机械制造及工艺轴类零件加工工艺.docx

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机械制造及工艺轴类零件加工工艺

轴类零件加工工艺

第一节概述

一、轴类．件的功用和结构特点

轴类零件主要用于支承传动零件（齿轮、带轮等），承受载荷、传递转矩以及保证装在轴上零件的回转精度根据结构形状，轴的分类如图6－1所示。

根据轴的长度L与直径d之比，又可分为刚性轴（L/d≤12）和挠性轴（L/d>12）两种。

（可分为光滑轴、台阶轴、空心轴和曲轴等）

轴类零件通常由内外圆柱面、内外圆锥面、端面、台阶面、螺纹、键槽、花键、横向孔及沟槽等组成。

二、轴类零件的技术要求、材料和毛坯

装轴承的轴颈和装传动零件的轴头处表面，一般是轴类零件的重要表面，其尺寸精度、形状精度（圆度、圆柱度等）、位置精度（同轴度、与端面的垂直度等）及表面粗糙度要求均较高，是在制订轴类零件机械加工工艺规程时，应着重考虑的因素。

一般轴类零件常选用45＃钢；对于中等精度而转速较高的轴可用40cr；对于高速、重载荷等条件下工作的轴可选用20Cr和20CrMnTi等低碳合金钢进行渗碳淬火，或用3sCrMoAIA氮化钢进行氮化处理。

