軸類零件加工

第二講軸類零件加工

楊振甫【教學(xué)目的和要求】掌握在不同生產(chǎn)類型、不同精度要求的生產(chǎn)中，軸類零件加工工藝過程擬定的方法和步驟，基本能夠編制中等復(fù)雜程度軸類零件的工藝規(guī)程。

【教學(xué)內(nèi)容摘要】

一、概述二、軸類零件加工工藝編制三、普通機(jī)床主軸加工工藝過程及其分析四、軸類零件加工中的幾個(gè)主要工藝問題五軸類工件的車削質(zhì)量分析

【教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)】

重點(diǎn)：掌握軸類零件加工工藝過程擬定的方法和步驟難點(diǎn)：根據(jù)零件的技術(shù)要求靈活地選擇粗、精基準(zhǔn)和確定加工工序順序一、概述

1.軸類零件的功用與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)軸類零件主要用來支承傳動(dòng)零件、傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩。其長(zhǎng)度大于直徑，加工表面通常有內(nèi)、外圓柱面、圓錐面以及螺紋、花鍵、鍵槽、橫向孔、溝槽等。根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)，可將軸分為光滑軸、階梯軸、空心軸和異形軸(包括曲軸、凸輪軸、偏心軸和十字軸等)。若按軸的長(zhǎng)度和直徑的比例來分，又可分為剛性軸(L/d<15)和撓性軸或細(xì)長(zhǎng)軸(L/d>15)。下圖所示為軸類零件的常見種類。

軸類零件的常見種類。2.軸類零件的主要技術(shù)要求

（1）加工精度

1)尺寸精度

軸類零件的尺寸精度主要是指直徑和長(zhǎng)度的精度。直徑方向的尺寸，若有一定配合要求，比其長(zhǎng)度方向的尺寸要求嚴(yán)格得多。因此，對(duì)于直徑的尺寸常常規(guī)定有嚴(yán)格的公差。主要軸頸的直徑尺寸精度根據(jù)使用要求通常為IT6～I(xiàn)T9，甚至為IT5。至于長(zhǎng)度方向的尺寸要求則不那么嚴(yán)格，通常只規(guī)定其基本尺寸。

2）幾何形狀精度

軸頸的幾何形狀精度是指圓度、圓柱度。這些誤差將影響其與配合件的接觸質(zhì)量。一般軸頸的幾何形狀精度應(yīng)限制在直徑公差范圍之內(nèi)，對(duì)幾何形狀精度要求較高時(shí)，要在零件圖上規(guī)定形狀公差。

３）相互位置精度

保證配合軸頸(裝配傳動(dòng)件的軸頸)對(duì)于支承軸頸(裝配軸承的軸頸)的同軸度，是軸類零件相互位置精度的普遍要求，其次對(duì)于定位端面與軸心線的垂直度也有一定要求。這些要求都是根據(jù)軸的工作性能制定的，在零件圖上注出位置公差。普通精度的軸，配合軸頸對(duì)支承軸頸的徑向圓跳動(dòng)一般為0.01～0.03mm，高精度軸為0.001～0.005mm。（2）表面粗糙度

隨著機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度的增快和精密等級(jí)的提高，軸類零件的表面粗糙度要求也越來越高。一般支承軸頸的表面粗造度為Ra0.63～0.16um，配合軸頸的表面粗造度為Ra2.5～0.63um。

3.軸類零件的材料和毛坯

（1）軸類零件的材料一般軸類零件常用45號(hào)鋼，并根據(jù)工作條件不同采用不同的熱處理工藝。對(duì)于中等精度、轉(zhuǎn)速較高的軸類零件，可選用40Cr等合金結(jié)構(gòu)鋼。精度較高的軸，有時(shí)還用軸承鋼GCr15和彈簧鋼65Mn等材料。（2）軸類零件的毛坯軸類零件最常用的毛坯是圓棒料和鍛件。只有某些大型的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸，才采用鑄件。4.車軸類工件用車刀加工軸類工件一般可分為粗車和精車兩個(gè)階段。粗車的作用是提高勞動(dòng)效率，盡快將毛坯上的余量車去；而精車的作用是使工件達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求。粗車和精車的目的不同，對(duì)所用車刀的要求也存在著較大差別。粗車刀具有足夠的強(qiáng)度，能一次進(jìn)給車去較多的余量。主偏角75度、前角↓、后角↓、刃傾角0～負(fù)值、磨出過渡刃、斷屑槽

