轴类零件的加工工艺和常用工艺设备概述.docx

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轴类零件的加工工艺和常用工艺设备概述

轴类零件的加工工艺和常用工艺设备概述

.1轴类零件的功用与结构

  轴是组成机械的重要零件，也是机械加工中常见的典型零件之一。

它支撑着其它转动件回转并传递扭矩，同时又通过轴承与机器的机架连接。

  轴类零件是旋转零件，其长度大于直径，由外圆柱面、圆锥面、内孔、螺纹及相应端面所组成。

加工表面通常除了内外圆表面、圆锥面、螺纹、端面外，还有花键、键槽、横向孔、沟槽等。

  根据功用和结构形状，轴类有多种形式，如光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴等。

1.2轴类零件的技术要求

（1）加工精度

  1）尺寸精度轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。

按使用要求，主要轴颈直径尺寸精度通常为IT6-IT9级，精密的轴颈也可达IT5级。

轴长尺寸通常规定为公称尺寸，对于阶梯轴的各台阶长度按使用要求可相应给定公差。

  2）几何精度轴类零件一般是用两个轴颈支撑在轴承上，这两个轴颈称为支撑轴颈，也是轴的装配基准。

除了尺寸精度外，一般还对支撑轴颈的几何精度（圆度、圆柱度）提出要求。

对于一般精度的轴颈，几何形状误差应限制在直径公差范围内，要求高时，应在零件图样上另行规定其允许的公差值。

  3）相互位置精度轴类零件中的配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。

通常普通精度的轴，配合精度对支撑轴颈的径向圆跳动一般为0.01-0.03mm，高精度轴为0.001-0.005mm。

  此外，相互位置精度还有内外圆柱面的同轴度，轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。

（2）表面粗糙度

  根据机械的精密程度，运转速度的高低，轴类零件表面粗糙度要求也不相同。

一般情况下，支撑轴颈的表面粗糙度Ra值为0.63-0.16μm；配合轴颈的表面粗糙度Ra值为2.5-0.63μm

6.1.3轴类零件的材料和毛坯

（1）轴类零件的材料

  轴类零件材料的选取，主要根据轴的强度、刚度、耐磨性以及制造工艺性而决定，力求经济合理。

  常用的轴类零件材料有35、45、50优质碳素钢，以45钢应用最为广泛。

对于受载荷较小或不太重要的轴也可用Q235、Q255等普通碳素钢。

对于受力较大，轴向尺寸、重量受限制或者某些有特殊要求的可采用合金钢。

如40Cr合金钢可用于中等精度，转速较高的工作场合，该材料经调质处理后具有较好的综合力学性能；选用Cr15、65Mn等合金钢可用于精度较高，工作条件较差的情况，这些材料经调质和表面淬火后其耐磨性、耐疲劳强度性能都较好；若是在高速、重载条件下工作的轴类零件，选用20Cr、20CrMnTi、20Mn2B等低碳钢或38CrMoA1A渗碳钢，这些港经渗碳淬火或渗氮处理后，不仅有很高的表面硬度，而且其心部强度也大大提高，因此具有良好的耐磨性、抗冲击韧性和耐疲劳强度的性能。

  球墨铸铁、高强度铸铁由于铸造性能好，且具有减振性能，常在制造外形结构复杂的轴中采用。

特别是我国研制的稀土——镁球墨铸铁，抗冲击韧性好，同时还具有减摩、吸振，对应力集中敏感性小等优点，已被应用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件。

（2）轴类零件的毛坯

  轴类零件的毛坯常见的有型材（圆棒料）和锻件。

大型的，外形结构复杂的轴也可采用铸件。

内燃机中的曲轴一般均采用铸件毛坯。

  型材毛坯分热轧或冷拉棒料，均适合于光滑轴或直径相差不大的阶梯轴。

  锻件毛坯经加热锻打后，金属内部纤维组织沿表面分布，因而有较高的抗拉、抗弯及抗扭转强度，一般用于重要的轴。

2外圆表面的加工方法和加工方案

  2.1外圆表面的加工方法及加工精度

  轴类、套类和盘类零件是具有外圆表面的典型零件。

外圆表面常用的机械加工方法有车削、磨削和各种光整加工方法。

车削加工是外圆表面最经济有效的加工方法，但就其经济精度来说，一般适于作为外圆表面粗加工和半精加工方法；磨削加工是外圆表面主要精加工方法，特别适用于各种高硬度和淬火后的零件精加工；光整加工是精加工后进行的超精密加工方法（如滚压、抛光、研磨等），适用于某些精度和表面质量要求很高的零件。

