轴类零件的机械加工工艺设计

.毕业设计（论文）（说 明 书）题目：轴类零件的机械加工工艺姓名：2010 年 月 日. v.摘要轴是机械加工中常见的典型零件之一,了解轴类零件的功用和工作条件、材料性能,并合理制定加工工艺,熟练掌握加工的要点与措施,才能保证加工质量,提高加工效率。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。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。本设计通过对一般轴类零件图的工艺性分析，材料毛坯的选择以及在加工种遇到的一些问题的分析得出一般轴类零件加工时应注意的问题，进而通过对一些典型轴类零件加工工艺的分析，给出了一般轴类零件加工工艺分析的方法及应注意的问题，是对所学专业知识的一次较为全面的训练。并且通过对零件的分析与加工工艺的设计，提高我们对零件图的分析能力和设计能力。而且会使我们学会相关学科的基本理论，基本知识，进行综合的运用，同时还会对本专业有较完善的系统的认识，从而达到巩固，扩大，深化知识的目的，达到一个毕业生应有的能力，从而更好地面对今后的种种挑战。关 键 词：轴类零件，机械加工工艺，提高能力目录第一章 基本概念31.1 生产过程和工艺过程41.1.1 生产过程41.1.2 工艺过程41.2 工艺过程的组成41.3 生产类型及其工艺特征51.4 工艺规程6第二章 零件图工艺性分析72.1 零件结构功用分析12.2 零件技术要求条件分析22.3 零件结构工艺性分析3第三章 毛坯选择53.1 毛坯种类的选择53.2 毛坯形状与尺寸的确定53.3 选择毛坯时考虑的因素63.4 毛坯的图示63.5 轴类零件的毛坯选择7第四章 工艺路线的拟定84.1 表面加工方法的选择84.2 加工阶段的划分124.3 加工顺序的安排124.4 工序的集中与分散13第五章 典型主轴类零件加工工艺分析145.2 轴类零件机械加工的主要工艺问题145.1.1 定位基准145.1.2 加工顺序的安排155.1.3热处理工序的安排155.1.4轴类零件的典型工艺过程155.1.5轴类零件的预加工155.2 CA6140型车床主轴加工工艺分析155.2.1 CA6140主轴技术条件的分析165.2.2主轴加工工艺过程分析175.2.3主轴加工中的几个工艺问题225.3 丝杆加工23第六章 结论26参考文献.2致谢第一章 基本概念1.1 生产过程和工艺过程1.1.1 生产过程生产过程是指将原材料变为成品的全部劳动过程。对于机器生产而言，它包括原材料的运输和保管、毛坯制造、生产技术准备工作、零件的机械加工与热处理、产品装配和调试以及油漆和包装等。现代机械制造的发展趋势是组织专业化生产，即一种产品的生产（尤其是比较复杂产品的生产）分散在若干个专业化工厂进行，最后集中在一个工厂里制造成完整的机器产品。1.1.2工艺过程在生产过程中，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或者半成品的过程，称为工艺过程。例如毛坯的制造、零件的机械加工和热处理、产品的装配等，它们都是与原材料变为成品直接相关的过程。采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程则称为机械加工工艺过程（以下简称工艺过程）。1.2 工艺过程的组成机械加工工艺过程由若干个工序组成，每一个工序又可依次细分为安装或工位、工步、行程等成部分。1.工序工序号工序名称设备1铣端面、钻中心孔专用机床2车外圆、车槽、倒角车床3铣键槽铣床4去毛刺钳工台5磨外圆外圆磨床图1-1 阶梯轴简图一个（或一组）工人在一台机床或一个工作地对一个（或同时对几个）工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。划分工序的要点是工作地点、工件是否改变和加工是否连续完成。 工序是组成工艺过程的基本单元，由零件加工的工序数就可以知道工作面积的大小、工人人数和设备数量。如图1-1所示批量生产的阶梯轴，共划分五道工序，见表1-1。2.安装或工位表1-1 阶梯轴加工工艺过程 一个工序中可能有几个安装或工位。（1）在一道工序中，工件在一次定位夹紧下所完成的加工，称为安装。（2）在一次安装后，工件（或装配单元）与夹具或设备的可动部分一起相对刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置，称为工位。图1-2 铣端面和钻中心孔示例 安装和工位的改变都是为了完成工件上不同部位的加工，不同之处在于改变安装需要松开工件重新定位夹紧，而工位则在夹紧状态下改变位置，改变工位的方法便于保证加工质量，提高生产率。3.工步 在加工表面（或装配时的连续表面）和加工（或装配）工具不变的情况下所连续完成的那一部分工序，称为工步。连续进行的若干个相同的工步可写成一个工步。生产中采用复合刀具或多刀同时加工的工步称为复合工步，复合工步也视为一个工步。 4.行程 行程（进给次数）又分工作行程和空行程。工作行程是指刀具以加工进给速度相对工件所完成一次进给运动的工步部分。空行程是指刀具以非加工进给速度相对工件所完成一次进给运动的工步部分。1.3 生产类型及其工艺特征 1.生产纲领生产纲领是指企业在计划期内应当完成的产品产量和进度计划。