题目是:进给箱轴的加工工艺规程及钻孔工序的专用夹具设计。

在指导老师的指点下，我开始经过各种渠道搜集资料。接下来，我开始对所搜集的原始资料进行整理、分析研究。我们撰写了初稿，并加入了自己新颖的看法。由于设计者的水平有限，一定有不足之处，钻轴的夹具是根据台

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虎钳配合V形块改造的。在设计过程中，我们遇到了很多难题，很难解决，最后听取老师和同学好的建议，查阅参考文献，最终解决了这些难题。对于进给箱轴设计的说明书，我们进行了创新。

机械制造与自动化专业就是为解决实际机械加工的各种难题而培养人才，我们若能发挥自己所学，为工厂解决实际问题，才能发挥自己最大的社会价值。此次设计中，我深刻认识到自己专业知识的匮乏，我们翻阅了以前的课本，查阅了大量的专业书籍，终于完成了本次设计。

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致 谢

首先感谢程雪利老师对我们的课程设计的大力支持，感谢共同参与本次设计的同学们。

经过这一阶段的努力，我们组的课程设计《主轴箱轴》终于完成了，在课程设计写作过程中，我们倾注了大量的心血，原始文件的收集、格式的确定、结构的布局到最终的论文定稿，我们都认真分析。没有程雪利老师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我们论文的顺利完成。同时我还要感谢在我此期间的组员们，周英杰、王瑞猛、杨金、韩乾坤等同学在课程设计中给我的帮助和支持，有了她们的支持、鼓励和帮助，我所做的一切才更有意义；也正是因为有了她们，我才有了追求进步的勇气和信心。

撰写课程设计本身就是对本专业知识的再次学习和巩固过程，由于时间的仓促及自身专业水平的不足，本篇课程设计中肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇论文的老师、同学，多予指正，不胜感激！

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韩乾坤

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/12/12

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参考文献

【1】李长胜 主编 《机械制造工艺基础》 河南机电高等专科学校， 【2】李长胜 主编 《机械制造工艺装备》 河南机电高等专科学校，

【3】倪森寿 主编 《机械制造工艺与装备习题集和课程设计指导书》 化学工业出版社， 第2版 【4】艾兴 肖诗 纲主编 《切削用量简明手册》 1993年机械工业出版社。

【5】李益民主编.《机械制造工艺设计简明手册》 哈尔滨工业大学 机械工业出版社 6月第1版第7次印刷。【6】陆剑中 主编 《金属切削原理与刀具》 机械工业出版社出版， 【7】黄云清 主编 《公差配合与测量技术》 机械工业出版社 第1版。

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附 录：

机械制造与自动化 材料 序号 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 45Cr 名 称 备 料 锻 造 退 火 铣端面、钻中心孔 粗 车 调质热处理 钻左端面螺纹孔 半精车 滚 齿 齿表面淬火 铣键槽 研磨中心孔 齿端面到角 磨外圆 工 艺 过 程卡 片 毛 坯 种 类 工 序 内 容 材料45Cr 56×342 一火锻成，外圆锻造余量8-10毫米，始锻温度1200度，终锻温度800度，空冷。 退火温度840-870℃保温5小时，炉冷至550℃空冷 铣端面至尺寸，钻中心孔Φ12 夹56，粗车35、33、28、26.5、25均留余量3锻造 产 品 代 号 毛 坯 尺 寸 零 （部） 件 名 称 进给箱轴 零 （部） 件 代 号 每一毛坯可制零件数 夹辅具名称 铸铁顶尖 专用夹具 刀 具 名 称规 格 车刀 90度 45度 60度 车刀 90度 45度 60度 A级单头滚刀m=3mm 1 量 具 名 称 及 规 格 游标卡尺0-150mm 游标卡尺0-150mm 杠杆千分尺50-75mm 游标卡尺0-150mm Φ56×342 设 备 铣端面、钻中心孔机床 C620-1卧式车床 毫米，调头车56留余量3毫米 调质淬火温度830-850℃保时1-1.5分/毫米 回火温度600-640℃ 2-4小时 调质硬度HB220-250。 左端面螺纹孔M12 深34mm Z3032摇臂钻床 半精车外圆各步，留余量0.5毫米，56车至尺寸。 齿数18 模数1.75 精度等级7 高频感应加热淬硬层深度为1-2毫米，表面硬度比普通淬火高2-3HRC。 铣键槽 保证尺寸 保证尺寸 2020年4月19日

C620-1卧式车床 Y3150滚齿机 X52立式铣床 中心孔磨床 X52立式铣床 M114磨床 直柄键槽铣刀D=6，游标卡尺0-150mm千分表 L=50 砂轮 52 文档仅供参考