由于各种加工方法所能达到的经济加工精度、表面粗糙度、生产率和生产成本各不相同，因此必须根据具体情况，选用合理的加工方法，从而加工出满足零件图纸上要求的合格零件。

表1为外圆表面各种加工方案和经济加工精度。

表1外圆表面加工方案

序号  加工方法  经济精度

（公差等级）  经济粗糙度

Ra值/μm  适用范围

1  粗车  IT13-IT11  50-12.5  适用于淬火钢以外的各种金属

2  粗车-半精车  IT10-IT8  6.3-3.2  

3  粗车-半精车-精车  IT8-IT7  1.6-0.8  

4  粗车-半精车-精车-滚压  IT8-IT7  0.2-0.025  

5  粗车-半精车-磨削  IT8-IT7  0.8-0.4  主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢，但不适用于有色金属

6  粗车-半精车-粗磨-精磨  IT7-IT6  0.4-0.1  

7  粗车-半精车-粗磨-精磨-超精加工（或轮式超精磨）  IT5  0.1-0.012

（或Rz0.1）  

8  粗车-半精车-精车-精细车（金刚车）  IT7-IT6  0.4-0.025  主要用于要求较高的有色金属

9  粗车-半精车-粗磨-精磨-超精磨（或镜面磨）  IT5以上  0.025-0.006

（或Rz0.1）  极高精度的外圆加工

10  粗车-半精车-粗磨-精磨-研磨  IT5以上  • 012

（或Rz0.1）

2.2外圆表面的车削加工

（1）外圆车削的形式

  轴类零件外圆表面的主要加工方法是车削加工。

主要的加工形式有：

  荒车自由锻件和大型铸件的毛坯，加工余量很大，为了减少毛坯外圆形状误差和位置偏差，使后续工序加工余量均匀，以去除外表面的氧化皮为主的外圆加工，一般切除余量为单面1-3mm。

  粗车中小型锻、铸件毛坯一般直接进行粗车。

粗车主要切去毛坯大部分余量（一般车出阶梯轮廓），在工艺系统刚度容许的情况下，应选用较大的切削用量以提高生产效率。

  半精车一般作为中等精度表面的最终加工工序，也可作为磨削和其它加工工序的预加工。

对于精度较高的毛坯，可不经粗车，直接半精车。

  精车外圆表面加工的最终加工工序和光整加工前的预加工。

  精细车高精度、细粗糙度表面的最终加工工序。

适用于有色金属零件的外圆表面加工，但由于有色金属不宜磨削，所以可采用精细车代替磨削加工。

  但是，精细车要求机床精度高，刚性好，传动平稳，能微量进给，无爬行现象。

车削中采用金刚石或硬质合金刀具，刀具主偏角选大些（45o-90o）,刀具的刀尖圆弧半径小于0.1-1.0mm，以减少工艺系统中弹性变形及振动。

（2）车削方法的应用

  1）普通车削适用于各种批量的轴类零件外圆加工，应用十分广泛。

单件小批量常采用卧室车床完成车削加工；中批、大批生产则采用自动、半自动车床和专用车床完成车削加工。

  2）数控车削适用于单件小批和中批生产。

近年来应用愈来愈普遍，其主要优点为柔性好，更换加工零件时设备调整和准备时间短；加工时辅助时间少，可通过优化切削参数和适应控制等提高效率；加工质量好，专用工夹具少，相应生产准备成本低；机床操作技术要求低，不受操作工人的技能、视觉、精神、体力等因素的影响。

