典型零件的加工工艺

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1、 第五章第五章 典型零件的加工工艺典型零件的加工工艺 第一节 轴类零件的加工 第一节 轴类零件的加工 一、概述一、概述 1. 轴类零件的功用、结构特点轴类零件的功用、结构特点 功用 轴类零件是机械加工中经常遇到的零件之一， 在机器中， 主要用来支承传动零件 如齿轮、带轮，传递运动与扭矩，如机床主轴；有的用来装卡工件，如心轴。 结构特点 轴类零件是旋转体零件， 其长度大于直径， 通常由外圆柱面、 圆锥面、 螺纹、 花键、键槽、横向孔、沟槽等表面构成。按其结构特点分类有：光轴、阶梯轴、空心轴和异形 轴（包括曲轴、半轴、凸轮轴、偏心轴、十字轴和花键轴等）四类。如图-1 所示。若按轴的 长度和直径的比

2、例来分，又可分为刚性轴（L/d12）和挠性轴（L/d12）两类。 2. 轴类零件的主要技术要求轴类零件的主要技术要求 加工精度 尺寸精度 轴类零件的主要表面常为两类：一类是与轴承的内圈配合的外圆轴颈，即支 承轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为 IT 5IT7；另一类为与各类 传动件配合的轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，常为 IT6IT9。 图图 51 轴的种类轴的种类 (a) 光轴光轴 (b) 空心轴空心轴 (c) 半轴半轴 (d) 阶梯轴阶梯轴 (e) 花键轴花键轴 (f) 十字轴十字轴 (g) 偏心轴偏心轴 (h) 曲轴曲轴 (i) 凸轮轴凸轮轴 形状精度 主要指轴颈表

3、面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度。其误差一般 应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行规定其几何形状精度。 相互位置精度 包括内、外表面、重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心 线的垂直度、端面间的平行度等。 表面粗糙度 轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确 定。支承轴颈常为 0.21.6m，传动件配合轴颈为 0.43.2m。 3. 轴类零件的材料、毛坯及热处理轴类零件的材料、毛坯及热处理 轴类零件材料 常用 45 钢，精度较高的轴可选用 40Cr、轴承钢 GCr15、弹簧钢 65Mn， 也可选用球墨铸铁； 对高速、 重载的轴， 选用20

4、CrMnTi、 20Mn2B、 20Cr等低碳合金钢或38CrMoAl 氮化钢。 轴类毛坯 常用圆棒料和锻件； 大型轴或结构复杂的轴采用铸件。 毛坯经过加热锻造后， 可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。 (3) 轴类零件的热处理 锻造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除锻造应力，降 低材料硬度，改善切削加工性能。 调质一般安排在粗车之后、半精车之前，以获得良好的物理力学性能。 表面淬火一般安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。 精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理。 二、车床主轴的加工工艺二、车床主轴

5、的加工工艺 1CA6140 车床主轴技术要求及功用车床主轴技术要求及功用 图图 52 CA6140 车床的主轴简图车床的主轴简图 图 5-2 为 CA6140 车床主轴零件简图。由零件简图可知，该主轴呈阶梯状，其上有安装支 承轴承、传动件的圆柱、圆锥面，安装滑动齿轮的花键，安装卡盘及顶尖的内外圆锥面，联接 紧固螺母的螺旋面，通过棒料的深孔等。下面分别介绍主轴各主要部分的作用及技术要求： 支承轴颈 主轴二个支承轴颈 A、B 圆度公差为 0.005mm，径向跳动公差为 0.005mm； 而支承轴颈 112 锥面的接触率70%；表面粗糙度 Ra 为 0.4m；支承轴颈尺寸精度为 IT5。 因为主轴支

6、承轴颈是用来安装支承轴承，是主轴部件的装配基准面，所以它的制造精度直接影 响到主轴部件的回转精度。 端部锥孔 主轴端部内锥孔（莫氏 6 号）对支承轴颈 A、B 的跳动在轴端面处公差为 0.005mm，离轴端面 300mm 处公差为 0.01 mm；锥面接触率70%；表面粗糙度 Ra 为 0.4m； 硬度要求 4550HRC。该锥孔是用来安装顶尖或工具锥柄的，其轴心线必须与两个支承轴颈的 轴心线严格同轴，否则会使工件（或工具）产生同轴度误差。 端部短锥和端面 头部短锥 C 和端面 D 对主轴二个支承轴颈 A、B 的径向圆跳动公差 为 0.008mm；表面粗糙度 Ra 为 0.8m。它是安装卡盘的

