轴类零件加工工艺.ppt

轴类零件加工工艺规程设计 一 轴类零件的分类 特点和技术要求 光滑轴 阶梯轴 空心轴 异形轴 曲轴 齿轮轴 偏心轴 十字轴 凸轮轴 花键轴 作用 起支承传动件和传递转矩 形状 长度大于直径 加工表面为内外圆柱面 圆锥面 螺纹 花键 沟槽等 主要技术要求 1 尺寸精度 轴径及内孔等配合有一定的尺寸精度要求 一般为IT6 IT9轴向精度较低 2 几何形状精度 轴径 基准内孔等重要表面有圆度或圆柱度要求 3 位置精度 重要圆柱表面有同轴度 径向圆跳动 轴心线与基准面的垂直度 端面全跳动度要求 4 表面粗糙度 重要表面粗糙度值为Ra0 1 0 6 二 轴类零件的材料 毛坯及热处理 1材料一般采用45钢 中等精度而转速较高的轴可采用40Cr等合金结构结构钢 精度较高的轴可采用GCr15和65Mn等材料 高速 重载的轴选用20CrMnTi 20Mn2B 20Cr等 2毛坯一般采用圆棒料和锻件 某些大型结构复杂的用铸件 3热处理锻造毛坯在机械加工前 需正火或退火热处理 需局部表面淬火提高耐磨的轴 在淬火前安排调质处理 调质处理安排在粗车后 半精车前 表面淬火安排在精加工前 对精度较高的的轴 在局部淬火后或粗磨后 为控制尺寸稳定 需低温时效处理 对氮化钢 需在氮化前进行调质和低温时效处理 总之 轴的精度越高 对材料及热处理要求越高 热处理次数越多 机床主轴 尤其紧密机床主轴 要求严格 三 轴类零件的加工工艺过程 轴类零件的形状各种各样 其工艺过程也有所不同 1 长轴类零件2 短轴类零件3 套筒类零件4 盘类零件5 异形轴类 1 长轴类零件 1 定位基准的选择一般长轴以中心孔为精基准 易实现基准统一 这也满足基准重合原则 粗加工时 为传递较大的扭矩和提高工件的刚性 一端用外圆 一端用中心孔定位 对中心通孔的长轴 在内孔半精加工后 利用工件的内锥孔或内孔的两端加工出带锥度的工艺孔 加上锥形堵塞或锥套心轴加工 内孔精加工前不要将锥堵或锥套拆下 以避免因重新安装带耒的同轴度误差 2 加工路线的安排1 划分加工阶段精度及表面粗糙度要求较高的重要表面 轴颈 基准内孔等 为粗加工 半精加工 精加工三个阶段 对要求更高的表面还应有光整加工阶段 其余表面加工分为粗加工一半精加工两个阶段进行或一次加工完毕 2 热处理工序的安排热处理工序一般安排在各个加工阶段之间 毛坯在锻造或铸造后 一般须安排正火或退火处理 以便消除应力 细化晶粒 改善切削性能 淬火 表面淬火 渗碳和氮化等热处理 安排在半精加工之后 精磨前 对精度很高的长轴 在淬火后精磨前 安排低温实效处理 3 确定加工顺序基准先行 先外后内 先大后小 断面宜后 指键槽 花键 横向孔 3 长轴类零件的轴径表面常见工艺路线 渗碳轴类零件 备料 锻造 正火 钻中心孔 粗车 半精车 精车 渗碳 或碳氮共渗 淬火 低温回火 粗磨 次要表面加工 精磨 一般精密调质钢轴类零件 备料 锻造 正火 退火 钻中心孔 粗车 调质 半精车 精车 表面淬火 回火 粗磨 次要表面加工 精磨 精密氮化钢轴类零件 备料 锻造 正火 退火 钻中心孔 粗车 调质 半精车 精车 低温时效 粗磨 氮化处理 次要表面加工 精磨 光磨 整体淬火轴类零件 备料 锻造 正火 退火 钻中心孔 粗车 调质 半精车 精车 次要表面加工 整体淬火 粗磨 低温时效 精磨 2 短轴类零件 1 定位基准的选择短轴刚性大 一般以外圆柱面定位 用三爪卡盘夹紧后呈悬伸状切削 径向力大时 用一端是工件外圆 