它是设计和修改工艺规程的重要依据，计划期一般定为一年，所以生产纲领也称为年产量。零件的年产量要计入备品和废品的数量的计算式为 N = Qn(1+)(1+)式中 N零件的年产量，件/年； Q产品的年产量，台/年； n每台产品中该零件的数量，件/台；该零件的备品率；该零件的废品率。2.生产类型生产类型代表企业（或车间、工段、班组、工作地）生产的专业化程度。可分为单件生产、成批生产和大量生产。成批生产中每一次投入生产的同一产品（或零件）的数量称为生产批量。根据生产批量的大小又可分为小批生产、中批生产和大批生产。生产类型和生产纲领的关系随产品的大小和复杂程度而不同。工艺特征生产类型单件小批生产中批生产大批大量生产加工对象经常变换周期性变换固定不变毛坯的制造方法及加工余量铸件用木模手工造型，锻件用自由锻。毛坯精度底，加工余量大部分铸件用金属模，部分锻件用模锻，毛坯精度和加工余量中等广泛采用金属模机造型和模锻，以及其他高效率的毛坯制造方法。毛坯精度高，加工余量小机床设备及布置形式采用通用机床和数控机床，按机床类别机群式布置部分通用机床和高效专用机床，按零件类别分工段排列广泛采用高效专用工装。靠调整法达到精度要求装配方法采用装配法，零件缺乏互换性大多采用互换法完全互换或分组互换操作工人技术水平需技术水平高的人需一定技术水平的人对调整工的技术水平要求高，对操作工的水平要求较低工艺文件简单，一般为工艺过程卡片有工艺过程卡片，关键零件需要有工序卡片详细编制工艺过程卡片和工序卡片生产率低一般高成本高一般低3.各种生产类型的工艺特征各种生产类型具有不同的工艺特征。通常按照单件小批、生产中批生产和大批大量生产来划分，如下表1.4 工艺规程1.工艺规程的概念 将比较合理的工艺过程确定下来，按规定形式书写成工艺文件，经审批后作为指导生产的依据，即形成了机械加工工艺规程，简称工艺规程。工艺规程是指规定产品或零、部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件。2.工艺规程的作用（1）指导生产的主要技术文件。（2）生产组织和生产管理的基本依据。（3）新建或扩建工厂、车间的基本资料。（4）交流和推广先进经验的主要文件形式。3.制定工艺规程的基本原则与步骤制定工艺规程的基本原则是：在保证质量的前 提下，尽量提高生产率，降低加工成本；尽量减轻工人劳动强度，保障生产安全。同时，还应在充分利用本企业现有生产条件的基础上，尽可能采用国内外先进的工艺技术和经验，并保证有良好的劳动条件。 制定工艺规程的步骤大致如下:（1） 分析研究零件图，了解该零件在产品或部件中的作用，找出要求较高的主要表面及主要技术要求，了解各项技术要求制定的依据，并进行零件的结构工艺性分析；（2）选择材料和确定毛坯；（3）拟定工艺路线；（4）确定工序具体内容；（5）对工艺方案进行技术、经济分析，选择最佳方案；（6）填写工艺文件。. v.第二章 零件图工艺性分析在制定机械加工工艺规程前，要先进行零件图的分析研究，主要包括零件的结构功用分析、零件的技术要求分析和零件的结构工艺性分析。2.1零件结构功用分析零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来承传动零件（齿轮、皮带轮等）、传动扭矩、承受载荷，以及保证装在主轴上的工件或刀具具有一定的回转精度。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。其加工表面主要包括内外圆柱面、内外圆锥面、螺纹、花键、沟槽等。 轴类零件按其结构形状的特点，可分为光轴、阶梯轴、空心轴和异形轴（包括曲轴、凸轮轴和偏心轴等）四类。 若按轴的长度和直径的比例来分，又可分为刚性轴和挠性轴两类。轴类零件都是长度（L）大于直径（d）的旋转体零件，若 L / d 12，通常称为钢性轴；若L / d 12 则称为挠性轴。下面是常见的几种轴零件2.2 零件技术要求条件分析轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项：(一)尺寸精度分析零件图样尺寸精度的要求，以判断能否利用车削工艺达到，并确定控制尺寸精度的工艺方法。在该项分析过程中，还可以同时进行一些尺寸的换算，如增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算等。在利用数控车床车削零件时，常常对零件要求的尺寸取最大和最小极限尺寸的平均值作为编程的尺寸依据。起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5IT7）。装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6IT9）。(二) 形状和位置精度的要求零件图样上给定的形状和位置公差是保证零件精度的重要依据。加工时，要按照其要求确定零件的定位基准和测量基准，还可以根据数控车床的特殊需要进行一些技术性处理，以便有效的控制零件的形状和位置精度。轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.010.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.0010.005mm。