对于轴类零件，具有以下特征适宜选用数控车削。

  结构或形状复杂，普通加工操作难度大，工时长，加工效率低的零件。

  加工精度一致性要求较高的零件。

  切削条件多变的零件，如零件由于形状特点需要切槽，车孔，车螺纹等，加工中要多次改变切削用量。

  批量不大，但每批品种多变并有一定复杂程度的零件。

对带有键槽，径向孔（含螺钉孔）、端面有分布的孔（含螺钉孔）系的轴类零件，如带法兰的轴，带键槽或方头的轴，还可以在车削加工中心上加工，除了能进行普通数控车削外，零件上的各种槽、孔（含螺钉孔）、面等加工表面也可一并能加工完毕。

工序高度集中，其加工效率较普通数控车削更高，加工精度也更为稳定可靠。

2.3外圆表面的磨削加工

（1）外圆表面磨削的工艺范围

  用磨具以较高的线速度对工件表面进行加工的方法称为磨削。

磨削加工是一种多刀多刃的高速切削方法，它使用于零件精加工和硬表面的加工。

  磨削的工艺范围很广，可以划分为粗磨、精磨、细磨及镜面磨。

各种磨削方案所能达到的经济加工精度和表面粗糙度值见表1.1。

  磨削加工采用的磨具（或磨料）具有颗粒小，硬度高，耐热性好等特点，因此可以加工较硬的金属材料和非金属材料，如淬硬钢、硬质合金道具、陶瓷等；加工过程中同时参与切削运动的颗粒多，能切除极薄极细的切屑，因而加工精度高，表面粗糙度值小。

磨削加工作为一种精加工方法，在生产中得到广泛的应用。

目前，由于强力磨削的发展，也可直接将毛坯磨削到所需要的尺寸和精度，从而获得了较高的生产率。

（2）外圆表面磨削的常用方法

  1）纵磨法

  如图1a，砂轮高速旋转起切削作用，工件旋转作圆周进给运动，并和工作台一起作纵向往复直线进给运动。

工作台每往复一次，砂轮沿磨削深度方向完成一次横向进给，每次进给（吃刀深度）都很小，全部磨削余量是在多次往复行程中完成的。

当工件磨削接近最终尺寸时（尚有余量0.005-0.01mm），应无横向进给光磨几次，直到火花消失为止。

纵磨法加工精度和表面质量较高，适应性强，用同一砂轮可磨削直径和长度不同的工件，但生产率低。

在单件、小批量生产及精磨中应用广泛，特别适用于磨削细长轴等刚性差的工件。

图1外圆磨床的磨削方法

  2）横磨法（切入法）

  如图1b，磨削时，工件不作纵向往复运动，砂轮以缓慢的速度连续或间断地向工件作横向进给运动，直到磨去全部余量。

横磨时，工件与砂轮的接触面积大，磨削力大，发热量大而集中，所以易发生工件变形、烧刀和退火。

横磨法生产效率高，适用于成批或大量生产中，磨削长度短、刚性好、精度低的外圆表面及两侧都有台肩的轴径。

若将砂轮修整成型，也可直接磨削成型面。

  3）综合磨法

  如图1c，先用横磨法将工件分段进行粗磨，相邻之间有5-15mm搭接，每段上留有0.01-0.03mm的精磨余量，精磨时采用纵磨法。

这种磨削方法综合了纵磨和横磨的优点，适用于磨削余量较大（余量0.7-0.6mm）的工件。

  4）深磨法

  磨削时采用较小的纵向进给量（1-2mm/r）和较大的吃刀深度（0.2-0.6mm）在一次走刀中磨去全部余量。

为避免切削负荷集中和砂轮外圆棱角迅速磨钝，应将砂轮修整成锥形或台阶形，外径小的台阶起粗磨作用，可修粗些；外径大的起精磨作用，修细些。

深磨法可获得较高的精度和生产率，表面粗糙度值较小，适用于大批量生产中，加工刚性好的短轴。

  （3）外圆表面的无心磨削

  在无心磨床磨削工件外圆时，工件不用顶尖来定心和支撑，而是直接将工件放在砂轮和导轮（用橡胶结合剂作的粒度较粗的砂轮）之间，由托板支撑，工件被磨削的外圆面作定位面，见图2a。