轴类零件的毛坯最常用的是圆棒料和锻件，只有某些大型的、结构复杂的轴才采用铸件（铸钢或球墨铸铁）。

第二节外圆表面的加工方法和加工方案

外圆表面是轴类零件的主要表面因此要合理地制订轴类零件的机械加工工艺规程，首先应了解外圆表面的各种加工方法和加工方案。

本章主要介绍常用的几种外圆加工方法和常用的外圆加工方案。

一、外圆表面的车削加工

根据毛坯的制造精度和工件最终加工要求，外圆车削一般可分为粗车、半精车、精车、精细车。

粗车的目的是切去毛坯硬皮和大部分余量。

加工后工件尺寸精度IT11－IT13，表面粗糙度Ra50～12.5μm。

半精车的尺寸精度可达IT8～IT11，表面粗糙度角Ra6.3～3.2μm。

半精车可作为中等精度表面的终加工，也可作为磨削或精加工的预加工。

精车后的尺寸精度可达IT7～IT8，表面粗糙度Ra1.6～0.8μm。

精细车后的尺寸精度可达IT6一IT7，表面粗糙度Ra0.4～0.025μm。

精细车尤其适合于有色金属加工，有色金属一般不宜采用磨削，所以常用精细车代替磨削。

二、外圆表面的磨削加工

磨削是外圆表面精加工的主要方法之一。

它既可加工淬硬后的表面，又可加工未经淬火的表面。

根据磨削时工件定位方式的不同，外圆磨削可分为：

中心磨削和无心磨削两大类。

1．中心磨削

中心磨削即普通的外圆磨削，被磨削的工件由中心孔定位，在外圆磨床或万能外圆磨床上加工。

磨削后工件尺寸精度可达工IT6～IT8，表面粗糙度Ra0.8～0.1μm。

按进给方式不同分为纵向进给磨削法和横向进给磨削法。

（1）纵向进给磨削法（纵向磨法）。

如图6－2所示砂轮高速旋转，工件装在前后顶尖上，工件旋转并和工作台一起纵向往复运动。

（2）横向进给磨削法

（切人磨法）

如图6－3所示，此种磨削法没有纵向进给运动当工件旋转时，砂轮以慢速作连续的横向进给运动。

其生产率高适用于大批量生产，也能进行成形磨削。

但横向磨削力较大，磨削温度高，要求机床、工件有足够的刚度，故适合磨削短而粗，刚性好的工件。

加工精度低于纵向磨法。

2．无心磨削

无心磨削是一种高生产率的精加工方法，以被磨削的外圆本身作为定位基准。

目前无心磨削的方式主要有贯穿法和切入法。

图6－4所示为外圆贯穿磨法的原理。

工件处于磨轮和导轮之间，下面用支承板支承。

磨轮轴线水平放置，导轮轴线倾斜一个不大的λ角。

这样导轮的圆周速度υ导可以分解为带动工件旋转的分量υI和使工件轴向进给的分量u纵。

图6－5所示为切人磨削法的原理。

导轮3带动工件2旋转并压向磨轮1。

加工时，工件和导轮及支承板一起向磨轮作横向进给。

磨削结束后导轮后退，取下工件。

导轮的轴线与磨轮的轴线平行或交错成很小的角度（05o～1o），此角度大小能使工件与挡铁4（限制工件轴向位置）很好地贴住即可。

无心磨削时，必须满足下列条件：

①由于导轮倾斜了一个λ角度，为了保证切削平稳，导轮与工

件必须保持线接触，为此导轮表面应修整成双曲线回转体形状。

②导轮材料的摩擦因数应大于磨轮材料的摩擦因数;磨轮与导轮同向旋转，且磨轮的速度应大于导轮的速度；支承板的倾斜方向应有助于工件紧贴在导轮上.

③为了保证工件的圆度要求，工件中心应高出磨轮和导轮中心连线。

高出数值H与工件直径有关。

当工件直径d工＝8～30㎜时，H≈d工/3；当d工＝30～7Omm时，H≈d工／4。

④导轮倾斜一个λ角度。

如图6－4所示，当导轮以速度υ导旋转时，可分解为：

粗磨时，λ取3o～6o．。

精磨时，λ取1o一3o。

无心磨削时，工件精尺寸度可达IT6～IT7，表面粗糙度Ra0.8～0.2μm。

3外圆磨削的质量分析

在磨削过程中，由于多种因素的影响，零件表面容易产生各种缺陷。

常见的缺陷及解决措施分析如下。

（1）多角形。

在零件表面沿母线方向存在一条条等距的直线痕迹，其深度小于0.5μm。

产生原因主要是由于砂轮与工件沿径向产生周期性振动所致。

如砂轮或电动机不平衡；轴承刚性差或间隙太大；工件中心孔与顶尖接触不良；砂轮磨损不均匀等。

消除振动的措施，如仔细地平衡砂轮和电动机；改善中心孔和顶尖的接触情况；及时修整砂轮；调整轴承间隙等。

（2）螺旋形。

磨削后的工件表面呈现一条很深的螺旋痕迹，痕迹的间距等于工件每转的纵向进给量。

产生原因主要是砂轮微刃的等高性破坏或砂轮与工件局部接触。

如砂轮母线与工件母线不平行头架、尾座刚性不等；砂轮主轴刚性差。

消除的措施，如修正砂轮，保待微刃等高性；调整轴承间隙；保待主轴的位置梢度；砂轮两边修磨成台肩形或倒圆角，使砂轮两端不参加切削。

工件台润滑油要合适，同时应有卸载装置；使导轨润滑为低压供油等。

（3）拉毛（划伤或划痕）。

常见的工件表面拉毛现象。

产生原因主要是磨粒自锐性过强；切削液不清洁；砂轮罩上磨屑落在砂轮与工件之间等。

消除拉毛的措施，如选择硬度稍高一些的砂轮；砂轮修整后用切削液和毛刷清洗；对切削液进行过滤；清理砂轮罩上的磨屑等。

（4）烧伤。

可分为螺旋形烧伤和点烧伤。

烧伤的原因主要是由于磨削高温的作用，使工件表层金相组织发生变化，因而使工件表面硬度发生明显变化。

消除烧伤的措施，降低砂轮硬度；减小磨削深度；适当提高工件转速；减少砂轮与工件接触面积；及时修正砂轮；进行充分冷却等。

三、外圆表面的精密加工

随着科学技术的发展，对工件加工精度和表面质量的要求也越来越高。

因此在外圆表面精加工后，往往还要进行精密加工。

外圆表面的精密加工方法常用的有高精度磨削、超精加工、研磨和滚压加工等。

1．高精度磨削

使轴的表面粗糙度Ra值在0.16μm以下的磨削工艺称为高精度磨削，它包括精密磨削（Ra0.6～0.06μm）、超精密磨削（Ra0.04～0.02μm）和镜面磨削（Ra＜0.01μm）。