此外还有内外圆柱面的同轴度和轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等(四)表面粗糙度表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求，也是合理选择数控车床、刀具及确定切削用量的依据。根据零件的表面工作部位的不同，可有不同的表面粗糙度值，例如普通机床主轴支承轴颈的表面粗糙度为Ra0.160.63um，配合轴颈的表面粗糙度为Ra0.632.5um，随着机器运转速度的增大和精密程度的提高，轴类零件表面粗糙度值要求也将越来越小。2.3零件结构工艺性分析1.零件结构工艺性的概念 零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下制造的经济性和可行性。下面从零件尺寸和公差的标注、零件的组成要素和零件的整体结构等三方面来阐述。2.合理标注零件的尺寸、公差和表面粗糙度1）按照加工顺序标注尺寸，避免多尺寸同时保证 2）由定位基准或调整基准标注尺寸，避免基准不重合误差 3）由形状简单和易接近的轮廓要素为基准的标准尺寸避免尺寸运算 3.零件要素的工艺，零件要素的切削加工工艺性归纳起来有以下三点要求：1）各要素的形状应尽量简单，面积应尽量小，规格应尽量标准和统一。 2）采用普通设备和标准刀具进行加工，且刀具易进入、退出和顺利通过加工表面。 3）加工面与非加工面应明显分开，加工面之间也应明显分开。4.零件整体结构的工艺性，具体有以下五点要求：1）尽量采用标准、通用件、借用件和相似件。 2）有便于装夹的基准。 3）有位置要求或同方向的表面能在一次装是中加工出来。4）零件要有足够的刚性，便于采用高速和多刀切削。5）节省材料，减轻质量。 5.零件结构的工艺性的评定指标 1） 加工精度系数Kac 2）结构继承性系数Ks3）结构标准化系数Kst 4)结构要素统一化系数Ke5)材料利用系数Km第三章 毛坯选择毛坯的选择包括毛坯种类的选择、毛坯的制造方法和毛坯形状与尺寸的确定等方面。 3.1 毛坯种类的选择常用毛坯种类有铸件、锻件、型材、焊接件、冲压件等。通常情况下，当零件材料确定下来后，毛坯的种类就基本确定。毛坯的制造方法越先进，毛坯精度越高，材料的损耗量越少，则机械加工成本就越低，但是毛坯的制造成本却因采用了先进的设备而提高。3.2 毛坯形状与尺寸的确定毛坯形状与尺寸的确定主要依据零件的形状、各加工表面的总余量和毛坯的类型等。从机械加工工艺角度考虑还应注意下列问题：（1）为了工件加工时装夹方便，考虑毛坯是否需要做出工艺凸台。（2）考虑某些零件结构的特殊性，可以将若干个零件做成一个整体毛坯。图3-1 A工艺搭子;B加工表面;C定位面 图3-2 车床开合螺母外壳简图 （3）为了提高机械加工生产率，可将多个零件做成一个毛坯。如短小的轴套、垫圈和螺母等零件，在选择棒料、钢管等毛坯时就可采用这种方法，加工到一定阶段再切割分离成单个零件，也有利于保证加工质量。（4）还应注意铸件的分型面、拔模斜度、铸造圆角、锻件敷料、分模面、模锻斜度及圆角半径等。3.3 选择毛坯时考虑的因素1.零件材料的工艺特性（如可铸性、可塑性等）及其力学性能 具有良好铸造性能的材料，如铸铁、青铜应采用铸件毛坯;对力学性能要求较高的钢件，其毛坯最好采用锻件而不用型材。2.生产类型 不同的生产类型决定了不同的毛坯制造方法。大量生产应选精度和生产率都比较高的毛坯制造方法，用于毛坯制造的昂贵费用可用材料消耗的减少和机械加工费用的降低来补偿，如铸件应采用金属模及其造型，锻件应采用模锻。单件小批生产一般采用木模手工造型或自由锻。3.零件的结构形状和尺寸 一般用途的钢制阶梯轴，若各台阶直径相差不大时可用棒料;若各台阶直径相差很大时宜用锻件，可节省材料。尺寸大的零件，因受设备限制一般用自由锻;中小型零件可用模锻。形状复杂的毛坯，一般采用铸造方法。 4.具体生产条件 要考虑现场毛坯制造的实际水平和能力、毛坯车间近期的发展情况以及组织专业化工厂生产毛坯的可能性。此外，还应充分考虑利用新工艺、新技术和新材料的可能性，如精铸、精锻、冷挤压、冷轧、粉末冶金和工程塑料等。 3.4 毛坯的图示图3-3 CA6140车床拨叉的毛坯-零件综合图 毛坯的类型、制造方法及各加工表面的总余量确定后，即可绘制毛坯-零件综合图。先画出经简化了次要细节的零件图的主视图，将已确定的总余量画在相应的加工面上，可得毛坯轮廓图。然后在图上标出毛坯的主要尺寸及公差，标明毛坯的技术要求，如毛坯精度、圆角尺寸、拔模斜度、表面质量要求（气孔、夹砂、缩孔）等。3.5 轴类零件的毛坯选择一、 轴类零件的毛坯轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。 二、 轴类零件的材料轴类零件应根据不同工作条件和使用要求选用不同的材料和不同的热处理，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，重要表面经局部淬火以后再回火，表面硬度为 4552HRC。 40Cr 等合金结构钢适用于中等精度且转速较高的轴，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 508HRC，并具有较高的耐疲劳性能和耐磨性，可制造较高精度的轴。