无心外圆磨床有两种磨削方式。

  1）贯穿磨削法（纵磨法）

  如图2b，磨削时将工件从机床前面放到托板上，推入磨削区，由于导轮轴线在垂直平面内倾斜α角（α=1o-6o）,导轮与工件接触处的线速度v导可以分解成水平和垂直两个方向得分速度v导水平和v导垂直，v导垂直控制工件的圆周进给运动，v导水平使工件作纵向进给。

所以工件进入磨削区后，便既作旋转运动，又作轴向移动，穿过磨削区，工件就磨削完毕。

α角增大，生产率高，但表面粗糙度随之增大；反之，情况相反。

为保证导轮与工件呈线接触状态，需将导论形状修整成回转双面曲形。

这种磨削方法不适用带台阶的圆柱形工件。

  2）切入磨削法（横磨法）

  先将工件放在托板和导轮之间，然后由工件（连同导轮）或磨削砂轮横向切入进给，磨削工件表面。

这时导轮的中心线仅倾斜很小角度（约30'）,以便对工件产生一微小的轴向推力，使它靠住挡板，得到可靠的轴向定位，见图2c。

切如磨法适用于磨削有阶梯或成形回转表面的工件，但磨削表面长度不能大于磨削砂轮宽度。

图2无心外圆磨削的加工示意图

  在磨床上磨削外圆表面时，应采用充足的切削液，一般磨钢件多用苏打水或乳化液；铝件采用加少量矿物油的煤油；铸铁、青铜件一般不用切削液，而用吸尘器清除尘屑。

2.4外圆表面的光整加工

  对于超精密零件的加工表面往往需要采用特殊的加工方法，在特定的环境下加工才能达到要求，外圆表面的光整加工就是提高零件加工质量的特殊加工方法。

（1）研磨

  研磨是一种古老、简便可靠的表面光整加工方法，属自由磨粒加工。

在加工过程中那些直接参与切除工件材料的磨粒不像砂轮、油石和沙带、砂纸那样总是固结或涂附在磨具上，而是处于自由游离状态。

经研磨表面，尺寸和几何形状精度可达1-3μm，表面粗糙度Ra值为0.16-0.01μm。

若研具精度足够高，其尺寸和几何形状精度可达0.3-0.1μm，表面粗糙度值Ra值小于0.04-0.01μm。

  1）研磨原理

  研磨是通过研具在一定压力下与加工面作复杂的相对运动而完成的。

研具和工件之间的磨粒与研磨剂在相对运动中，分别起机械切削作用和物理、化学作用，使磨粒能从工件表面上切去极薄的一层材料，从而得到极高的尺寸精度和极细的表面粗糙度。

  研磨时，有大量磨粒在工件表面浮动着，它们在一定的压力下滚动、刮擦和挤压，起着切除细微材料层的作用，见图3所示，磨粒在研磨塑性材料时，受到压力的作用，首先使工件加工面产生裂纹，随着磨粒的运动，裂纹的扩大、交错，以致形成了碎片（即切削）最后脱离工件。