精車刀要求車刀鋒利，切削刃平直光潔，必要時(shí)還要磨出修光刃，精車時(shí)必須使切屑排向工件的待加工表面。前角↑、后角↑、副偏角↓、刃傾角為正值

常用車外圓、端面和階臺(tái)用車刀的主偏角有45°、75°、90°、93°、95°（應(yīng)用此處略）5.軸類工件的裝夾根據(jù)軸類工件的形狀、大小、加工精度和數(shù)量的不同，常有一下幾種裝夾方法。

1）三爪自定心卡盤裝夾特點(diǎn)：

2）四爪單動(dòng)卡盤裝夾特點(diǎn)：

3）一夾一頂裝夾特點(diǎn)：安全可靠，能承受較大的進(jìn)給力；為防止軸向位移，可安裝限位支撐或利用工件的臺(tái)階進(jìn)行限位。因此應(yīng)用廣泛。

4）兩頂尖裝夾對(duì)于較長(zhǎng)工件，又要經(jīng)過多次裝夾才能完成，以及多工序加工，最后要磨削的工件，為保證每次裝夾時(shí)的裝夾精度可用此方法。特點(diǎn)：裝夾方便，不需找正，裝夾精度高，但比一夾一頂裝夾的剛度低，影響切削用量的提高。對(duì)于空心軸類零件，在深孔加工完后，為了盡可能使各工序的定位基準(zhǔn)統(tǒng)一，一般采用錐堵或錐堵心軸的頂尖孔作為定位基準(zhǔn)。當(dāng)軸件錐孔錐度小時(shí)，適于采用錐堵；當(dāng)錐孔錐度較大時(shí)，應(yīng)采用錐堵心軸。二、軸類零件加工工藝編制為下圖所示的軸零件編制加工工藝為完成任務(wù)必須具備哪些基本知識(shí)？1、產(chǎn)品的生產(chǎn)過程基本概念1）產(chǎn)品的生產(chǎn)過程：

新產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)品制造產(chǎn)品銷售售后服務(wù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程圖2）產(chǎn)品的制造過程：

原材料采購(gòu)毛坯制造零件機(jī)械加工裝配包裝外購(gòu)件采購(gòu)產(chǎn)品的制造過程圖3）工藝過程：

是指將制造過程中改變生產(chǎn)對(duì)象的形狀、尺寸、相對(duì)位置和物理、力學(xué)性能等，使其成為成品或半成品的過程。4）工藝系統(tǒng)：

機(jī)床夾具刀具工件工藝系統(tǒng)工藝系統(tǒng)圖

2.機(jī)械加工工藝過程

零件毛坯成品或半成品零件機(jī)械切削加工零件的機(jī)械加工工藝過程由一系列工序組成。

機(jī)械加工工藝過程圖1）工序：

工序是指一個(gè)（或一組）工人在一個(gè)工作地點(diǎn)（如一臺(tái)機(jī)床或一個(gè)鉗工臺(tái)），對(duì)一個(gè)（或同時(shí)對(duì)幾個(gè)）工件連續(xù)完成的那部分工藝過程。

工序是組成機(jī)械加工工藝過程的基本單元。也是組織生產(chǎn)、制定生產(chǎn)計(jì)劃、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算的基本單元。

如單件生產(chǎn)階梯軸的工藝過程：

工序號(hào)工序名稱設(shè)

備1車端面、鉆中心孔車床2車外圓、車槽和倒角車床3銑鍵槽、去毛刺銑床4磨外圓磨床從階梯軸的加工過程看，有的工序內(nèi)容多，有的工序內(nèi)容少。加工內(nèi)容多少的依據(jù)是什么呢？

一個(gè)人或一組人對(duì)同一個(gè)工件在同一臺(tái)機(jī)床或鉗工臺(tái)上進(jìn)行連續(xù)的、直到轉(zhuǎn)向下一個(gè)工件加工為止的全部動(dòng)作，劃分為一道工序。