对于高转速、重载荷等条件下工作的轴，可选用 20GrMnTi 、20Gr 等低碳合金钢或 38CrMoAl 中碳合金渗氮钢。低碳合金钢经正火和渗碳淬火处理后可获得很高的表面硬度和较软的心部，因此耐冲击韧性好。而对于渗氮钢，由于渗氮温度比淬火低，经调质和表渗氮后，变形很小而硬度很高，所以具有很好的耐磨性和耐疲劳强度。 精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。第四章 工艺路线的拟定 零件加工的工艺路线是指零件在生产过程中，由毛坯到成品所经过的工序的先后顺序。工艺路线的拟定是制定工艺过程的总体布局，其主要任务是选择各个表面的加工方法、确定各个表面加工的先后顺序、确定工序的集中与分散程度以及选择设备与工艺装备等。4.1 表面加工方法的选择1.加工经济精度的概念 经济精度是指在正常加工条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备和标准技术等级的工人，不延长加工时间），以最有利的时间消耗所能达到的加工精度。 经济表面粗糙度的概念类同于经济精度的概念。各种加工方法的加工误差和加工成本成反比关系。各种加工方法都有一个加工经济精度和经济表面粗糙度范围，可查阅有关工艺手册。加工误差与加工成本的关系如图4-1。2.选择加工方法时应考虑的因素（1）工件材料的性质 有色金属的精加工常采用高速精细车削或金刚镗等方法。（2）工件的形状和尺寸 对于7级精度的孔可以采用镗、绞、拉和磨削等加工方法。箱体上的孔大多选择镗孔（大孔时）或绞孔（小孔时）。（3）生产类型 选择加工方法还要考虑生产率和经济性要求。（4）具体生产条件3.典型表面加工路线的选择（1）外圆表面的加工路线 外圆表面的加工方法主要是车削和磨削。 图4-1 加工误差和加工成本的关系 粗车半精车精车 这是一般常用材料（除淬火钢）外圆表面加工最主要的加工路线。粗车半精车粗磨精磨 这条路线适用于黑色金属材料，特别是有淬火要求的外圆表面。粗车半精车精车金刚石车这条路线适用于精度要求较高的有色金属材料及其他不宜采用磨削加工的外圆表面。粗车半精车粗磨精磨光整加工对于精度要求特别高和表面粗糙度值要求较低的黑色金属材料，最终工序可采用光整加工，如研磨、超精加工、超精磨、抛光、滚压等。其中，抛光、滚压等则以减小表面粗糙度为主要目的。图4-2 外圆表面的典型加工路线 （2）孔的加工路线孔的加工方法主要有钻、扩、绞、镗、拉、磨以及光整加工等。钻扩绞这条路线多用于加工除淬火钢以外的金属，多加工孔径在 40 mm 以下的中小孔， 加工精度可达到 IT8IT7 级。当直径小于 20 mm 时，可以采用钻绞方案。粗镗半精镗精镗这条加工路线适用于直径较大的孔或位置精度要求较高的孔系加工，单件小批生产中的非标准中小尺寸孔也可采用这条路线。当孔的精度要求更高时，还要增加浮动镗或金刚镗等精密加工方法。粗镗半精镗粗磨精磨这条路线主要用于淬硬零件的孔加工。当孔的精度要求更高时，可增加研磨或珩磨等光整加工。钻扩拉这条路线多用于大批大量生产的盘套类零件的内孔加工。加工要求高时可分为粗拉和精拉。图4-3 孔的典型加工路线 （3）平面的加工路线平面的加工方法主要有铣削、刨削、车削、磨削和拉削等。粗铣（或粗刨）精铣（或精刨）宽刃精刨、刮研或研磨在平面加工中铣削比刨削的生产率高。刮研多用于单件小批生产中不淬硬的配合表面的加工。宽刃精刨适于加工高精度的狭长表面，是成批生产中常用的精加工方法。粗铣（或粗刨）精铣（或精刨）粗磨精磨这条路线主要用于淬硬零件或精度要求较高的平面。精度要求更高的平面可在精磨后安排研磨或精密磨等加工。粗铣（或粗刨）拉削拉削适用于大批量生产中加工质量要求较高且面积较小的平面。对于带有沟槽或台阶的表面，用拉削更为方便。图4-4 平面的典型加工路线 （4）平面轮廓和曲面轮廓加工方法的选择平面轮廓常用的加工方法有数控铣、线切割和磨削等。数控铣削加工适用于除淬火钢以外的各种金属；数控线切割加工可用于各种金属；数控磨削加工适用于除有色金属以外的各种金属。立体曲面轮廓的加工方法主要是数控铣。图4-5 平面轮廓类零件 4.2 加工阶段的划分零件加工要经历由粗到精的过程。粗加工阶段去除加工表面的大部分余量，以提高生产率为主；半精加工阶段进一步提高主要表面的加工精度，同时完成一些次要表面的加工；精加工阶段保证各主要表面达到规定的精度和表面粗糙度要求。对零件上精度和表面粗糙度要求很高的表面，需进行光整加工，其主要目的是提高尺寸精度，减小表面粗糙度，一般不提高位置精度。划分加工阶段的目的：（1）保证加工质量（2）合理使用设备（3）便于安排热处理工序 （4）便于及时发现毛坯缺陷 加工阶段的划分不能绝对化，应根据零件的质量要求、结构特点和生产类型等灵活运用。4.3 加工顺序的安排零件的加工工序通常包括机械加工工序、热处理工序和辅助工序。这些工序的顺序安排与加工质量、生产率和加工成本密切相关，是拟定工艺路线的关键之一。1.机械加工工序的安排（1）基准先行原则（2）先粗后精原则（3）先面后孔原则 （4）先主后次原则2.热处理工序的安排（1） 为了改善材料的切削加工性，消除毛坯应力而进行的热处理工序，如正火、调质、退火等，应安排在粗加工之前进行。（2） 为了消除毛坯在制造和机械加工过程中产生的内应力而进行的热处理工序，如人工时效、退火等，应安排在粗加工后、精加工之前进行。