一端中心孔定位 2 加工路线的拟定特点是工序集中 在一次安装中加工多个表面 粗加工 半精加工连续进行 以下为六角车床 转塔车床加工短轴的典型工艺 1 送料 夹紧 2 粗车外圆 3 精车外圆 倒角 4 钻中心孔 5 钻孔 6 铰孔 7 切槽 倒角 8 套外螺纹 9 滚花 10 切断 11 车端面 3 套筒类零件 1 定位基准的选择对尺寸较小的套类零件 一般以外圆为定位基准 用三爪卡盘夹紧后呈悬伸状切削 对内孔尺寸较大的套类零件 一般以外圆 内孔互为定位基准 对长套筒类零件 加工外圆时 用双顶尖 加工内孔时 采用夹一头 另一头用中心架托外圆 2 加工路线的拟定一般套筒主要表面加工分在几次装夹中进行 划分出粗 半精 精加工阶段 可先加工孔 然后以孔为精基准最终加工外圆 这种方法所用夹具结构简单 定心精度高 能保证较高的位置精度 应用较广泛 也可先加工外圆 然后以外圆为精基准最终加工孔 用此法工件装夹可靠 但加工精度低 为得到较高的同轴度 采用定心精度高的夹具 如弹性膜片卡盘 液性塑料夹具等 3 防止加工中套筒变形套筒零件属薄壁件 加工中常因夹紧力 切削力 残余应力和切削热等因素的影响而产生变形 故应采取如下防止变形措施 粗 精加工分阶段举行 并将热处理工序安排在粗 精加工阶段之间 使粗加工产生的变形及热处理变形在精加工中得到纠正 对于精度要求较高精密套筒 孔圆度 0015mm 任何微小径向变形 都有可能引起失败 故应将径向夹紧改为轴向夹紧 对于普通精度的套筒 如需径向夹紧时 也应尽可能使径向夹紧力均匀 使用过渡套或弹簧套夹紧工件或作出工艺凸边及工艺螺纹 4 盘类零件 对于毛坯为棒料或无缝钢管的盘类零件 都选用外圆表面作粗定位基准 对于毛坯为锻件或铸件的盘类零件 其粗基准选择是 如果有不加工表面 则以该表面为粗基准 如无这样的表面 则优先选择内孔作为粗基准 或设划线工序 使零件加工余量合理分配 在选择精基准时 通常采用互为基准的原则 视具体情况选择圆或内孔 外圆与端面的组合或内孔与端面的组合等定位方式 精加工 若要保证圆柱表面轴线与端面的垂直度 应以端面为基准 若要保证外圆和内孔间的同轴度 则以外圆为基准 齿轮淬火后修磨内孔 应以齿轮分度圆为基准 5 异形类零件 例1 主轴加工工艺 1 各种机床主轴的结构 应保证夹具或刀具安装可靠 定位准确 连接刚度高 装卸方便和能传递足够的转矩 由于夹具和刀具已标准化 因此通用机床主轴端部的形状和尺寸也已标准化 主轴结构取决于1 机床类型2 主轴上所安装的传动件3 轴承和密封件等零件的类型 数目 位置和安装定位方法等4 主轴加工和装配的工艺性5 为了便于装配和满足轴承 传动件等轴向定位的需要 主轴一般是阶梯形的轴6 直径从前端向后或者是从中间向两端部逐段缩小7 各阶梯之间应有退刀槽8 为了与齿轮等传动件周向连接以传递转矩 主轴上经常带有键槽或花键 1 普通车床主轴轴端的结构 圆柱面x和端面y为卡盘的定位面 用螺纹锁紧卡盘 莫氏锥孔用来安装顶尖或芯轴等 优点 制造简单 装卸卡盘方便 缺点 圆柱面定位的精度和连接刚度均较低 主轴悬伸量大 当主轴在高速运转下迅速制动时 卡盘有自动松脱的危险 是上面的另一结构变型 定心轴颈面x移到紧固螺纹的前面 增加了径向定位精度 卡盘径向定位精度高 改进的短锥法兰式结构 卡盘用短锥面x 7 7 30 和法兰端面y定位 拨销传递扭矩优点 卡盘定位精度和连接刚度高 主轴悬伸量小 主轴制动时卡盘不会松脱 应用 普通车床 