研具与工件相对运动复杂，磨粒在工件表面上的运动不重复，可以除去“高点”。

这就是机械切削的作用。

  研磨时磨粒与工件接触点局部压力非常大，因而瞬时产生高温，产生挤压作用，以致使工件表面平滑，表面粗糙度Ra值下降，这是研磨时产生的物理作用。

  由于研磨时研磨液中加入硬脂酸或油酸，与覆盖在工件表面的氧化物薄膜间还会产生化学作用，使被研表面软化，加速研磨效果。

图3研磨时磨粒的切削作用

  2）研磨方法

  ①手工研磨

  研磨外圆时，工件夹持在车窗卡盘上或用顶尖支撑，作低速回转，研具套在工件上，在研具与工件之间加入研磨剂，然后用手推动研具作往复运动。

往复运动速度常选用20-70m/min为宜。

常用的研具见图4。

图4a为粗研套，孔内有油槽，可储存研磨剂；图6.4b为精研套，无油槽。

  ②机器研磨

  机器研磨效率高，可以单面研磨，也可以双面研磨。

图5所示为一种行星传动式的双面研磨机。

      图4外圆研具            图5行星齿轮研磨机

  1'-上研磨盘1-下研磨盘2-工件3-工件夹盘

  4-内齿圈5-中心传动齿轮n1-研磨盘转速

  n2-工件转速n3-工件夹盘转速n4-内齿圈转速

  n5-中心传动齿轮转速

  图中的中心齿轮5带动六个工件2，装夹盘3，该装夹盘本身在传动中就是一个行星齿轮。

这六个行星齿轮的外圆又同时与一个中心内齿轮4啮合。

行星齿轮除了以n3的转速作自转外，还作公转。

研磨盘以n1转速旋转，工件则置于行星齿轮（即工件夹盘）的槽中，并随行星齿轮与研磨盘作相对运动。

  此外，机器研磨不仅可以研磨外圆柱面、内圆柱面，还适用于平面、球面、半球面的表面研磨。

  ③嵌砂与无嵌砂研磨

  根据磨料是否嵌入研具，研磨又可分为嵌砂和无嵌砂两种。

  A.嵌砂研磨研具材料比工件软，组织均匀，具有一定弹性，变形小，表面无斑点等特点。

常用材料委会朱铁、铜、铅、软钢等。

  在加工中，磨料直接加入工作区域内，磨粒受挤压而自动嵌入研具称自由嵌砂法。

若是在加工前，事先将磨料直接挤压到研具表面中去的则称强迫嵌砂。

此方法主要用于精密量具的研磨。

  B.无嵌砂的研磨研具材料较硬，而磨料较软（如氧化铬等）。

在研磨过程中，磨粒处于自由状态，不嵌入研具表面。

研具材料常选用淬硬过的钢、镜面玻璃等。

  3）研磨具和研剂

  ①研磨剂研磨剂包含磨料、研磨液和辅助材料。

  磨料应具有高硬度，高耐磨性；磨粒要有适当的锐利性，在加工中破碎后仍能保持一定的锋刃；磨粒的尺寸要大致相近，使加工中尽可能有均一的工作磨粒。

常见的研磨磨料见表2所示。

  研磨液研磨液使磨粒在研具表面上均匀散布，承受一部分研磨压力，以减少磨粒破碎，并兼有冷却、润滑作用。

常用的研磨液是煤油、汽油、机油、动物油脂等。

  辅助材料辅助材料能使工件表面氧化物薄膜破坏，增加研磨效率。

  ②研具研磨工具简称研具，其作用是使研磨剂赖以暂时固着或获得一定的研磨运动，并将自身的几何形状按一定的方式传递到工件上。

因此，制造研具的材料对磨料要有适当的嵌入性，研具自身几何形状应有长久的保持性。

表2研磨常用磨料

种类  主要成分  显微硬度/HV  适用材料

刚玉  AL2O3  2000-2300  各种碳钢、合金钢、不锈钢

碳化硅  SiC  2800-3400  铸铁、其他非铁金属及其合金（青铜、铝合金）、玻璃陶瓷、石材

碳化硼  B4C  4400-5400  高硬钢、镀铬表面、硬质合金

碳硅硼    5700-6200  硬质合金、半导体材料、宝石、陶瓷

金刚石  C  10000  硬质合金、陶瓷、玻璃、水晶、半导体材料、宝石

氧化铬  Cr2O3    淬硬钢及一般金属的精细研磨和抛光

  4）研磨特点

  研磨能获得其他机械加工较难达到的稳定的高精度表面，研磨过的表面其表面粗糙度细；耐磨性、耐蚀性能良好；操作技术、使用设备、工具简单；被加工材料适应范围广，无论钢、铸铁、还是有色金属均可用研磨方法精加工，尤其对脆性材料更显特色。