对精度要求较高的零件，有时在半精加工后再安排一次时效处理。（3） 为了提高工件的强度、硬度和耐磨性，要进行表面淬火、渗碳淬火和渗氮等热处理工序，一般安排在粗加工、半精加工之后，精加工之前进行。表面经过淬火后，一般只能进行磨削加工。（4） 为了得到表面耐磨、耐腐蚀或美观等而进行的热处理工序，如镀铬、镀锌、发兰等，一般放在最后工序。3.辅助工序的安排辅助工序包括检验、去毛刺、清洗、去磁、防锈和平衡等。其中，检验工序是主要的辅助工序，是保证产品质量的主要措施之一。除了工序中自检外，在下列场合还要单独安排:粗加工阶段结束后；重要工序前后；工件从一个车间转向另一个车间前后；全部加工结束后。密封性检验、工件的平衡和重量检验，一般安排在工艺过程的最后进行。4.4 工序的集中与分散工序的集中与分散是拟定工艺路线的一个原则问题，它和设备类型的选择有密切关系。1.工序集中 工序集中就是将工件的加工集中在少数的几道工序内完成，每道工序的加工内容较多。2.工序分散工序分散就是将工件的加工分散在较多的工序内进行，每道工序的加工内容较少。3.工序集中与工序分散程度的确定就机械制造业的发展趋势而言，总的趋势应倾向于工序集中。第五章 典型主轴类零件加工工艺分析轴类零件的加工工艺因其用途、结构形状、技术要求、产量大小的不同而有差异。而轴的工艺规程编制是生产中最常遇到的工艺工作。5.2 轴类零件机械加工的主要工艺问题轴类零件加工的主要问题是如何保证各加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和主要表面之间的相互位置精度。5.1.1 定位基准轴类零件加工时最常用的定位基准是中心孔，其次是外圆表面。轴线是轴上各外圆表面的设计基准，以轴两端的中心孔作精基准符合基准重合原则和基准统一原则，加工后的各外圆表面可以获得很高的位置精度。作为主要精基准的中心孔必须有足够高的精度和足够的支承力，因此，中心孔结构尺寸的大小应与两端轴颈尺寸大小相适应，锥角应准确，两端中心孔轴线应重合，并在加工过程中始终保持洁净。 粗加工时切削力很大，为了提高工艺系统的刚度，常采用轴的外圆或外圆与中心孔共同作为定位基准。带孔的轴在加工孔时也常采用外圆作为定位基准。在加工带通孔的轴的外圆时，可使用带中心孔的锥堵或锥套心轴装夹。通孔直径较小时，可直接在孔口加工出宽度不大于 2 mm 的 600 锥面，以代替中心孔。图5-1 锥堵与锥套心轴 5.1.2 加工顺序的安排按照先粗后精原则，将粗、精加工分开进行。先完成各表面粗加工，再完成半精加工和精加工，主要表面的精加工则放在最后进行。轴是回转体，各外圆表面的粗、半精加工一般采用车削，精加工采用磨削，有些精密轴类零件的轴颈表面还需要进行光整加工。 粗加工外圆表面时，应先加工大直径外圆，再加工小直径外圆。轴上的花键、键槽、螺纹等表面的加工，一般都安排在外圆半精加工以后、精加工以前进行。 5.1.3热处理工序的安排结构尺寸不大的中碳钢普通轴类锻件，一般在切削加工前进行调质热处理。对于重要的轴类零件（如机床主轴），则必须根据需要，正确、合理地安排好各种热处理。 一般在毛坯锻造后安排正火处理；粗加工后安排调质处理，并作为需要表面淬火或氮化处理的零件的预备热处理；轴上有相对运动的轴颈和经常拆卸的表面时，需要进行表面淬火处理，安排在精加工前。 5.1.4轴类零件的典型工艺过程毛坯准备正火加工端面和中心孔粗车调质半精车花键、键槽、螺纹等加工表面淬火粗磨精磨。5.1.5轴类零件的预加工轮类零件在切削加工之前，应对其毛坯进行预加工。预加工包括校正、切断和切端面和钻中心孔。1、校正：校正棒料毛坯在制造、运输和保管过程中产生的弯曲变形，以保证加工余量均匀及送料装夹的可靠。校正可在各种压力机上进行。2、切断：当采用棒料毛坯时，应在车削外圆前按所需长度切断。切断叮在弓锯床上进行，高硬度棒料的切断可在带有薄片砂轮的切割机上进行。3、切端面钻中心孔：中心孔是轴类零件加工最常用的定位基准面，为保证钻出的中心孔不偏斜，应先切端面后再钻中心孔。4、荒车：如果轴的毛坯是向由锻件或大型铸件，则需要进行荒车加工，以减少毛坯外圆表面的形状误差，使后续工序的加工余景均匀。5.2 CA6140型车床主轴加工工艺分析CA6140型车床主轴零件简图如图 5-2所示 图5-2 CA6140型车床主轴零件简图5.2.1CA6140主轴技术条件的分析对机床主轴的共同要求是必须满足机床的工作性能，即回转精度、刚度、热变形、抗振性、使用寿命等多方面的要求。该车床主轴是带有通孔的多台阶轴，普通精度等级，材料为 45 钢，生产类型为大批生产。 主要表面及其精度要求：支承轴颈是两个锥度为 1:12 的圆锥面，分别与两个双列短圆锥轴承相配合。支承轴颈是主轴部件的装配基准，其精度直接影响主轴部件的回转精度，它的尺寸精度一般为 IT5 。该主轴两支承轴颈的圆度允差和对其公共轴线的斜向圆跳动允差均为0.005 mm，表面粗糙度 Ra 值不大于 0.4 m。配合轴颈是与齿轮传动件连接的表面，它共有80h5、89f6 和 90g5 三段。前两段与齿轮分别采用键连接与花键连接，90g5上齿轮空套，工作时两者有相对运动，因此该轴颈表面必须淬火。配合轴颈的尺寸精度为 IT6IT5，表面粗糙度值 Ra 不大于0.4 m。 莫氏 6 号锥孔用于安装夹具或顶尖等，它是主轴的主要工作表面之一。