六角车床 多刀车床 内圆磨床 缺点 制造精度要求高 2 铣床主轴轴端 铣刀或铣刀杆由前端锥度为7 24的锥孔定位 然后用拉杆从主轴孔的后端拉紧 传递扭矩 横键 3 外圆磨床砂轮主轴的轴端结构 砂轮通过法兰盘安装在轴端锥度为1 5的外锥体上 并用螺母拼紧位于圆锥面上的半圆键用以传递转矩 锥度 保证对中精度 4 内圆磨床砂轮主轴轴端结构 砂轮通过接长轴安装到主轴上 莫氏锥孔定位并传递扭矩 锥孔底部的螺纹紧固长轴 5 钻镗类图主轴轴端结构 钻镗类等轴向力为主的机床主轴轴端结构 刀杆或刀具用莫氏锥孔定位 锥孔或右端第一个扁孔传递扭矩 第二个扁孔用以拆卸刀具 6 组合机床主轴轴端的结构 主轴内孔为圆柱孔 前端带有莫氏锥孔的刀具接杆可安装在主轴孔中 平键传递扭矩 右端的圆螺母用来调整刀具的轴向位置 2 车床主轴的设计要求和结构特点 1 车床主轴的设计要求 车床主轴的功用 1 承受扭转力矩 2 承受弯曲力矩 3 保证回转运动精度 车床主轴的设计要求 1 扭转和弯曲刚度高 2 回转精度高 径向圆跳动 端面圆跳动 回转轴线稳定 3 制造精度高 结构尺寸及动态特性要好 主轴本身及其轴承精度高 轴承的结构和润滑 齿轮的布置 固定件的平衡等 主轴结构的设计要求 1 合理的结构设计 2 足够的刚度 3 有具有一定的尺寸 形状 位置精度和表面质量 4 足够的耐磨性 抗振性及尺寸稳定性 5 足够的抗疲劳强度 2 车床主轴的结构特点 既是阶梯轴 又是空心轴 是长径比小于12的刚性轴 不但传递旋转运动和扭矩 而且是工件或刀具回转精度的基础 主要加工表面有内外圆柱面 圆锥面 次要表面有螺纹 花键 沟槽 端面结合孔等 机械加工工艺主要是车削 磨削 其次是铣削和钻削 特别值得注意的工艺问题有 1 定位基准的选择 2 加工顺序的安排 3 深孔加工 4 热处理变形 3 车床主轴技术条件的分析 1 主轴支承轴颈的技术要求 支承轴颈是主轴的装配基准 其精度直接影响主轴的回转精度 主轴上各重要表面又以支承轴颈为设计基准 有严格的位置要求 支承轴颈为三支承结构 并且跨度大 支承轴颈采用锥面 1 12 结构 接触率 70 可用来调整轴承间隙 中间支承为IT5 IT6 粗糙度 支承轴颈圆度误差为0 005mm 径向跳动为0 005mm 其他外圆的圆度要求 误差小于50 尺寸公差 高精度者为5 10 轴颈有关表面的同轴度误差应很小 2 主轴工作表面 锥孔 的技术要求 用来安装顶尖或刀具锥柄的 是定心表面 对锥面的尺寸精度 形状精度 粗糙度 接触精度都要求高 轴心线应与支承轴颈同轴 锥孔对轴颈的径向圆跳动近轴端为0 005 离轴端300处为0 01 锥面接触率 70 粗糙度 硬度为HRC48 50 3 主轴轴端外锥 短锥 的技术要求 用来安装卡盘或花盘的 也是定心表面 对锥面的尺寸精度 形状精度 粗糙度 接触精度都要求高 轴心线应与支承轴颈同轴 对支承轴颈的径向圆跳动为0 008 端面圆跳动为0 008 粗糙度 硬度为HRC45 50 4 其它技术要求 空套齿轮轴颈的技术要求影响传动的平稳性 可能导致噪声 有同轴度要求 对支承轴颈的径向圆跳动为0 01 0 015 尺寸精度要求为IT5 IT6 螺纹的技术要求用来固定零件或调整轴承间隙 螺母的端面圆跳动 应 0 05 会影响轴承的内环轴线倾斜 螺母与轴颈的同轴度误差 0 025 螺纹精度为6h 主轴各表面的表面层要求要有较高的耐磨性 要有适当的硬度 HRC45以上 以改善其装配工艺性和装配精度 