设计者

韩乾坤

指导老师

程雪利

审 查

共 2 张

第 1 张

机械制造与自动化 材料 工序 序号 75 80 85 90 95 100 设计者

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工 艺 过 程卡 片 毛 坯 种 类 工 序 内 容 加热到160℃保温10小时空冷。 指导老师 程雪利 锻造 产 品 代 号 毛 坯 尺 寸 设 备 Y7431磨齿机 Y7431磨齿机 审 查 零 （部） 件 名 称 零 （部） 件 代 号 1 量 具 名 称 及 规 格 第 2 张 45Cr 工序 名称 粗磨齿 二次时效 精磨齿 终检 入库 韩乾坤 Φ56×342 夹 辅 具 名 称 进给箱轴 每一毛坯可制零件数 刀 具 名 称 规 格 共 2 张 文档仅供参考

机械制造与自动化 工 序 卡 片 产 品 代 号 零 件 名 称 零 件 代 号 工序号 10 进给箱轴 工序名称 锻造 材料 45Cr 设备 名 称 锻压机 型 号 夹具名称 刀 量 辅 具 名 称 规 格 数 量 设计者 韩乾坤 指导老师 程雪利 审 查 共 7 张 第 1 张 2020年4月19日

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机械制造与自动化 工 序 卡 片 产 品 代 号 零 件 名 称 零 件 代 号 工序号 25 进给箱轴 工序名称 粗车 材料 45Cr 设备 名 称 卧式车床 型 号 C616 夹具名称 三爪卡盘、顶尖 刀 量 辅 具 名 称 规 格 数 量 车刀 90度 1 车刀 45度 1 游标卡尺 0-150mm 1 游标卡尺 0-500mm 1 设计者 韩乾坤 指导老师 程雪利 审 查 共 7 张 第 2 张 机械制造与自动化 工 序 卡 片 产 品 代 号 零 件 名 称 零 件 代 号 工序号 35 2020年4月19日

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进给箱轴 工序名称 研磨中心孔 材料 45Cr 设备 名 称 中心孔磨床 型 号 夹具名称 刀 量 辅 具 名 称 规 格 数 量 铸铁顶尖 1 设计者 韩乾坤 指导老师 程雪利 审 查 共 7 张 第 3 张 机械制造与自动化 工 序 卡 片 产 品 代 号 零 件 名 称 零 件 代 号 工序号 40 进给轮轴 工序名称 半精车 材料 45Cr 设备 名 称 卧式车床 2020年4月19日

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型 号 C616 夹具名称 刀 量 辅 具 名 称 规 格 数 量 车刀 90度 1 车刀 45度 1 游标卡尺 0-150mm 1 杠杆千分尺 50-75mm 1 车刀 60度 1 游标卡尺 0-500mm 设计者 韩乾坤 指导老师 程雪利 审 查 共 7 张 第 4 张 ]

机械制造与自动化 工 序 卡 片 产 品 代 号 零 件 名 称 零 件 代 号 工序号 45 进给箱轴 工序名称 滚齿 材料 40Cr 设备 名 称 滚齿机 2020年4月19日

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型 号 Y3150 夹具名称 刀 量 辅 具 名 称 规 格 数 量 A级单头滚刀 m=3mm 1 设计者 韩乾坤 指导老师 程雪利 审 查 共 7 张 第 5 张 机械制造与自动化 工 序 卡 片 产 品 代 号 零 件 名 称 零 件 代 号 工序号 55 进给箱轴 工序名称 铣键槽 材料 45Cr 设备 名 称 立式铣床 型 号 X52 夹具名称 2020年4月19日

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刀 量 辅 具 名 称 规 格 数 量 直柄立式铣刀 D=4、L=50 1 直柄键槽铣刀 D=6，L=50 1 设计者 韩乾坤 指导老师 程雪利 审 查 共 7 张 第 6 张 机械制造与自动化 工 序 卡 片 产 品 代 号 零 件 名 称 零 件 代 号 工序号 70 进给箱轴 工序名称 磨外圆 材料 45Cr 设备 名 称 磨床 型 号 M114 夹具名称 刀 量 辅 具 名 称 规 格 数 量 砂轮 200*20*75-AF60L5V-35m/s 1 2020年4月19日

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杠杆千分尺 25--50mm 1 千分表 0.001 1 外径千分尺 25--50mm 1 外径千分尺 0--25mm 1 设计者 韩乾坤 指导老师 程雪利 审 查 共 7 张 第 7 张 2020年4月19日

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