第2章 軸類零件加工工藝編制及實(shí)施
　　* 軸類零件概述。
　　* 軸類零件外圓表面的粗、精加工方法。
　　* 軸類零件外圓表面加工常用設(shè)備。
　　* 軸類零件外圓表面加工常用刀具。
　　* 軸類零件加工常用裝夾方式。
　　* 軸類零件的測(cè)量。
　　* 簡(jiǎn)單軸類零件的加工工藝分析。
　　* 具有軸類零件工藝性分析能力。
　　* 掌握軸類零件毛坯的選擇方法。
　　* 具有編制簡(jiǎn)單軸類零件機(jī)械加工工藝過程卡的能力。
　　* 具有編制簡(jiǎn)單軸類零件機(jī)械加工工序卡的能力。
　　* 初步具備較復(fù)雜軸類零件的工藝路線編寫能力。
　　2.1 工作場(chǎng)景導(dǎo)入
　　【工作場(chǎng)景】
　　工作對(duì)象：8E160C-J型機(jī)油泵傳動(dòng)軸零件圖、機(jī)油泵部件裝配圖分別如圖2-1、圖2-2所示，現(xiàn)為中小批量生產(chǎn)。
　　任務(wù)要求：編制傳動(dòng)軸零件的機(jī)械加工工藝過程卡、機(jī)械加工工序卡；在條件允許的情況下操作機(jī)床加工零件、驗(yàn)證工藝的合理性。
　　【引導(dǎo)問題】
　　(1) 仔細(xì)閱讀傳動(dòng)軸零件圖，回顧1.3節(jié)知識(shí)點(diǎn)--零件的工藝性分析，檢查零件圖的完整性和正確性；根據(jù)各校實(shí)際制造能力分析審查零件的結(jié)構(gòu)、尺寸精度、形位精度、表面粗糙度、材料及熱處理等技術(shù)要求是否合理，是否便于加工和加工的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)工藝性的一般原則，判斷該零件的結(jié)構(gòu)工藝性是否良好？如果結(jié)構(gòu)工藝性不好，如何改進(jìn)？
　　(2) 回顧1.4節(jié)知識(shí)點(diǎn)--毛坯的選擇，如何選擇傳動(dòng)軸零件毛坯？如何確定傳動(dòng)軸零件毛坯尺寸？
　　(3) 一般軸類零件的功用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、材料、毛坯及熱處理有哪些內(nèi)容？
　　(4) 一般軸類零件外圓表面加工方法有哪些？如何選擇？
　　(5) 軸類零件常用外圓表面加工設(shè)備有哪些？如何選擇？
　　(6) 軸類零件的外圓表面常用加工刀具有哪些？如何選擇？
　　(7) 如何測(cè)量軸類零件的外徑？
　　(8) 企業(yè)生產(chǎn)參觀實(shí)習(xí)。
　　① 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)加工哪些軸類零件？批量如何？采用什么毛坯？
　�、� 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種軸類零件加工工藝有何特點(diǎn)？一般使用什么機(jī)床加工？采用何種刀具？使用哪種量具測(cè)量？工件如何夾緊？
　　2.2 基 礎(chǔ) 知 識(shí)
　　【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解一般軸類零件的功用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求，軸類零件的材料、毛坯及熱處理。
　　2.2.1 軸類零件的功用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　軸類零件是一種常用的典型零件，主要用于支承齒輪、帶輪等傳動(dòng)零件及傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，故其結(jié)構(gòu)組成中具有許多外圓、軸肩、螺紋、螺尾退刀槽、砂輪越程槽和鍵槽等。外圓用于安裝軸承、齒輪、帶輪等；軸肩用于軸上零件和軸本身的軸向定位；螺紋用于安裝各種鎖緊螺母和高速螺母；螺尾退刀槽供加工螺紋時(shí)退刀用；砂輪越程槽則是為了能完整地磨削出外圓和端面等；鍵槽用來安裝鍵，以傳遞扭矩。
　　軸類零件的種類如圖2-3所示。
　　圖2-3 軸的種類
　　2.2.2 軸類零件的技術(shù)要求
　　軸通常是由其軸頸支承在機(jī)器的機(jī)架或箱體上，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。根據(jù)其功用及工作條件，軸類零件的技術(shù)要求通常包括以下幾個(gè)方面。