表面粗糙度 4 车床主轴的机械加工工艺过程 主轴加工工艺过程制订的依据主轴的结构 技术要求 生产批量 设备条件 主轴加工工艺过程材料 45钢 毛坯 模锻件工艺过程 分为三个阶段 粗加工 工序1 6半精加工 工序7 13 7为预备 精加工 工序14 26 14为预备 5 车床主轴加工工艺过程分析 1 主轴毛坯的制造方法自由锻件 小批量或单件生产 模锻件 大批量生产 2 热处理工序的安排毛坯热处理 去锻造应力 细化晶粒 切削前正火 预备热处理 改善切削加工性能和机械 物理性能 去锻造应力 半精加工前调质 去应力 改善切削加工性能 提高综合机械性能 精加工前局部高频淬火 提高运动表面耐磨性 精加工后的定性处理 低温时效和水冷处理 3 加工阶段的划分 如前所述 分为三个阶段 鉴于主轴的技术要求高 毛坯为模锻件 加工余量大 精度高 故应分阶段加工 分粗 精加工阶段有利于去应力并可加入热处理 多次切削有利于消除复映误差 粗 精加工二阶段应间隔一定时间 粗 精加工二阶段应分粗 精加工机床进行 合理利用设备 保护机床 4 定位基准的选择 应使定位基准与装配基准重合 一次安装应多加工几个面 注意零件的主要精度指标 同轴度 圆度 径向跳动 主轴的定位过程较复杂 有顶尖 锥堵 支承表面等作为定位基准 5 加工顺序的安排和工序的确定 三种方案1 粗加工外圆 钻深孔 精加工外圆 粗加工锥孔 精加工锥孔2 粗加工外圆 钻深孔 粗加工锥孔 精加工锥孔 精加工外圆3 粗加工外圆 钻深孔 精加工外圆 精加工外圆 精加工锥孔工序确定的两个原则1 工序中所用的基准应在该工序前加工 2 各表面要粗 精基准分开 先粗后精 多次加工 逐步提高精度 淬硬表面的键槽 螺纹等应在淬火前加工 非淬硬表面的键槽 螺纹等应在精车后 精磨前加工 检验工序应安排在适当工序之后 必要还应探伤 6 主轴加工中的几个工艺问题 1 锥堵和锥堵心轴的使用锥堵和锥堵心轴的功用 空心轴加工通孔后 定位基准 顶尖孔被破坏 通孔直径小时 可直接在孔口倒出一60 锥面 代替中心孔 当通孔直径较大时 则要采用锥堵或锥堵心轴 一般不中途更换或拆装 以免增加安装误差 锥堵和锥堵心轴要求两个锥面同轴 2 顶尖孔的研磨 研磨的必要性1 顶尖孔是定位基准 对精度和质量有直接影响2 顶尖孔的深度 影响定位轴向位置 因而影响余量分布 批量生产时 3 两顶尖孔同轴度 影响同轴度 影响位置精度4 顶尖孔锥角和圆度误差 直接反映到工件的圆度上5 热处理 切削力 重力等的影响 会损坏顶尖孔的精度6 热处理后和磨削加工前 需要消除误差 研磨方法1 用铸铁顶尖研磨 2 用油石或橡胶砂轮夹在车床的卡盘上 用金刚钻研磨 3 用硬质合金顶尖刮研 3 外圆表面的车削加工 车削加工的工艺作用1 粗加工 切除大部分余量 2 半精加工 修整预备热处理后的变形 3 精加工 使磨削前各表面具有一定的同轴度和合理的磨削余量 精加工螺纹及各端面等 车削加工值得考虑的问题1 生产效率 2 工序精度 复映误差 3 劳动强度 车削加工的设备1 单件 小批 普通车床2 成批生产 液压仿形车床3 大批量生产 液压仿形 多刀半自动车床 4 主轴深孔的加工 深孔加工的难点1 刀具细长 刚性差 易振动 易引偏 2 排屑困难 3 钻头散热条件差 冷却困难 易失去切削能力 采取措施1 采用工件旋转 刀具进给的加工方法 使钻头自定中心 2 采用特殊结构的深孔钻 3 预先加工一导向孔 防止引偏 4 采用压力输送切削润滑液 