对支承轴颈公共轴线的斜向圆跳动允差在轴端处为 0.005 mm，在距离轴端300 mm 处为 0.01 mm；表面粗糙度 Ra 值不大于0.4 m。该锥孔因工作中经常装卸夹具， 故表面必须淬火以提高其耐磨性。轴端短圆锥是安装通用夹具卡盘或拨盘的定位面，锥角 1415（锥度 14）。此圆锥面对支承轴颈公共轴线的斜向圆跳动允差为 0.008 mm，表面粗糙度值 Ra 不大于 0.8 m，必须表面淬火。 从上述分析可以看出，主轴的主要加工表面是两个支承轴颈、锥孔、前端短锥面及其端面、以及装齿轮的各个轴颈等。而保证支承轴颈本身的尺寸精度、几何形状精度、两个支承轴颈之间的同轴度、支承轴颈与其它表面的相互位置精度和表面粗糙度，则是主轴加工的关键。5.2.2主轴加工工艺过程分析1.主轴毛坯的制造方法及热处理批量：大批；材料：45钢；毛坯：模锻件(1) 材料与毛坯主轴是机床的重要零件，其质量直接影响机床的工作精度和使用寿命;结构为多台阶空心轴，直径差很大（本例最大外圆直径 195 mm ，最小外圆直径 70 mm）。从上述两方面考虑，使用锻造毛坯不仅能改善和提高主轴的力学性能，而且可以节省材料和减少切削工作量，由于属于大批生产，因此采用模锻毛坯。（2）热处理45钢，在调质处理（235HBS）之后，再经局部高频淬火，可以使局部硬度达到HRC6265，再经过适当的回火处理，可以降到需要的硬度（例如 CA6140主轴规定为 HRC52）。9Mn2V，这是一种含碳0.9%左右的锰钒合金工具钢，淬透性、机械强度和硬度均比45钢为优。经过适当的热处理之后，适用于高精度机床主轴的尺寸精度稳定性的要求。例如，万能外圆磨床 M1432A头架和砂轮主轴就采用这种材料。38CrMoAl，这是一种中碳合金氮化钢，由于氮化温度比一般淬火温度为低540550，变形更小，硬度也很高（HRC65，中心硬度HRC28）并有优良的耐疲劳性能，故高精度半自动外圆磨床MBG1432的头架轴和砂轮轴均采用这种钢材。此外，对于中等精度而转速较高的轴类零件，多选用40Cr等合金结构钢，这类钢经调质和高频淬火后，具有较高的综合机械性能，能满足使用要求。有的轴件也选用滚珠轴承钢如 GCr15和弹簧钢如 66Mn等材料这些钢材经调质和表面淬火后，具有极高的耐磨性和耐疲劳性能。当要求在高速和重载条件下工作的轴类零件，可选用18CrMnTi、20Mn2B等低碳含金钢，这些钢料经渗碳淬火后具有较高的表面硬度、冲击韧性和心部强度，但热处理所引起的变形比38CrMoAl为大。凡要求局部高频淬火的主轴，要在前道工序中安排调质处理（有的钢材则用正火）, 当毛坯余量较大时(如锻件)，调质放在粗车之后、半精车之前，以便因粗车产生的内应力得以在调质时消除；当毛坯余量较小时（如棒料），调质可放在粗车（相当于锻件的半精车）之前进行。高频淬火处理一般放在半精车之后，由于主轴只需要局部淬硬，故精度有一定要求而不需淬硬部分的加工，如车螺纹、铣键槽等工序，均安排在局部淬火和粗磨之后。对于精度较高的主轴在局部淬火及粗磨之后还需低温时效处理，从而使主轴的金相组织和应力状态保持稳定。2定位基准的选择对实心的轴类零件，精基准面就是顶尖孔，满足基准重合和基准统一，而对于CA6140A的空心主轴，除顶尖孔外还有轴颈外圆表面并且两者交替使用，互为基准。因此主要定位基准选择两端中心孔。粗车时切削力大，采用“一夹一顶”。在通孔加工后，加工外圆表面时使用锥堵。精加工内锥孔时用有较高精度的外圆表面及台阶端面定位。3加工阶段的划分主轴加工过程中的各加工工序和热处理工序均会不同程度地产生加工误差和应力，因此要划分加工阶段。主轴加工基本上划分为下列三个阶段。（1）、粗加工阶段1）毛坯处理毛坯备料、锻造和正火2）粗加工锯去多余部分，铣端面、钻中心孔和荒车外圆等（2）、半精加工阶段1）半精加工前热处理对于45钢一般采用调质处理以达到220240HBS。2）半精加工车工艺锥面（定位锥孔）半精车外圆端面和钻深孔等。（3）、精加工阶段1）精加工前热处理局部高频淬火2）精加工前各种加工粗磨定位锥面、粗磨外圆、铣键槽和花键槽，以及车螺纹等。3）精加工精磨外圆和内外锥面以保证主轴最重要表面的精度。4加工顺序的安排和工序的确定具有空心和内锥特点的轴类零件，在考虑支承轴颈、一般轴颈和内锥等主要表面的加工顺序时，可有以下几种方案。外表面粗加工钻深孔外表面精加工锥孔粗加工锥孔精加工；外表面粗加工钻深孔锥孔粗加工锥孔精加工外表面精加工；外表面粗加工钻深孔锥孔粗加工外表面精加工锥孔精加工。针对CA6140车床主轴的加工顺序来说，可作这样的分析比较：第一方案：在锥孔粗加工时，由于要用已精加工过的外圆表面作精基准面，会破坏外圆表面的精度和粗糙度，所以此方案不宜采用。第二方案：在精加工外圆表面时，还要再插上锥堵，这样会破坏锥孔精度。另外，在加工锥孔时不可避免地会有加工误差（锥孔的磨削条件比外圆磨削条件差人加上锥堵本身的误差等就会造成外圆表面和内锥面的不同轴，故此方案也不宜采用。第三方案：在锥孔精加工时，虽然也要用已精加工过的外圆表面作为精基准面；但由于锥面精加工的加工余量已很小，磨削力不大；同时锥孔的精加工已处于轴加工的最终阶段，对外圆表面的精度影响不大；加上这一方案的加工顺序，可以采用外圆表面和锥孔互为基准，交替使用，能逐步提高同轴度。经过这一比较可知，像CA6140主轴这类的轴件加工顺序，以第三方案为佳。