高精度磨削的实质在于砂轮磨粒的作用。

经过精细修整后的砂轮的磨粒形成了同时能参加磨削的许多微刃，这些微刃等高程度好，参加磨削的切削刃数大大增加，能从工件上切下微细的切屑，形成粗糙度值较小的表面。

随着磨削过程的继续，锐利的微刃逐渐钝化，钝化的磨粒又可起抛光作用，使粗糙度进一步降低。

2．超精加工

超精加工是用细粒度磨具油石对工件施加很小的压力，油石作往复振动和慢速沿工件轴向运动，以实现微量磨削的一种光整加工方法。

图6－11所示为其加工原理。

加工中有三种运动：

工件低速回转运动1；磨头轴向进给运动2；磨头高速往复振动3。

如果暂不考虑磨头轴向进给运动，磨粒在工件表面上走过的轨迹是正弦曲线，如图6－11（b）所示。

超精加工大致有四个阶段

①强烈切削阶段。

开始时，由于工件表面粗糙，少数凸峰与油石接触，单位面积压力很大，破坏了油膜，故切削作用强烈。

②正常切削阶段。

当少数凸峰磨平后，接触面积增加，单位面积压力降低，致使切削作用减弱，进人正常切削阶段。

③微弱切削阶段。

随着接触面积进一步增大，单位面积压力更小，切削作用微弱，且细小的切屑形成氧化物而嵌人油石的空隙中因而油石产生光滑表面，具有摩擦抛光作用。

④自动停止切削阶段。

工件磨平，单位面积上的压力很小，工件与油石之间形成液体摩擦油膜，不再接触，切削作用停止。

经超精加工后的工件表面粗糙度Ra值0.08～0.01μm。

然而由于加工余量较小（小于0.01μm），因而只能去除工件表面的凸峰，对加工精度的提高不显著。

3．研磨

用研磨工具和研磨剂，从工件表面上研去一层极薄的表层的精密加工方法称为研磨。

研磨用的研具采用比工件材料软的材料（如铸铁、铜、巴氏合金及硬木等）制成。

研磨时，部分磨粒悬浮在工件和研具之间，部分磨枚嵌入研具表面，利用工件与研具的相对运动，磨粒切掉一层很薄的金属，主要切除上工序留下来的粗糙度凸峰。

一般研磨的余量为0.01～0.02mm。

研磨除可获得高的尺寸精度和小的表面粗糙度值外，也可提高工件表面形状精度，但不能改善相互位置精度。

当两个工件要求良好配合时，利用工件的相互研磨（对研）是一种有效的方法。

如内燃机中的气阀与阀座、油泵油嘴中的偶件等。

4．滚压加工

滚压加工是用滚压工具对金属材质的工件施加压力，使其产生塑性变形从而降低工件表面粗糙度，强化表面性能的加工方法。

它是一种无切屑加工。

图6－12所示为滚压加工示意。

滚压加工有如下特点。

①滚压前工件加工表面粗糙度Ra值不大于5μm，表面要求清洁，直径余量为0.02～0.03mm。

②滚压后的形状精度和位置精度主要取决于前道工序。

③滚压的工件材料一般是塑性材料，并且材料组织要均匀。

铸铁件一般不适合滚压加工。

④滚压加工生产率高。

四、外圆表面加工方案的选择

上面介绍了外圆表面常用的几种加工方法及其特点。

零件上一些精度要求较高的面，仅用一种加工方法往往是达不到其规定的技术要求的。

这些表面必须顺序地进行粗加工、半精加工和精加工等加工方法以逐步提高其表面精度。

不同加工方法有序的组合即为加工方案。

表3－14即为外圆柱面的加工方案。

确定某个表面的加工方案时，先由加工表面的技术要求（加工精度、表面粗糙度等）确定最终加工方法，然后根据此种加工方法的特点，确定前道工序的加工方法，如此类推。

但由于获得同一精度及表面粗糙度的加工方法可有若干种，实际选择时还应结合零件的结构、形状、尺寸大小及材料和热处理的要求全面考虑。

表3－14中序号3（粗车→半精车→精车）与序号5（粗车→半精车→磨）两种加工方案能达到同样的精度等级。

但当加工表面需淬硬时，最终加工方法只能采用磨削。

如加工表面未经淬硬，则两种加工方案均可采用。

若零件材料为有色金属，一般不宜采用磨削。

再如表3－14中序号7（粗车→半精车→粗磨→精磨→超精加工）与序号10（粗车→半精车→粗磨→精磨→研磨）两种加工方案也能达到同样的加工精度。

当表面配合精度要求比较高时，最终加工方法采用研磨较合适；当只要求较小的表面粗糙度值，则采用超精加工较合适。

但不管采用研磨还是超精加工，对加工表面的形状精度和位置精度改善均不显著，所以前道工序应采用精磨，使加工表面的位置精度和几何形状精度达到技术要求。