同一個(gè)工作內(nèi)容可安排在不同的工序中進(jìn)行。工序內(nèi)容包括工件的安裝、工位、工步、走刀。2）安裝：

工件加工前，使其在機(jī)床或夾具中相對(duì)刀具占據(jù)正確位置并給予固定的過程，稱為工件的安裝。

安裝過程包括定位和夾緊兩過程。

提示：一道工序可以有一次或多次安裝。請(qǐng)思考：加工階梯軸時(shí)完成各工序所需要的安裝次數(shù)。

3）工位：（加工位置）

在一次裝夾中，工件與夾具或機(jī)床可動(dòng)部分一起相對(duì)于刀具或機(jī)床固定部分所占據(jù)的每一個(gè)位置稱為工位。

工件在一次安裝有多個(gè)工作位置稱為多工位加工。

工件加工通常采用單工位加工，在大批生產(chǎn)中，借助于移動(dòng)工作臺(tái)、轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)或移動(dòng)夾具、轉(zhuǎn)動(dòng)夾具等工具才能實(shí)現(xiàn)多工位加工。

多工位加工圖4）工步：

在一道工序中加工表面、切削刀具和切削用量中切削速度和進(jìn)給量都不變的情況下連續(xù)完成的那部分工藝過程，稱為一個(gè)工步，簡(jiǎn)記為“四同一連續(xù)”。請(qǐng)思考：分工步的依據(jù)是什么？階梯軸工藝過程中各道工序分別有幾個(gè)工步？

工序號(hào)工序名稱設(shè)

備1車端面、鉆中心孔車床2車外圓、車槽和倒角車床3銑鍵槽、去毛刺銑床4磨外圓磨床單工步和復(fù)合工步：

圖1基本零件的孔加工工序圖2六角轉(zhuǎn)臺(tái)車床的不同工步圖3復(fù)合工步

把幾個(gè)加工表面用幾把刀具(或組成復(fù)合刀具)同時(shí)進(jìn)行加工，通常將其看成是一個(gè)工步，稱為復(fù)合工步，如下圖3所示。其他由單把刀具分別加工的都是單工步，如下圖1、2所示。5）走刀：

在一個(gè)工步中，如果要切掉的金屬層很厚，可分幾次切削，每切削一次就稱為一次走刀。請(qǐng)思考：不同的走刀之間是否需要改變切削速度？走刀量是否改變？背吃刀量是否改變？

總結(jié)：機(jī)械加工工藝過程由一道或多道工序組成，每道工序都包含了工件的一次或幾次安裝、一個(gè)或幾個(gè)工步、一次或幾次走刀。在高效大批量生產(chǎn)中，在一次安裝后工件還具有多個(gè)加工位置。請(qǐng)思考：工藝過程的安排與生產(chǎn)批量有關(guān)嗎？

3.軸類零件的一般加工工藝路線

軸類零件的主要表面是各個(gè)軸頸的外圓表面，空心軸的內(nèi)孔精度一般要求不高，而精密主軸上的螺紋、花鍵、鍵槽等次要表面的精度要求也比較高。因此,軸類零件的加工工藝路線主要是考慮外圓的加工順序，并將次要表面的加工合理地穿插其中。下面是生產(chǎn)中常用的不同精度、不同材料軸類零件的加工工藝路線，可作參考：

(1)一般滲碳鋼的軸類零件加工工藝路線:備料→鍛造→正火→打頂尖孔→粗車→半精車、精車→滲碳(或碳氮共滲)→淬火、低溫回火→粗磨→次要表面加工→精磨。

(2)一般精度調(diào)質(zhì)鋼的軸類零件加工工藝路線:備料→鍛造→正火(退火)→打頂尖孔→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車、精車→表面淬火、回火→粗磨→次要表面加工→精磨。

(3)精密氮化鋼軸類零件的加工工藝路線：備料→鍛造→正火(退火)→打頂尖孔→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車、精車→低溫時(shí)效→粗磨→氮化處理→次要表面加工→精磨→光磨。

(4)整體淬火軸類零件的加工工藝路線：備料→鍛造→正火（退火）→打頂尖孔→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車、精車→次要表面加工→整體淬火→粗磨→低溫時(shí)效→精磨。