既使冷却充分 又使切屑排出 5 主轴锥孔的加工 主轴锥孔的作用及要求1 主轴锥孔是安装顶尖的定位面 2 主轴支承轴颈及主轴前端短锥的同轴度要求较高 磨削主轴锥孔一般以支承轴颈作为定位基准 有三种安装方式 1 前支承装于中心架 后支承用卡盘装夹2 前 后支承装于两个中心架 用万向节与主轴相联 3 采用专用夹具 剖分轴承 V型夹具 浮动卡头等 使磨头误差及机床振动不影响工件 该夹具由底座 支承架及浮动卡头三部分组成 前 后两支架与底座连成一体 作为工件定位的V形架镶有硬质合金 以提高耐磨性 工件的中心高应与磨头砂轮轴中心等高 后端的浮动卡头装在磨床主轴的锥孔内 工件尾部插入弹性套内 通过弹簧将弹性套 浮动卡头外壳 连同工件向后拉 钢球1压向镶有硬质合金的锥柄3端面 依靠弹簧2的涨力限制工件的轴向窜动 该联接方式只传递扭矩 排除磨头和机床误差对加工精度的干扰 6 主轴各外圆表面的精加工和光整加工 主轴的精加工1 主要采用磨削加工 2 应在热处理之后进行 纠正热处理后的变形 3 磨削加工能达到的精度为IT6 表面粗糙度为 光整加工的作用及特点1 用于精密主轴上尺寸公差等级为IT5以上或表面粗糙度的加工表面 2 采用很小的切削用量和单位切削力 变形小 3 对上道工序要求高 一般要求 表面无较深的加工痕迹 4 采用浮动的加工方法 自定心 5 加工余量很小 一般不超过0 02mm 7 轴类零件的检验 检验项目1 表面粗糙度 2 表面硬度 3 尺寸精度 4 相互位置精度 5 表面几何形状精度 检验顺序 几何精度 尺寸精度 位置精度检验方法1 硬度 硬度计 2 表面粗糙度 触针式表面粗糙度轮廓仪或样板比较法 3 锥孔 着色法4 尺寸精度 常规检验仪器 万能量具 5 位置精度 专用检验装置 例2 套类零件加工工艺 1 套筒类零件的功用 结构 套筒类零件是指在回转体零件中的空心薄壁件 是机械加工中常见的一种零件 在各类机器中应用很广 主要起支承或导向作用 由于功用不同 其形状结构和尺寸有很大的差异 常见的有支承回转轴的各种形式的轴承圈 轴套 夹具上的钻套和导向套 内燃机上的气缸套和液压系统中的液压缸 电液伺服阀的阀套等都属于套类零件 其大致的结构形式如图所示 2 套类零件的材料与毛坯 套类零件一般用钢 铸铁 青铜制成 有些滑动轴承采用双金属结构 以离心铸造法在铸铁或钢内壁上浇注巴氏合金等轴承合金材料 既可节省贵金属 又能提高轴承寿命 套类的毛坯选择与材料 结构 尺寸及生产批量有关 孔径小的套筒一般选择热轧或冷拉棒料 也可采用实心铸件 孔径较大的套筒 常选择无缝钢管或带孔的铸件和锻件 大量生产时 采用冷挤压和粉末冶金等先进毛坯制造工艺 既节约用材 又提高生产率 套筒类零件的功能要求和结构特点决定了套筒类零件的热处理方法有渗碳淬火 表面淬火 调质 高温时效及渗氮 3 套类零件的加工工艺过程 套筒类零件由于功用 结构形状 材料 热处理以及尺寸不同 其工艺差别很大 按结构形状来分 大体上分为短套类与长套类两类 它们在机械加工中 工件的装夹及加工方法有很大差别 1 短套零件工艺 图所示为一轴承套 材料为ZQSn 主要技术要求为 34js7外圆对 22H7孔的径向圆跳动公差为0 01mm 左端面对 22H7孔的轴线垂直度公差为0 01mm 内孔和外圆的尺寸精度和位置精度要求均较高 机械加工工艺过程下表所示 属于短套 其直径尺寸和轴向尺寸均不大 粗加工可以单件加工 也可以多件加工 这里采用多件加工的方法 