通过方案的分析比较也可看出，轴类零件各表面先后加工顺序，在很大程度上与定位基准的转换有关。当零件加工用的粗、精基准选定后，加工顺序就大致可以确定了。因为各阶段开始总是先加工定位基准面，即先行工序必须为后面的工序准备好所用的定位基准。例如CA6140主轴工艺过程，一开始就铣端面打中心孔。这是为粗车和半精车外圆准备定位基准；半精车外圆又为深孔加工准备了定位基准；半精车外圆也为前后的锥孔加工准备了定位基准。反过来，前后锥孔装上锥堵后的顶尖孔，又为此后的半精加工和精加工外圆准备了定位基准；而最后磨锥孔的定位基准则又是上工序磨好的轴颈表面。工序的确定要按加工顺序进行，应当掌握两个原则：1）工序中的定位基准面要安排在该工序之前加工。例如，深孔加工所以安排在外圆表面粗车之后，是为了要有较精确的轴颈作为定位基准面，以保证深孔加工时壁厚均匀。2）对各表面的加工要粗、精分开，先粗后精，多次加工，以逐步提高其精度和粗糙度。主要表面的精加工应安排在最后。为了改善金属组织和加工性能而安排的热处理工序，如退火、正火等，一般应安排在机械加工之前。为了提高零件的机械性能和消除内应力而安排的热处理工序，如调质、时效处理等，一般应安排在粗加工之后，精加工之前。5大批生产和小批生产工艺过程的比较（1）定位基准的选择表：不同生产类型下主轴加工定位基准的选择工 序 名 称定 位 基 准 面大 批 生 产小 批 生 产加工顶尖孔毛坯外圆划 线粗车外圆顶尖孔顶尖孔钻深孔粗车后的支承轴颈夹一端，托另一端半精车和精车两端锥堵的顶尖孔夹一端，顶另一端粗、精磨外锥两端锥堵的顶尖孔两端锥堵的顶尖孔粗、精磨外国两端锥堵的顶尖孔两端锥堵的顶尖孔粗、精磨难孔两支承轴颈外表面或靠近两支承轴颈的外圆表面夹小端，托大端（2）轴端两顶尖孔的加工在单件小批生产时，多在车床或钻床上通过划线找正加工。在成批生产时，可在中心孔钻床上加工。专用机床可在同一工序中铣出两端面并打好顶尖孔。（3）外圆表面的加工在单件小批生产时，多在普通车床上进行；而在大批生产时，则广泛采用高生产率的多刀半自动车床或液压仿形车床等设备。（4）深孔加工在单件小批生产时，通常在车床上用麻花钻头进行加工。在大批量生产中，可采用锻造的无缝钢管作为毛坯，从根本上免去了深孔加工工序；若是实心毛坯，可用深孔钻头在深孔钻床上进行加工；如果孔径较大，还可采用套料的先进工艺。（5）花键轴加工在单件小批生产时，常在卧式铣床上用分度头分度以圆盘铣刀铣削；而在成批生产（甚至小批生产）都广泛采用花键滚刀在专用花键轴铣床上加工。（6）前后支承轴颈以及与其有较严格的位置精度要求的表面精加工，在单件小批生产时，多在普通外圆磨床上加工；而在成批大量生产中多采用高效的组合磨床加工。6. 车床主轴机械加工工艺过程如下表所示工序号工序名称工序内容定位基准加工机床0备料1精密锻造精密锻造毛坯立式精锻机2热处理正火3锯头4打中心孔铣两端面，保持总长870mm，两端钻中心孔专用中心孔机床5车粗车各外圆表面6热处理调质220240HBS7车车大端各部，法兰外圆至198mm;短圆锥外圆至108mm两端中心孔卧式车床8车仿行车小端各部外圆，加工后个外圆留直径余量1.21.5mm大端108mm外圆、端面、小端中心孔仿行车床9钻钻48深孔大端M115螺纹部位外圆、小端，外圆及端面深孔钻床10车车小端内锥孔1：20，孔口52 (配1：20锥堵)（工艺用，图上未画出）大端108mm外圆、端面，小端外圆可调支承卧式车床11车车大端莫氏6号锥孔，孔口630.05mm（配莫氏6号锥堵），车短圆锥，斜角7730，大端尺寸16.8mm前支承轴颈外圆，70外圆及端面卧式车床12钻钻大端法兰上各孔，锪沉孔，攻螺纹(图上未画出)莫氏6号钻孔钻床、钻模13热处理高频淬火90g5、莫氏6号锥孔和短圆锥表面，4550HRC14车精车小端个外圆,留直径余量0.4mm，切槽两锥堵中心孔数控车床15磨粗磨两端外圆至90.4h8(90g5)和75.25h8(75h5)两锥堵中心孔外圆磨床16磨粗磨莫氏6号锥孔，孔口尺寸63.150.05mm, R0.8m(重配莫氏6号锥堵) 前支承轴颈外圆，70mm外圆及端面内圆磨床17铣粗铣、精铣花键两锥堵中心孔花键铣床18铣铣键槽12f9mm80.4外圆、端面立式铣床19车车大端法兰内端面，外圆195mm，三段螺纹M1151.5、M1001.5、M741.5（配螺母）两锥堵中心孔卧式车床20磨粗磨0精磨各外圆80/89及90M1001.5两台阶端面，达到图样要求两锥堵中心孔外圆磨床21磨粗磨、精磨两1：12支承轴颈锥面和短锥面及大端法兰外侧面，达到图样要求两锥堵中心孔专用组合磨床22磨（卸锥堵）精磨莫氏6号锥孔达到图样要求100h6和80h5两外圆，小端孔口主输锥孔磨床23检验按零件图样技术要求项目检查5.2.3主轴加工中的几个工艺问题1锥堵和锥堵心轴的使用对于空心的轴类零件，若通孔直径较小的轴，可直接在孔口倒出宽度不大于2mm的60度锥面，代替中心孔。而当通孔直径较大时，则不宜用倒角锥面代之，一般都采用锥堵或锥堵心轴的顶尖孔作为定位基准。使用锥堵或锥堵心轴时应注意事项：（1）一般不中途更换或拆装，以免增加安装误差。（2）锥堵心轴要求两个锥面应同轴，否则拧紧螺母后会使工件变形。2顶尖孔的研磨因热处理、切削力、重力等的影响，常常会损坏顶尖孔的精度，因此在热处理工序之后和磨削加工之前，对顶尖孔要进行研磨，以消除误差。常用的研磨方法有以下几种。