一般精度軸類零件，最終工序采用精磨就足以保證加工質(zhì)量。精密軸類零件，除了精加工外，還應(yīng)安排光整加工。對(duì)于除整體淬火之外的軸類零件，其精車工序可根據(jù)具體情況不同，安排在淬火熱處理之前進(jìn)行，或安排在淬火熱處理之后，次要表面加工之前進(jìn)行。應(yīng)該注意的是經(jīng)淬火后的部位，不能用一般刀具切削，所以一些溝、槽、小孔等須在淬火之前加工完。三、普通機(jī)床主軸加工工藝過程及其分析

普通機(jī)床主軸常為空心軸類零件，其工藝路線較長(zhǎng)，加工難度大，是軸類零件最有代表性的零件之一，它涉及到軸類零件加工的許多基本工藝問題?，F(xiàn)以圖19-2所示的一種車床主軸為例進(jìn)行分析。１．主軸的技術(shù)條件分析主軸的支承軸頸是主軸的裝配基準(zhǔn)，它的制造精度直接影響到主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度，故對(duì)它提出很高的技術(shù)要求。主軸前端錐孔是安裝頂尖等小型夾具或工具錐柄的，其中心線必須與支承軸頸中心線嚴(yán)格同軸。主軸前端圓錐面是安裝卡盤等較大型夾具的重要表面，其中心線必須與支承軸頸中心線同軸。主軸軸向定位面與主軸旋轉(zhuǎn)中心線必須垂直，否則會(huì)引起主軸周期性的軸向竄動(dòng)。因此，必須控制其垂直度要求。由上面分析可知，以上各面為主軸的主要表面。其中支承軸頸的尺寸精度、幾何形狀精度、與其它表面相互位置精度要求更高，這是主軸加工中的關(guān)鍵?，F(xiàn)以圖的一種車床主軸為例進(jìn)行分析。

2．主軸加工工藝過程

該主軸所用材料為45號(hào)鋼，鍛件，大批量生產(chǎn)，因此確定圖所示的主軸加工工藝路線為:備料-鍛造-正火-粗加工-調(diào)質(zhì)-半精加工-錐孔及外錐體的局部淬火、回火-精車-粗磨-銑花鍵、鍵槽-花鍵淬火、回火-粗、精磨(外圓、錐孔、外錐體)。其加工工藝過程見表19-1。表19-1主軸加工工藝過程

外圓

深孔鉆床

鉆深孔

10一夾一

仿形車床

仿形車小端各部

9頂尖孔

普通車床

車大端各部

8熱處理調(diào)質(zhì)220～250HBS

7頂尖孔

普通車床

粗車各外圓面

6專用機(jī)床

銑端面打頂尖孔

5鋸頭

4熱處理，正火

3立式精鍛機(jī)

精鍛

2備料

1定位基z設(shè)備

工序內(nèi)容

工

頂尖孔

花鍵銑床

粗精銑花鍵

18頂尖孔

萬能外圓磨

粗磨外錐體

17外圓

內(nèi)圓磨床

粗磨內(nèi)錐孔

16頂尖孔

萬能外圓磨床

粗磨兩支承軸頸

15頂尖孔

數(shù)控車床

精車各外圓并切槽

14錐孔及外錐面局部高頻淬火45～50HRC

13外圓

普通車床

車大端錐孔（配莫氏6號(hào)錐堵），車外短

12外圓普通車床

車小端內(nèi)錐面（配1∶20錐堵）

11檢查按圖樣技術(shù)要求項(xiàng)目檢查

24外圓

主軸錐孔磨

精磨莫氏6號(hào)內(nèi)錐孔

23頂尖孔

專用組合磨

精磨外錐體

22頂尖孔

萬能外圓磨

粗精磨各外圓及兩端面M、N

21熱處理：花鍵淬火、回火

20外圓

立銑

銑鍵槽

193．主軸加工工藝過程分析

⑴合理選擇定位基準(zhǔn)

軸類零件加工中多數(shù)工序用的定位基準(zhǔn)是頂尖孔。本例中大部分工序均采用頂尖孔作為定位基準(zhǔn)，由于本例中通孔加工在第10道工序，故在此之前使用頂尖孔定位，在此之后則利用錐孔配以錐堵定位，仍相當(dāng)于頂尖孔定位。為了保證支承軸頸與內(nèi)錐孔的同軸度要求，在最后精加工內(nèi)錐孔以及錐堵配合孔口時(shí)，以支承軸頸作為定位基準(zhǔn)，以避免基準(zhǔn)不重合引起的加工誤差。在加工其它一些內(nèi)表面時(shí)，也用外圓表面定位。如本例中的第10,11,12,16,23工序。頂尖孔與軸頸外圓表面兩者交替使用，互為基準(zhǔn)。⑵合理安排熱處理工序

