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1、第五章 典型零件的加工工艺,第一节 轴类零件的加工 第二节 箱体类零件加工 第三节 圆柱齿轮加工 第四节 连杆加工,第一节 轴类零件的加工 一、轴类零件的功用和结构特点 轴类零件是机器中的主要零件之一，它的主要功能是支承传动零件（齿轮、带轮、离合器等）和传递扭矩。从轴类零件的结构特征来看，它们都是长度L大于直径d的回转体零件，L/d12的轴通常称为刚性轴，而L/d12的轴则称为挠性轴。轴类零件的加工表面主要有内外圆柱面、内外圆锥面、轴肩、螺纹、花键、沟槽等。,图5-1 各种类型的轴,二、轴类零件的技术要求 轴通常是由支承轴颈支承在机器的机架或箱体上，实现传递运动和动力的功能。支承轴颈表面的精度
2、及其与轴上传动件配合表面的位置精度对轴的工作状态和精度有直接的影响。因此，轴类零件的技术要求通常包含以下几个方面。 1尺寸精度 轴类零件的支承轴颈一般与轴承配合，是轴类零件的主要表面，影响轴的回转精度与工作状态，通常对其尺寸精度要求较高，为IT5-IT7级；装配传动件的轴颈尺寸精度要求可低一些，为IT6 - IT9级。 2.形状精度 轴类零件的形状精度主要是指支承轴颈的圆度、圆柱度，一般应将其控制在尺寸公差范用内，对精度要求高的轴，应在图样上标注其形状公差。 3.位置精度 保证配合轴颈相对支承轴颈的同轴度或跳动，是轴类零件位置精度的普遍要求，它会影响传动件的传动精度。 4.表面粗糙度 一般与传
3、动件相配合的轴颈的表面粗糙度Ra值为2.56.3m，与轴承相配合的支承轴颈的表面粗糙度Ra值为0.160.63m。,三、轴类零件的材料、毛坯及热处理 1.轴类零件的材料 轴类零件应根据其不同工作条件和使用要求选择不同的材料和不同的热处理方法，以获得一定的强度、韧性和耐磨性。 45钢是一般轴类零件常用的材料，经过调质处理可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合力学性能。40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴，这类钢经调质和表面淬火处理后，具有较高的综合力学性能。轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn可制造较高精度的轴，这类钢经调质和表面高频感应加热淬火后再回火，表面硬度可达50
4、58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和耐磨性。对于在高转速、重载荷等条件下工作的轴，可选用20CrMnTi, 20Mn2B等低碳合金钢或38CrMoA1中碳渗氮钢 。,2.轴类零件的毛坯 轴类零件常用的毛坯是圆棒料和锻件，某些大型或结构复杂的轴（如曲轴），在质量允许的情况下可采用铸件。比较重要的轴大都采用锻件。 3.轴类零件的热处理 轴类零件在机加工前、后和过程中一般均需安排一定的热处理工序。在机加工前，对毛坯进行热处理的目的主要是改善材料的切削加工性、消除毛坯制造过程中产生的内应力。如对锻造毛坯通过退火或正火处理可以使钢的晶粒细化，降低硬度，便于切削加工，同时也消除了锻造应力。对于圆棒料毛坯，
5、通过调质处理或正火处理可以有效地改善材料的切削加工性。在机加工过程中的热处理，主要是为了消除各个加工阶段产生的内应力，以利于保证后续加工工序的加工精度。终加工工序前的热处理，目的是为了工件能达到要求的表面力学物理性能，同时消除应力。,四、轴类零件加工工艺分析 (一) 轴类零件定位基准与装夹方法的选择 在轴类零件加工中，为保证各主要表面的相互位置精度，选择定位基准时，应尽可能使其与装配基准重合并使各工序的基准统一，而且还要考虑在一次安装中尽可能加工出较多的面。 轴类零件加工时，精基准的选择通常有两种： 首选方案是采用顶尖孔作为定位基准。这样，可以实现基准统一，能在一次安装中加工出各段外圆表面及其