（1）用铸铁顶尖研磨（2）用油石或橡胶轮研磨（3）用硬质合金顶尖刮研（4）用中心孔磨床磨削3深孔加工一般孔的深度与孔径之比 l/d5就算深孔。CA6140主轴内孔l/d=18，属深孔加工。（1）加工方式加工深孔时，工件和刀具的相对运动方式有三种：1）工件不动，刀具转动并送进。这时如果刀具的回转中心线对工件的中心线有偏移或倾斜。加工出的孔轴心线必然是偏移或倾斜的。因此，除笨重或外形复杂而不便于转动的大型工件外，一般不采用。2）工件转动，刀具作轴向送进运动。这种方式钻出的孔轴心线与工件的回转中心线能达到一致。如果钻头偏斜，则钻出的孔有锥度；如果钻头中心线与工件回转中心线在空间斜交，则钻出的孔的轴向截面是双曲线，但不论如何，孔的轴心线与工件的回转中心线仍是一致的，故轴的深孔加够采用这种方式。3）工件转动，同时刀具转动并送进。由于工件与刀具的回转方向相反，所以相对切削速度大，生产率高，加工出来的孔的精度也较高。但对机床和刀杆的刚度要求较高，机床的结构也较复杂，因此应用不很广泛。（2）深孔加工的冷却与排屑在单件、小批生产中，加工深孔时，常用接长的麻花钻头，以普通的冷却润滑方式，在改装过的普通车床上进行加工。为了排屑，每加工一定长度之后，须把钻头退出。这种加工方法，不需要特殊的设备和工具。由于钻头有横刃，轴向力较大，两边切削刃又不容易磨得对称，因此加工时钻头容易偏斜。此法的生产率很低。在批量生产中，深孔加工常采用专门的深孔钻床和专用刀具，以保证质量和生产率。这些刀具的冷却和切屑的排出，很大程度上决定于刀具结构特点和冷却液的输入方法。目前应用的冷却与排屑的方法有两种：1）内冷却外排屑法加工时冷却液从钻头的内部输入，从钻头外部排出。高压冷却液直接喷射到切削区，对钻头起冷却润滑作用，并且带着切屑从刀杆和孔壁之间的空间排出。2）外冷却内排屑法冷却液从钻头外部输入，有一定压力的冷却液经刀杆与孔壁之间的通道进入切削区，起冷却润滑作用，然后经钻头和刀杆内孔带着大量切屑排出。5.3 丝杆加工一、丝杠的功用、分类及结构特点1、丝杠的功用丝杠是将旋转运动变成直线运动的传动副零件，它被用来完成机床的进给运动。机床丝杠不仅要能传递准确的运动，而且还要能传递一定的动力。所以它在精度、强度以及耐磨性各个方面，都有一定的要求。2、丝杠的分类机床丝杠按其摩擦特性分：滑动丝杠滚珠丝杠丝杠滚动丝杠静压丝杠滚柱丝杠按其使用性能要求分：不淬硬丝杠丝杠淬硬丝杠按其精度要求分：普通丝杠丝杠精密丝杠3、丝杠结构的工艺特点丝杠是细而长的柔性轴，它的长径比往往很大，一般都在2050左右，刚度很差。加上其结构形状比较复杂，有要求很高的螺纹表面，又有阶梯及沟槽，因此，在加工过程中，很容易产生变形。这是丝杠加工中影响精度的一个主要矛盾。二、丝杠的精度要求1、精度等级按丝杠的螺纹精度标准分，国家有标准。2、具体指标有：（1）单个螺距允差（2）中径圆度允差；（3）外径相等性允差；（4）外径跳动允差；（5）牙形半角允差；（6）中径为尺寸公差；（7）外径为尺寸公差；（8）内径为尺寸公差。三、丝杆加工的基本工艺路线：对不淬硬丝杠：毛坯（热处理）校直车端面打中心孔外圆粗加工校直热处理重打中心孔（修正）外圆半精加工加工螺纹校直、低温时效修正中心孔外圆、螺纹精加工。对淬硬丝杠：毛坯（热处理）校直车端面打中心孔外圆粗加工校直热处理重打中心孔（修正）外圆半精加工加工螺纹淬火、回火探伤修正中心孔外圆、螺纹半精磨加工探伤修正中心孔外圆、螺纹精磨加工。四、丝杠加工工艺主要问题分析 1、丝杠的校直及热处理：丝杠工艺除毛坯工序外，在粗加工及半精加工阶段，都安排了校直及热处理工序。校直的目的是为了减少工件的弯曲度，使机械加工余量均匀。时效热处理以消除工件的残余应力，保证工件加工精度的稳定性。一般情况下，需安排三次。一次是校直及高温时效，它安排在粗车外圆以后，还有两次是校直及低温时效，它们分别安排在螺纹的粗加工及半精加工以后。2、定位基准面的加工：丝杠两端的中心孔是定位基准面，在安排工艺路线时，应一首先将它加工出来，中心孔的精度对加工质量有很大影响，丝杠多选用带有120。保护锥的中心孔。此外，在热处理后，最后精车螺纹以前，还应适当修整中心孔以保持其精度。丝杠加工的定位基准面除中心孔外，还要用丝杠外圆表面作为辅助基准面，以便在加工中采用跟刀架，增加刚度。3、螺纹的粗、精加工粗车螺纹工序一般安排在精车外圆以后，半精车及精车螺纹工序则分别安排在粗磨及精磨外圆以后。不淬硬丝杜一般采用车削工艺，经多次加工，逐渐减少切削力和内应力；对于淬硬丝杠，则采用“先车后磨”或“全磨”两种不同的工艺。后者是从淬硬后的光杜上直接用单线或多线砂轮粗磨出螺纹，然后用单线砂轮精磨螺纹。4、重钻中心孔：工件热处理后，会产生变形。其外圆面需要增加的加工余量，为减少其加工余量，而采用重钻中心孔的方法。在重钻中心孔之前，先找出工件上径向圆跳动为最大值的一半的两点，以这两点后作为定位基准面，用个端面的方法切去原来的中心孔，重新钻中心孔。当使用新的中心孔定位时，工件所必须切会的额外的加工余量将减少到原有值。第六章 结论轴类零件按结构形状可分为光轴、阶梯轴和曲轴3大类。轴类零件的加工方法通常有铸造、锻造及车削等等，一般对于复杂的重要主轴，大批生产时采用模锻件，单件小批生产，则采用自由锻。其机械加工工艺规程的编制是在生产实践和科学实验的基础上，依据科学理论和必要的工艺试验而制订的，是一个繁琐复杂的过程。工艺