應(yīng)合理地安排足夠的熱處理工序，以保證主軸的力學(xué)性能及加工精度要求，并改善切削加工性能。其中正火、調(diào)質(zhì)屬于預(yù)備熱處理，錐孔及外錐體的局部淬火、回火與花鍵的淬火、回火屬于最終熱處理。為了減少變形，錐部淬火與花鍵淬火應(yīng)分開進(jìn)行，并且錐部淬火及回火后，需用粗磨糾正淬火變形。然后再進(jìn)行花鍵的加工與淬火。最后用精磨消除總的變形，從而保證主軸的加工質(zhì)量。⑶劃分加工階段

由于主軸的加工精度要求高，，必須將主軸的加工過程按粗、精分開的原則劃分階段，在粗加工和半精加工中產(chǎn)生的變形和誤差在下階段中予以消除和糾正。最好粗、精加工階段之間要間隔一些時(shí)間，讓上道工序產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力逐步消失。工序7調(diào)質(zhì)熱處理之前為粗加工階段，工序13表面淬火以前的工序，為各主要表面的半精加工階段，表面淬火以后的工序，是精加工階段；要求較高的支承軸頸和莫氏6號(hào)錐孔的精加工，放在最后進(jìn)行。這樣，主要表面的精加工就不會(huì)受到其它表面的加工或內(nèi)應(yīng)力重新分布的影響?？梢钥闯?，整個(gè)主軸的加工過程，就是以主要表面(特別是支承軸頸表面)的粗加工、半精加工、精加工為主干，適當(dāng)穿插其它表面的加工工序而組成的。⑷合理安排工序順序在安排工序順序時(shí)，首先要與定位基準(zhǔn)的選擇相適應(yīng)，當(dāng)粗、精基準(zhǔn)選定后，加工順序就大致確定了。因?yàn)楦麟A段加工開始時(shí)總是先加工基準(zhǔn)面，后加工其它面。如本例中頂尖孔、支承軸頸定位面的加工，均安排在各加工階段開始時(shí)完成，這樣，有利于加工時(shí)有比較精確的定位基準(zhǔn)面，以減小定位誤差，保證加工質(zhì)量。

其次，安排加工順序時(shí)，應(yīng)粗、精加工分開進(jìn)行，先粗后精，主要表面的精加工安排在最后。如上述工藝過程中的第23道精磨錐孔工序安排在了最后。

第三，熱處理工序安排要適當(dāng)。為改善金屬組織和加工性能而安排的熱處理，如退火、正火等，一般應(yīng)安排在機(jī)械加工之前；為提高零件的力學(xué)性能而安排的熱處理，如調(diào)質(zhì)，一般應(yīng)安排在粗加工之后，精加工之前。為提高表面硬度而安排的淬火應(yīng)安排在粗磨之前，氮化安排在粗磨之后，精磨之前。

第四，淬硬表面上的孔、槽加工等應(yīng)在淬火之前完成，淬火后要安排修正工序；對(duì)非淬硬表面上的孔、槽加工盡可能往后安排，一般應(yīng)放在外圓精車（或粗磨）之后，精磨加工前進(jìn)行。在軸件剛性大時(shí)，先車小直徑外圓表面并按順序向大直徑處加工，然后掉頭車大端外圓，這樣比較方便，生產(chǎn)效率較高；對(duì)于剛性較差的軸類零件，則應(yīng)先車大直徑后車小直徑，以避免軸件剛性過早地降低。

四、軸類零件加工中的幾個(gè)主要工藝問題

1．錐堵和錐堵心軸的使用對(duì)于空心軸類零件，在深孔加工完后，為了盡可能使各工序的定位基準(zhǔn)統(tǒng)一，一般采用錐堵或錐堵心軸的頂尖孔作為定位基準(zhǔn)。當(dāng)軸件錐孔錐度小時(shí)，適于采用錐堵；當(dāng)錐孔錐度較大時(shí)，應(yīng)采用錐堵心軸。圖19-4和圖19-5是錐堵和錐堵心軸的簡(jiǎn)圖。使用錐堵或錐堵