　　(1) 尺寸精度和形狀精度。軸類零件的尺寸精度主要是指軸的直徑尺寸精度。軸上支承軸頸和配合軸頸(裝配傳動(dòng)件的軸頸)的尺寸精度和形狀精度是軸的主要技術(shù)要求之一，它將影響軸的回轉(zhuǎn)精度和配合精度。
　　(2) 位置精度。為保證軸上傳動(dòng)件的傳動(dòng)精度，必須規(guī)定支承軸頸與配合軸頸的位置精度。通常以配合軸頸相對(duì)于支承軸頸的徑向圓跳動(dòng)或同軸度來保證。
　　(3) 表面粗糙度。軸上的表面以支承軸頸的表面質(zhì)量要求最高，其次是配合軸頸或工作表面。這是保證軸與軸承以及軸與軸上傳動(dòng)件正確可靠配合的重要因素。
　　在生產(chǎn)實(shí)際中，軸頸的尺寸精度通常為IT6～I(xiàn)T9，精密的軸頸可達(dá)IT5；一般軸的形狀精度應(yīng)控制在直徑公差范圍之內(nèi)；精密軸頸的形狀精度應(yīng)控制在直徑公差的1/5～l/2之內(nèi)。表面粗糙度Ra值，支承軸頸一般為0.63～0.16mm，配合軸頸一般為2.5～0.63mm；配合軸頸對(duì)支承軸頸的徑向圓跳動(dòng)一般為0.01～0.03 mm，高精度軸為0.001～0.005 mm。
　　2.2.3 軸類零件的材料、毛坯及熱處理
　　1. 材料
　　一般軸類零件的材料常用綜合力學(xué)性能優(yōu)異且價(jià)格較便宜的45鋼，這種材料經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火后，能得到較好的切削性能及較高的強(qiáng)度和一定的韌性，具有較好的綜合力學(xué)性能。對(duì)于中等精度且轉(zhuǎn)速較高的軸類零件，可選用40Cr等合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火處理后具有較好的綜合力學(xué)性能。對(duì)于較高精度的軸，可選用軸承鋼GCr15和彈簧鋼65Mn等材料，經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面高頻感應(yīng)加熱淬火后再回火，表面硬度可達(dá)50～58HRC，并具有較高的耐疲勞性能和較好的耐磨性。對(duì)于高轉(zhuǎn)速和重載荷軸，可選用20CrMnTi、20Cr等滲碳鋼或38CrMoAl滲氮鋼，經(jīng)過淬火或氮化處理后獲得更高的表面硬度、耐磨性和心部強(qiáng)度。
　　2. 熱處理
　　軸的質(zhì)量除與所選的鋼材種類有關(guān)，還與熱處理有關(guān)。軸的鍛造毛坯在機(jī)械加工之前，均需進(jìn)行正火或退火(高碳鋼)處理，使鋼材的晶粒細(xì)化，以消除殘余應(yīng)力，降低毛坯硬度，改善切削加工性能。
　　凡要求局部表面淬火以提高耐磨性的軸，須在淬火前安排調(diào)質(zhì)處理(有的采用正火)。當(dāng)毛坯加工余量較大時(shí)，調(diào)質(zhì)放在粗車之后、半精車之前，使粗加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力能在調(diào)質(zhì)時(shí)消除；當(dāng)毛坯加工余量較小時(shí)，調(diào)質(zhì)可安排在粗車之前進(jìn)行。表面淬火一般放在精加工之前，可以保證淬火引起的局部變形在精加工中得到糾正。
　　對(duì)于精度要求較高的軸，在局部淬火和粗磨之后，還需安排低溫時(shí)效處理，以消除淬火和磨削中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余奧氏體，控制尺寸穩(wěn)定；對(duì)于整體淬火的精密主軸，在淬火后，還要進(jìn)行定性處理，定性處理一般采用冰冷處理方法，以進(jìn)一步消除加工應(yīng)力，保持主軸精度。
　　3. 軸類零件的毛坯
　　毛坯制造方法主要與零件的使用要求和生產(chǎn)類型有關(guān)。光軸或直徑相差不大的階梯軸，一般常用熱軋圓棒料毛坯。當(dāng)成品零件尺寸精度與冷拉圓棒料相符合時(shí)，其外圓可不進(jìn)行車削，這時(shí)可采用冷拉圓棒料毛坯。比較重要的軸多采用鍛件毛坯。由于毛坯加熱鍛打后，能使金屬內(nèi)部晶格組織沿表面均勻分布，從而能得到較高的機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)于某些大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸(如曲軸等)，可采用鑄件毛坯。