7、定位面。为保证卡盘的定心精度，该圆 锥面必须与支承轴颈同轴，而端面必须与主轴的回转中心垂直。 空套齿轮轴颈 空套齿轮轴颈对支承轴颈 A、B 的径向圆跳动公差为 0.015 mm。由于 该轴颈是与齿轮孔相配合的表面，对支承轴颈应有一定的同轴度要求，否则引起主轴传动啮合 不良，当主轴转速很高时，还会影响齿轮传动平稳性并产生噪声。 螺纹 主轴上螺旋面的误差是造成压紧螺母端面跳动的原因之一，所以应控制螺纹的加 工精度。当主轴上压紧螺母的端面跳动过大时，会使被压紧的滚动轴承内环的轴心线产生倾斜， 从而引起主轴的径向圆跳动。 2主轴加工的要点与措施主轴加工的要点与措施 主轴加工的主要问题是如何保证主轴支承

8、轴颈的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度，主 轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度以及它们对支承轴颈的位置精度。 主轴支承轴颈的尺寸精度、形状精度以及表面粗糙度要求，可以采用精密磨削方法保证。 磨削前应提高精基准的精度。 保证主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度同样应采用精密磨削的方法。为了保证 外锥面相对支承轴颈的位置精度，以及支承轴颈之间的位置精度，通常采用组合磨削法，在一 次装夹中加工这些表面，如图 5-3 所示。机床上有两个独立的砂轮架，精磨在两个工位上进行， 工位精磨前、后轴颈锥面，工位用角度成形砂轮，磨削主轴前端支承面和短锥面。 主轴锥孔相对于支承轴颈的位置精度是靠采用支承轴颈

9、 A、B 作为定位基准，而让被加工 主轴装夹在磨床工作台上加工来保证。以支承轴颈作为定位基准加工内锥面，符合基准重合原 则。在精磨前端锥孔之前，应使作为定位基准的支承轴颈 A、B 达到一定的精度。主轴锥孔的 磨削一般采用专用夹具，如图 5-4 所示。夹具由底座 1、支架 2 及浮动夹头 3 三部分组成，两个 支架固定在底座上，作为工件定位基准面的两段轴颈放在支架的两个 V 形块上，V 形块镶有硬 质合金，以提高耐磨性，并减少对工件轴颈的划痕，工件的中心高应正好等于磨头砂轮轴的中 心高，否则将会使锥孔母线呈双曲线，影响内锥孔的接触精度。后端的浮动卡头用锥柄装在磨 床主轴的锥孔内，工件尾端插于弹性

10、套内，用弹簧将浮动卡头外壳连同工件向左拉，通过钢球图5-3 组合磨削图5-3 组合磨削压向镶有硬质合金的锥柄端面，限制工件的轴向窜动。采用这种联接方式，可以保证工件支承 轴颈的定位精度不受内圆磨床主轴回转误差的影响， 也可减少机床本身振动对加工质量的影响。 主轴外圆表面的加工，应该以顶尖孔作为统一的定位基准。但在主轴的加工过程中，随着 通孔的加工，作为定位基准面的中心孔消失，工艺上常采用带有中心孔的锥堵塞到主轴两端孔 中，如图 5-4 所示，让锥堵的顶尖孔起附加定位基准的作用。 3CA6140 车床主轴加工定位基准的选择车床主轴加工定位基准的选择 主轴加工中，为了保证各主要表面的相互位置精度，

11、选择定位基准时，应遵循基准重合、 基准统一和互为基准等重要原则，并能在一次装夹中尽可能加工出较多的表面。 由于主轴外圆表面的设计基准是主轴轴心线，根据基准重合的原则考虑应选择主轴两端的 顶尖孔作为精基准面。用顶尖孔定位，还能在一次装夹中将许多外圆表面及其端面加工出来， 有利于保证加工面间的位置精度。所以主轴在粗车之前应先加工顶尖孔。 为了保证支承轴颈与主轴内锥面的同轴度要求，宜按互为基准的原则选择基准面。如车小 端 120 锥孔和大端莫氏 6 号内锥孔时， 以与前支承轴颈相邻而它们又是用同一基准加工出来 的外圆柱面为定位基准面 （因支承轴颈系外锥面不便装夹） ； 在精车各外圆 （包括两个支承轴