适用于多品种小批量的产品零件加工，因为只要改变研具形状就能方便地加工出各种形状的表面。

但必须注意的事，研磨质量很大程度取决于前道工序的加工质量。

（2）超精加工

  超精加工实际上是摩擦抛光过程，是降低表面粗糙度的一种有效的光整加工方法。

它具有设备简单、操作方便、效果显著、经济性好等优点。

  1）超精加工的工作原理

  超精加工使用细粒度磨条（油石）以较低的压力和切削速度对工件表面进行精密加工的方法，如图6所示。

图6超精加工运动

  加工中有三种运动，即工件的回转运动1；磨头轴向进给运动2；磨条高速往复振动3。

这三种运动使磨粒在工件表面形成的轨迹是正弦曲线。

  超精加工的切削过程与磨削、研磨不同，只能切去工件表面的凸峰，当工件表面磨平后，切削作用能自动停止。

超精加工大致可分为四个阶段：

  强力切削阶段油石磨粒细，压力小，工件与磨条之间的油膜易形成，单位面积上的压力大，故切削作用强烈。

  正常切削阶段当少数凸峰磨平后，接触面积上的压力降低，切削磨条自锐性作用减弱，进入正常切削阶段。

  微弱切削阶段随着切削面积的增大，单位面积上的压力更低，切削作用微弱，且细小的切屑形成氧化物而嵌入油石空隙中，使油石产生光滑表面，具有摩擦抛光作用而降低工件表面的粗糙度。

  自动停止阶段工件磨平，单位面积上压力极低，工件与磨条之间又形成了油膜，不再窃笑，切削作用自动停止。

  2）超精加工的特点

  ①超精加工磨粒运动轨迹复杂，能由切削过程过渡到抛光过程，表面粗糙度Ra值达0.01-0.04μm。

  ②超精加工磨条的粒度极细，只能切削工件凸峰，所以加工余量很小，一般为0.005-0.00025mm。

  ③磨条高速往复振动，磨条的微刃两面切削，磨屑易于清楚。

不会在工件表面形成划痕。

  ④切削速度低，磨条压力小，工件表面不易发热，不会烧伤表面，也不易使工件表面变形。

  ⑤超精加工的表面耐磨性好。

  （3）双轮珩磨

  双轮珩磨也是一种高效的光整加工方法。

珩磨时工件在两顶尖上以转速nω旋转（图7a），两个修整成双曲线的磨轮轴线反向倾斜，与工件轴线成α角（图7b），安装在工件两边，用弹簧3压向工件1。

工件靠摩擦力带动珩轮2旋转，同时沿工件轴向作往复运动。

磨轮和工件的相对滑动速度v使其产生切削力。

  双轮珩磨出来的工件表面呈黑色镜面，其表面粗糙度Ra值达0.0012-0.025μm。

此外，由于磨轮本身回转，磨损均匀，因此耐用度较高。

采用这种加工方法的最大特点是对前道工序的表面粗糙度要求不高，即使是车削表面，也可直接进行珩磨。

但采用这种方法，不能纠正前道工序的圆度误差。

图7双轮珩磨

  （4）滚压

  滚压是冷压加工方法之一，属无屑加工。

滚压加工是利用金属产生塑性变形从而达到改变工件的表面性能、获得工件尺寸形状的目的。

  外圆表面的滚压加工一般可用各种相应的滚压工具，例如滚压轮（图8a）、滚珠（图8b）等在普通卧室车床上对加工表面在常温下进行强行滚压，使工件金属表面产生塑性变形，修正金属表面的微观几何形状，减小加工表面粗糙度值，提高工件的耐磨性、耐蚀性和疲劳强度。

例如经滚压后的外圆表面粗糙度可达Ra0.4-0.25μm，硬化层深度0.2-0.05μm，硬度提高5%-20%。

图8滚压加工示意图

a）滚轮式b）滚珠式

  滚压加工特点如下：

  1）前道工序的表面粗糙度Ra不大于5μm，压前表面要洁净，直径方向的余量为0.02-0.03mm。

  2）滚压后工件的形状精度及相互位置精度主要取决于前道工序的形状位置精度。

前工序表面圆柱度、圆度较差则还会出现表面粗糙度不均匀的现象。

  3）滚压的对象一般只适宜塑性材料，并要求材料组织均匀。

经滚压后的工件表面耐磨性、耐蚀性提高明显。

  4）滚压加工生产率高，工艺范围广，不仅可以用来加工外圆表面，对于内孔、端面的加工均可采用。

3外圆表面加工常用工艺装备

  3.1常用车刀类型、特点及应用

  车刀类型选择决定于生产批量、机床形式、工件形状、加工方法、加工精度及表面粗糙度、工件材料等。

目前生产中常见的车刀结构形式有焊接式和可转位式两大类。

可转位式的车刀一般采用机械加固