6、端面，可以很好的保证各外圆表面的同轴度以及外圆与端面的垂直度，加工效率高并且所用夹具结构简单。所以对于实心轴（锻件或棒料毛坯），在粗加工之前，应先打顶尖孔，以后的工序都用顶尖孔定位。对于空心轴，由于中心的孔钻出后，顶尖孔消失，可采用下面的方法：,1)在中心通孔的直径较小时，可直接在孔口倒出宽度不大于2mm的60锥面，用倒角锥面代替中心孔。 2）在不宜采用倒角锥面作为定位基准时，可采用带有中心孔的锥堵或带锥堵的拉杆心轴，如图5-2所示。锥堵与工件的配合面应根据工件的形状做成相应的锥形（如图5-2a所示），如果轴的一端是圆柱孔，则锥堵的锥度取1：500（如图5-2b所示）。通常情况下，锥堵装好后不
7、应拆卸或更换，如必须拆卸，重装后必须按重要外圆进行找正和修磨中心孔。 如果轴的长径比较大，而刚性较差，通常还需要增加中间支承来提高系统的刚性，常用的辅助支承是中心架或跟刀架。 精基准选择的另一方案是采用支承轴径定位，因为支承轴径既是装配基准，也是各个表面相互位置的设计基准，这样定位符合基准重合的原则，不会产生基准不重合误差，容易保证关键表面间的位置精度。,图5-2 锥堵与锥堵心轴 a)、b)锥堵 c)锥堵心轴,(二)轴类零件中心孔的修研 作为定位基面的中心孔的形状误差（如多角形、椭圆等）会复映到加工表面上去，中心孔与顶尖的接触精度也将直接影响加工误差，因此，对于精密轴类零件，在拟定工艺过程时必
8、须保证中心孔具有较高的加工精度。 单件小批生产时，中心孔主要是在卧式车床或钻床上钻出；大批量生产时，均用铣端面打中心孔机床来加工中心孔，不但生产率高，而且能保证两端中心孔在同一轴线上和保证一批工件两端中心孔间距相等。 中心孔经过多次使用后可能磨损或拉毛，或者因热处理和内应力而使表面产生氧化皮或发生位置变动，因此在各个加工阶段（特别是热处理后）必须修研中心孔，甚至重新钻中心孔。修研中心孔常用的方法有：,1)用油石或橡胶砂轮修研 修研时将圆柱形的油石或橡胶砂轮夹在车床的卡盘上，用装在刀架上的金刚石笔将它前端修成顶尖形状，然后将工件顶在油石和车床后顶尖之间，加入少量的润滑油，高速开动车床使油石转动进
9、行修研；同时，手持工件断续转动，以达到均匀修整的目的。这种方法油石或砂轮的损耗量大，不适合大批量生产。 2)用铸铁顶尖修研 与第一种方法基本相同，只是用铸铁顶尖代替油石顶尖，顶尖转速略低一些，而且修研时要加研磨剂。 3)用硬质合金顶尖修研 修研用的工具为硬质合金顶尖，它的结构是在60锥面上磨出六角形，并留有f=0.20.5mm的等宽刃带。这种方法生产率高，但修研质量稍差，多用于普通轴中心孔的修研，或作为精密轴中心孔的粗研。 4)用中心孔专用磨床磨削 这种方法精度和效率都较高，表面粗糙度可达Ra0.32m，圆度达0.8m。,（三）轴类零件典型加工工艺路线 对于7级精度、表面粗糙度Ral-0.5m
10、的一般传动轴，其典型工艺路线为：正火一车端面、钻顶尖孔一粗车各表面一精车各表面一铣花键、键槽等一热处理一修研顶尖孔一粗磨外圆一精磨外圆一检验。 轴类零件的粗车、半精车虽然都是在车床上进行，但随着批量不同，所选的机床也不同，加工方法存在较大差异。一般单件小批生产中使用卧式车床，大批量则广泛采用液压仿形车床或多刀半自动车床；对于形状复杂的轴类零件，在转塔车床或数控车床上加工效果更好。 轴上花键、键槽等次要表面的加工，一般都在外圆精车之后，磨削之前进行。 在轴类零件的加工过程中，通常都要安排适当的热处理，以保证零件的力学性能和加工精度，并改善切削加工性。一般毛坯锻造后安排正火工序，而调质处理则安排在
11、粗加工后，以消除粗加工产生的应力及获得较好的金相组织。,（四）车床主轴加工工艺及检验 机床主轴一般都是单一轴心线的阶梯轴，工艺过程较长，定位和加工较复杂。下面以图5-3所示成批生产的C6150型车床主轴为例，说明主轴加工的工艺过程及检验方法。 1C6150主轴加工工艺过程 加工工艺过程见表5-1。,图5-3 C6150型车床主轴简图,表5-1 C6150车床主轴机械加工工艺过程,2 C6150主轴加工工艺过程分析 从表5-1中可以看出，C6150主轴的加工既有轴类零件加工的共性，也有空心轴加工的工艺特点，分析如下： (1)加工阶段的划分由于主轴是多阶梯带通孔的零件，切除大量金属后，会引起残余应
