专题论文--浅谈轴类零件加工工艺

毕业设计（或论文）说明书专题论文浅谈轴类零件加工工艺摘要：轴是组成机器的主要零件之一，一切作回转运动的传动零件（例如齿轮，蜗轮等），都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。它通常被用于支撑传动件的传递扭矩。轴是旋转体零件，其长度大于直径。加工表面通常由内外圆柱面、圆锥面、螺纹、花键、横孔、沟槽等。关键字：轴，精度，基准正文：轴是组成机械的主要零件之一，所以在机械加工中轴的加工工艺是做为重中之中来进行研究的。目前我国正在大力发展制造工业，因此对轴类加工工艺的研究也提出了新的要求。在当今各国加工工艺飞速发展，对零件的加工精度不断提高，各种高精密设备的应用使零件的加工速度和加工精度比以往有了很大改观，因此我们也应该有责任去追赶并超越。作为一名从事机械行业的学生我也要谈一下自己对该方面的见解。一 概 述1轴类零件的功用与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。 根据轴的结构形状，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。 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。 2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 、 20CrMnTi 等低碳合金钢进行渗碳淬火，或用 38CrMoAlA 氮化钢进行氮化处理。 外圆表面是轴类零件的主要表面，因此要能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。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）。二 外圆表面的加工方法和加工方案1 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 IT11IT13 ，表面粗糙度 Ra5012.5 m 。 半精车的尺寸精度可达 IT8IT10 ，表面粗糙度 Ra6.33.2 m 。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 IT7IT8 ，表面粗糙度 Ra1.60.8 m 。 精细车后的尺寸精度可达 IT6IT7 ，表面粗糙度 Ra0.40.025 m 。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。 2 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 IT6IT8 ，表面粗糙度 Ra0.80.1 m 。按进给方式不同分为纵向进给磨削法和横向进给磨削法。 a 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。b 横向进给磨削法（切入磨法） 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。 如图 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 角。这样导轮的圆周速 度 导 可以分解为带动工件旋转的 工 和使工件轴向进给的分量 纵 。 如图 6-5 为切入磨削法磨削的原理。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砂轮作横向进给。磨削结束后，导轮后退，取下工件。导轮的轴线与砂轮的轴线平行或相交成很小的角度（ 0.51 o ），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： a 由于导轮倾斜了一个 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。 b 导轮材料的摩擦系数应大于砂轮材料的磨擦系数；砂轮与导轮同向旋转，且砂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。 c 为了保证工件的圆度要求，工件中心应高出砂轮和导轮中心连线。高出数值 H 与工件直径有关。当工件直径 d 工 =8 30mm 时， H d 工 /3 ；当 d 工 =30 70mm 时， H d 工 /4 。 d 、导轮倾斜一个 角度。如图 6-4 ，当导轮以速度 v 导 旋转时，可分解为： v 工 =v 导 cos ; v 纵 =v 导 sin 粗磨时，取 36 ；精磨时，取 1 3 。 无心磨削时，工件尺寸精度可达 IT6-IT7，表面粗糙度 Ra0.8-0.2um. （3）外圆磨削的质量分析 在磨削过程中，由于有多种因素的影响，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： a 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 0.5 m ，如图6-6 所示。 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。b 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。如图 6-7 所示。 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，修正砂轮，保持微刃等高性；调整轴承间隙；保持主轴的位置精度；砂轮两边修磨成能成台肩形或倒圆角，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。 c 拉毛（划伤或划痕） 常见的工件表面拉毛现象如图 6-8 所示。 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，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。 d烧伤 可分为螺旋形烧伤和点烧伤，如图 6-9 所示。 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。3、外圆表面的精密加工随着科学技术的发展，对工件和加工精度和表面质量要求也越来越高。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、超精度加工、研磨和滚压加工等。 （1）高精度磨削 使轴的表面粗糙度值在 Ra0.16 m 以下的磨削工艺称为高精度磨削，它包括精度磨削（ Ra0.6-0.06 m ）、超精密磨削（ Ra0.04-0.02 m ）和镜面磨削（ Ra 0.01 m）。 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。如图 6 -10a,b，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，如图 6 -10c。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 用细粒度磨具的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。 