表轴承套机械加工工艺过程 2 长套筒零件加工工艺 图示某液压缸零件图 成批生产 与前述短套类零件在加工方法及工件安装方式上都有较大差别 该液压缸内孔与活塞相配 因此表面粗糙度 形状及位置精度要求都较高 毛坯可选用无缝钢管 如为铸件 其组织应紧密 无砂眼 针孔及疏松缺陷 零件长而壁薄 为保证内外圆的同轴度 采用顶尖孔定位或一头夹紧一头用中心架支承 加工内孔与一般深孔加工时的装夹方法相同 多采用夹一头 另一端用中心架托住外圆 孔的粗加工采用镗削 半精加工多采用浮动铰孔 液压缸内孔的表面质量要求很高 内孔精加工后需滚压 也有不少套筒类零件以精细镗 珩磨 研磨等精密加工作为最终工序 内孔经滚压后 尺寸误差在0 01mm以内 表面粗糙度为Ra0 16 m或更小 且表面经硬化后更为耐磨 但目前对铸造液压缸尚未采用滚压工艺 原因是铸件表面的缺陷 如疏松 气孔 砂眼 硬度不均匀等 对滚压有很大影响 会导致滚压加工产生不好效果 工艺过程下表所示 表液压缸机械加工工艺过程 4 套类零件的加工工艺分析 1 保证表面相互位置精度的方法套类零件内外表面的同轴度以及端面与孔轴线的垂直度要求一般都较高 一般可用以下方法来满足 1 在一次安装中完成内外表面及端面的全部加工 这样可消除工件的安装误差并获得很高的相互位置精度 但由于工序比较集中 对尺寸较大的套筒安装不便 故多用于尺寸较小的轴套车削加工 2 主要表面的加工分在几次安装中进行 先加工孔 先加工孔至零件图尺寸 然后以孔为精基准加工外圆 由于使用的夹具 通常为心轴 结构简单 而且制造和安装误差较小 因此可保证较高的相互位置精度 在套筒类零件加工中应用较多 3 主要表面的加工分在几次安装中进行 先加工外圆 先加工外圆至零件图尺寸 然后以外圆为精基准完成内孔的全部加工 该方法工件装夹迅速可靠 但一般卡盘安装误差较大 使得加工后工件的相互位置精度较低 如果欲使同轴度误差较小 则须采用定心精度较高的夹具 如弹性膜片卡盘 液性塑料夹头 经过修磨的三爪自定心卡盘和软爪等 2 防止套类零件变形的工艺措施 套类零件的结构特点是孔的壁厚较薄 常因夹紧力 切削力和热变形的影响而引起变形 为防止变形采取工艺措施 1 将粗 精加工分开进行 为减少切削力和切削热的影响 使粗加工产生的变形在精加工中得以纠正 2 减少夹紧力的影响在工艺上采取以下措施减少夹紧力的影 采用径向夹紧时 夹紧力不集中在某一径向截面上 而应使其分布在较大的面积上 如可将工件安装在一个适当厚度的开口圆环中 在连同此环一起夹紧 也可采用增大接触面积的特殊卡爪 以孔定位时 宜采用张开式心轴装夹 夹紧力的位置宜选在零件刚性较强的部位 以改善在夹紧力作用下薄壁零件的变形 改变夹紧力的方向 将径向夹紧改为轴向夹紧 在工件上制出加强刚性的工艺凸台或工艺螺纹以减少夹紧变形 加工时用特殊结构的卡爪夹紧 加工终了时将凸边切去 如上表工序2先车出M88mm 1 5mm螺纹供后续工序装夹时使用 在工序3中利用该工艺螺纹将工件固定在夹具中 加工完成后 在工序5车去该工艺螺纹 3 减小切削力对变形的影响 增大刀具主偏角和主前角 使加工时刀刃锋利 减少径向切削力 将粗 精加工分开 使粗加工产生的变形能在精加工中得到纠正 并采取较小的切削用量 内外圆表面同时加工 使切削力抵销 4 热处理放在粗加工和精加工之间这样安排可减少热处理变形的影响 套类零件热处理后一般会产生较大变形 在精加工时可得到纠正 但要注意适当加大精加工的余量 例3 丝杠加工工艺分析