12、力重新分布而变形，所以安排工序时，一定要粗精分开。C6150主轴的加工就是以重要表面的粗加工、半精加工和精加工为主线，适当穿插其他表面的加工工序而组成的工艺路线，各阶段的划分大致以热处理为界。 (2)定位基准的选择为避免引起变形，主轴通孔的加工不能安排在最后，所以安排工艺路线时不可能用主轴本身的中心孔作为统一的定位基准，而要使用中心孔和外圆表面互为基准：,1) 用毛坯外圆表面作为粗基面，钻中心孔； 2）用中心孔定位，粗车外圆表面和端面； 3）用外圆表面定位，钻中心通孔； 4) 用外圆表面定位，半精加工中心通孔，大端锥孔和小端圆柱孔（或锥孔）； 5) 用带有中心孔的锥套心轴定位，进行半精加工和精
13、加工工序，如图5-4所示。,图5-4 锥套心轴 1一夹头 2一心轴 3一锥套 4一垫圈 5一螺母,(3)工序顺序的安排 1)先安排定位基面加工 在主轴的加工过程中，不论在任何加工阶段，总是先安排好定位基面的加工，为加工其他表面做好准备，如粗加工阶段工序4，半精加工阶段工序10，精加工阶段工序15。 2)后安排其他表面和次要表面的加工 对于主轴上的花键、键槽、螺纹等次要表面的加工，通常安排在外圆精车或粗磨以后、精磨之前进行，否则会在外圆终加工时产生冲击，不利于保证加工质量和影响刀具的寿命，或者会破坏主要表面已经获得的精度。 3)深孔的加工 为使中心孔能够在多道工序中使用，深孔加工应靠后安排。但深
14、孔加工属于粗加工，余量大、发热多、变形大，所以不能放到最后加工。本例安排在外圆半精车之后，以便有一个较为精确的轴径作为定位基准，这样加工出的孔容易保证主轴壁厚均匀。,(4)主要表面加工方法的选择 1)主轴各外圆表面的加工 主轴各外圆表面的车削通常划分为粗车、半精车、精车三个步骤。为了提高生产率，不同生产条件下采用不同的机床设备：单件小批生产时，采用卧式车床；成批生产时，采用液压仿形车床、转塔车床或数控车床；大批大量生产时，常采用液压仿形或多刀半自动车床等。 一般精度的车床主轴精加工采用磨削方法，安排在最终热处理之后，用以纠正热处理中产生的变形并最后达到精度和表面粗糙度要求。 磨削主轴一般在外圆
15、磨床或万能磨床上进行，前后两顶尖都采用高精度的固定顶尖，并注意顶尖和中心孔的接触面积，必要时要研磨顶尖孔，并对磨床砂轮轴的轴承也提出很高的要求。,2）主轴锥孔的精加工 主轴锥孔的精加工是主轴加工的最后一个关键工序。C6150型车床主轴的锥孔加工在改装的专用锥孔磨床上进行，采用两个支承轴径表面作为定位基面，并以82轴肩作轴向定位。安装主轴支承轴径的夹具有图5-5所示3种，可根据生产类型和加工要求选用。,图5-5 主轴锥孔的磨夹具,3)主轴中心通孔的加工 C6150车床主轴的中心通孔加工属于深孔加工，使用的刀具细长、刚性差、排屑困难、散热条件差，因此加工困难，工艺较复杂。单件小批生产时，可在普通钻
16、床上用接长的麻花钻加工。但要注意，加工中需要多次退出钻头以便排屑和冷却钻头和工件。批量较大时，采用深孔钻床及深孔钻头，可以获得较高的加工质量和生产效率。,3主轴的检验 在零件加工全部完成后，要对主轴的尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度进行全面检查，以确保各项精度指标达到图样要求。 主轴的最终检验要按一定顺序进行，先检验各个外圆的尺寸精度、素线平行度和圆度，再用外观比较法检验各表面的粗糙度和表面缺陷，最后再用专用检具检验各表面之间的位置精度，这样可以判明和排除不同性质误差之间对测量精度的干扰。 检验前、后支承轴径对公共基准的同轴度误差，通常采用如图5-6所示的方法。如果支承轴径的圆度误差很小，可以忽略，千分表的读数可作为各对应轴径相对于轴心线的同轴度误差。,图5-6 支承轴径同轴度的检验,图5-7 主轴相互位置精度的检验,主轴的加工幻灯片,五、其它轴类零件的加工工艺特点 1、细长轴加工 长度与直径之比大于20（L/D20）的轴称为细长轴。细长轴零件由于长径比大，刚性差，在切削过程中极易产生弯曲变形和振动；且加工中连续切削