如图 6-11 所示为其加工原理图。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 6-11b 所示。超精加工大致有四个阶段： a 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。 b 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，进入正常切削阶段。 c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入油石的空隙中，因而油石产生光滑表面，具有摩擦抛光作用。 d 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值 Ra0.08-0.01 m. 。然而由于加工余量较小（小于 0.01mm ），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，部分研粒嵌入研具表面，利用工件与研具的相对运动，磨粒应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，油泵油咀中的偶件等。 （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 为滚压加工示意图。滚压加工有如下特点： a 滚压前工件加工表面粗糙度值不大于 Ra5 m ，表面要求清洁，直径余量为 0.02 -0.03mm 。 b 滚压后的形状精度和位置精度主要取决于前道工序。 c 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。 d 滚压加工生产率高。 4、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 6-2 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 6-2中序号 3 （粗车半精车精车）与序号 5 （粗车半精车磨）的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 6-2 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，终加工方法采用研磨较合适；当只需要求较小的表面粗糙度值，则采用超精加工较合适。但不管采用研磨还超精加工，其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已达到技术要求。各种加工方法所能达到的经济精度精度和经济粗糙度等级，在机械加工的各种手册中均能查到。 序号加工方法经济精度( 公差等级表示 ) 经济粗糙度值Ra um适用范围1粗车IT181312.550适用于淬火钢以外的各种金属2粗车 - 半精车IT11103.26.33粗车 - 半精车 - 精车IT780.81.64粗车 - 半精车 - 精车 -滚压（或抛光）IT780.250.25粗车 - 半精车 -磨削IT780.40.8主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢，但不宜加工有色金属6粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨IT670.10.47粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨 -超精加工（或轮式超精磨）IT50.0120.1( 或 R Z 0.1)8粗车 - 半精车 -精车 -精细车（金刚车）IT670.0250.4主要用于要求较高的有色金属加工9粗车 - 半精车 - 粗磨 -精磨 -超精磨（或镜面磨）IT5 以上0.0060.025( 或 R Z 0.05)极高精度的外圆加工四、典型轴类零件加工工艺分析1、阶梯轴加工工艺过程分析图 635 为减速箱传动轴工作图样。生产批量为小批生产。材料为 45 热轧圆钢。零件需调质。 （1）结构及技术条件分析 该轴为没有中心通孔的多阶梯轴。根据该零件工作图，其轴颈 M 、 N ，外圆 P,Q 及轴肩 G 、 H 、 I 有较高的尺寸精度和形状位置精度，并有较小的表面粗糙度值，该轴有调质热处理要求。 （2）加工工艺过程分析 a 确定主要表面加工方法和加工方案。传动轴大多是回转表面，主要是采用车削和外圆磨削。由于该轴主要表面 M,N,P,Q 的公差等级较高（ IT6 ），表面粗糙度值较小（ Ra0.8 m ），最终加工应采用磨削。其加工方案可参考表 3-14 。 b 划分加工阶段 该轴加工划分为三个加工阶段，即粗车（粗车外圆、钻中心孔），半精车（半精车各处外圆、台肩和修研中心孔等），粗精磨各处外圆。各加工阶段大致以热处理为界。 c 选择定位基准 轴类零件的定位基面，最常用的是两中心孔。因为轴类零件各外圆表面、螺纹表面的同轴度及端面对轴线的垂直度是相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，采用两中心孔定位就能符合基准重合原则。而且由于多数工序都采用中心孔作为定位基面，能最大限度地加工出多个外圆和端面，这也符合基准统一原则。 但下列情况不能用两中心孔作为定位基面： （ a ）粗加工外圆时，为提高工件刚度，则采用轴外圆表面为定位基面，或以外圆和中心孔同作定位基面，即一夹一顶。 （b）当轴为通孔零件时，在加工过程中，作为定位基面的中心孔因钻出通孔而消失。为了在通孔加工后还能用中心孔作为定位基面，工艺上常采用三种方法。 当中心通孔直径较小时，可直接在孔口倒出宽度不大于 2 mm 的 60 o 内锥面来代替中心孔； 当轴有圆柱孔时，可采用图 6 36 a 所示的锥堵，取 1 500 锥度；当轴孔锥度较小时，取锥堵锥度与工件两端定位孔锥度相同；当轴通孔的锥度较大时，可采用带锥堵的心轴，简称锥堵心轴，如图 6 36 b 所示。 使用锥堵或锥堵心轴时应注意，一般中途不得更换或拆卸，直到精加工完各处加工面，不再使 用中心孔时方能拆卸。 d 热处理工序的安排 该轴需进行调质处理。它应放在粗加工后，半精加工前进行。如采用锻件毛坯，必须首先安排退火或正火处理。该轴毛坯为热轧钢，可不必进行正火处理。 e 加工顺序安排 除了应遵循加工顺序安排的一般原则，如先粗后精、先主后次等，还应注意： （a ）外圆表面加工顺序应为，先加工大直径外圆 ，然后再加工小直径外圆，以免一开始就降低了工件的刚度。 （ b ）轴上的花键、键槽等表面的加工应在外圆精车或粗磨之后，精磨外圆之前。 轴上矩形花键的加工，通常采用铣削和磨削加工，产量大时常用花键滚刀在花键铣床上加工。以外径定心的花键轴，通常只磨削外径键侧，而内径铣出后不必进行磨削，但如经过淬火而使花键扭曲变形过大时，也要对侧面进行磨削加工。以内径定心的花键，其内径和键侧均需进行磨削加工。 （ c ）轴上的螺纹一般有较高的精度，如安排在局部淬火之前进行加工，则淬火后产生的变形会影响螺纹的精度。因此螺纹加工宜安排在工件局部淬火之后进行。轴加工工艺在机械制造的领域中有这十分重要的地位，它是发展机械工业的基础。在中国发展工业的重要阶段，对机械行业的研究和对轴类工艺的研究更加要加以重视。因此，通过重视和努力我相信我们一定能国重新振兴中国的工业，使中国的国力进一步增强。18