12、颈） 时，以前、后锥孔内所配锥堵的顶尖孔为定位基面；在粗磨莫氏 6 号内锥孔时，又以两圆柱面 为定位基准面；粗、精磨两个支承轴颈的 112 锥面时，再次用锥堵顶尖孔定位；最后精磨莫 氏 6 号锥孔时，直接以精磨后的前支承轴颈和另一圆柱面定位。定位基准每转换一次，都使主 轴的加工精度提高一步。 4CA6140 车床主轴主要加工表面加工工序安排车床主轴主要加工表面加工工序安排 CA6140 车床主轴主要加工表面是75h5、80h5、90g5、105h5 轴颈，两支承轴颈及大 头锥孔。它们加工的尺寸精度在 IT5IT6 之间，表面粗糙度 Ra为 0.40.8m。 主轴加工工艺过程可划分为三个加工阶段

13、，即粗加工阶段（包括铣端面、加工顶尖孔、粗 车外圆等） ；半精加工阶段（半精车外圆，钻通孔，车锥面、锥孔，钻大头端面各孔，精车外圆 等） ；精加工阶段（包括精铣键槽，粗、精磨外圆、锥面、锥孔等） 。 在机械加工工序中间尚需插入必要的热处理工序，这就决定了主轴加工各主要表面总是循 着以下顺序的进行，即粗车调质（预备热处理）半精车精车淬火-回火（最终热处理） 粗磨精磨。 综上所述，主轴主要表面的加工顺序安排如下： 外圆表面粗加工（以顶尖孔定位）外圆表面半精加工（以顶尖孔定位）钻通孔（以半 精加工过的外圆表面定位）锥孔粗加工（以半精加工过的外圆表面定位，加工后配锥堵） 外圆表面精加工（以锥堵顶尖孔定

14、位）锥孔精加工（以精加工外圆面定位） 。 图图 54 锥堵与锥套心轴锥堵与锥套心轴 a) 锥堵锥堵 b) 锥套心轴锥套心轴 当主要表面加工顺序确定后，就要合理地插入非主要表面加工工序。对主轴来说非主要表 面指的是螺孔、键槽、螺纹等。这些表面加工一般不易出现废品，所以尽量安排在后面工序进 行，主要表面加工一旦出了废品，非主要表面就不需加工了，这样可以避免浪费工时。但这些 表面也不能放在主要表面精加工后， 以防在加工非主要表面过程中损伤已精加工过的主要表面。 对凡是需要在淬硬表面上加工的螺孔、键槽等，都应安排在淬火前加工。非淬硬表面上螺 孔、键槽等一般在外圆精车之后，精磨之前进行加工。主轴螺纹，因

15、它与主轴支承轴颈之间有 一定的同轴度要求，所以螺纹安排在以非淬火-回火为最终热处理工序之后的精加工阶段进行， 这样半精加工后残余应力所引起的变形和热处理后的变形，就不会影响螺纹的加工精度。 5CA6140 车床主轴加工工艺过程 车床主轴加工工艺过程 表 5-1 列出了 CA6140 车床主轴的加工工艺过程。 生产类型：大批生产；材料牌号：45 号钢；毛坯种类：模锻件 表 5-1 大批生产 CA6140 车床主轴工艺过程 表 5-1 大批生产 CA6140 车床主轴工艺过程 序号 工序名称 工序内容 定位基准 设备 1 备料 2 锻造 模锻 立式精锻机 3 热处理 正火 4 锯头 5 铣端面钻中

16、心孔 毛坯外圆 中心孔机床 6 粗车外圆 顶尖孔 多刀半自动车床 7 热处理 调质 8 车大端各部 车大端外圆、短锥、端面及台 阶 顶尖孔 卧式车床 9 车小端各部 仿形车小端各部外圆 顶尖孔 仿形车床 10 钻深孔 钻48mm 通孔 两端支承轴颈 深孔钻床 11 车小端锥孔 车小端锥孔（配 120 锥堵， 涂色法检查接触率50%） 两端支承轴颈 卧式车床 12 车大端锥孔 车大端锥孔 （配莫氏6号锥堵， 涂色法检查接触率30%） 、 外短锥及端面 两端支承轴颈 卧式车床 13 钻孔 钻大头端面各孔 大端内锥孔 摇臂钻床 14 热处理 局部高频淬火（90g5、短锥 及莫氏 6 号锥孔） 高频淬火设备 15 精车