　　2.3 軸類零件表面加工方法
　　【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握軸類零件外圓車削、外圓磨削、外圓表面的光整加工方法，并掌握外圓加工方法的選擇。
　　軸類零件的主要加工表面是外圓，常用的加工方法有車削、磨削和光整加工3種。
　　2.3.1 外圓車削
　　車外圓是車削加工中最常見、最基本和最有代表性的加工方法，是加工外圓表面的主要方法，既適用于單件、小批量生產(chǎn)，也適用于成批、大量生產(chǎn)。單件、小批量、中批量生產(chǎn)中常采用臥式車床加工；成批、大量生產(chǎn)中常采用轉(zhuǎn)塔車床和自動(dòng)、半自動(dòng)車床加工；對(duì)于大尺寸工件常采用大型立式車床加工；對(duì)于高精度的復(fù)雜零件，宜采用數(shù)控車床加工。
　　車削外圓一般分為粗車、半精車、精車和精細(xì)車。
　　1. 粗車
　　粗車的主要任務(wù)是迅速切除毛坯上多余的金屬層，通常采用較大的背吃刀量、較大的進(jìn)給量和中速車削，以盡可能提高生產(chǎn)率。車刀應(yīng)選取較小的前角、后角和負(fù)值的刃傾角，以增強(qiáng)切削部分的強(qiáng)度。粗車尺寸精度等級(jí)為ITl3～I(xiàn)T11，表面粗糙度Ra為50～12.5μm，故可作為低精度表面的最終加工和半精車、精車的預(yù)加工。
　　2. 半精車
　　半精車是在粗車之后進(jìn)行的，可進(jìn)一步提高工件的精度和降低表面粗糙度。它可作為中等精度表面的終加工，也可作為磨削或精車前的預(yù)加工。半精車尺寸精度等級(jí)為IT10～I(xiàn)T9，表面粗糙度Ra為6.3～3.2μm。
　　3. 精車
　　精車一般是在半精車之后進(jìn)行的作為較高精度外圓的終加工或作為光整加工的預(yù)加工，通常在高精度車床上加工，以確保零件的加工精度和表面粗糙度符合圖樣要求。一般采用很小的切削深度和進(jìn)給量進(jìn)行低速或高速車削。低速精車一般采用高速鋼車刀，高速精車常用硬質(zhì)合金車刀。車刀應(yīng)選用較大的前角、后角和正值的刃傾角，以提高表面質(zhì)量。精車尺寸精度等級(jí)為IT8～I(xiàn)T6，表面粗糙度Ra為1.6～0.2μm。
　　4. 精細(xì)車
　　精細(xì)車所用車床應(yīng)具有很高的精度和剛度。刀具采用金剛石或細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金，經(jīng)仔細(xì)刃磨和研磨后可獲得很鋒利的刀刃。切削時(shí)，采用高的切削速度、小的背吃刀量和小的進(jìn)給量。其加工精度可達(dá)IT6以上，表面粗糙度Ra在0.4μm以下。精細(xì)車常用于高精度中、小型有色金屬零件的精加工或鏡面加工，因有色金屬零件在磨削時(shí)產(chǎn)生的微細(xì)切屑極易堵塞砂輪氣孔，使砂輪磨削性能迅速變壞；也可用于加工大型精密外圓表面，以代替磨削，提高生產(chǎn)率。
　　值得注意的是，隨著刀具材料的發(fā)展和進(jìn)步，過去淬火后的工件只能用磨削加工方法的局面有所改變，特別是在維修等單件加工中，可以采用金剛石車刀、CBN車刀或涂層刀具直接車削硬度達(dá)62HRC的淬火鋼。
　　2.3.2 外圓磨削
　　磨削是外圓表面精加工的主要方法。它既能加工淬火的黑色金屬零件，也可以加工不淬火的黑色金屬和有色金屬零件。外圓磨削根據(jù)加工質(zhì)量等級(jí)分為粗磨、精磨、精密磨削、超精密磨削和鏡面磨削。一般磨削加工后工件的精度可達(dá)到IT8～I(xiàn)T7，表面粗糙度Ra為1.6～0.8μm；精磨后工件的精度可達(dá)IT7～I(xiàn)T6，表面粗糙度Ra為0.8～0.2μm。常見的外圓磨削應(yīng)用如圖2-4所示。
　　1. 普通外圓磨削
　　根據(jù)工件的裝夾狀況，普通外圓磨削分為中心磨削法和無心磨削法兩類。
　　(1) 中心磨削法。工件以中心孔或外圓定位，根據(jù)進(jìn)給方式的不同，中心磨削又可分為以下幾種磨削方法。
　　圖2-4 外圓磨削加工的應(yīng)用
　�、� 縱磨法。如圖2-5(a)所示，磨削時(shí)工件隨工作臺(tái)做直線往復(fù)縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工件每往復(fù)一次(或單行程)，砂輪橫向進(jìn)給一次。由于走刀次數(shù)多，故生產(chǎn)率較低，但能獲得較高的精度和較小的表面粗糙度，因而應(yīng)用較廣泛，適于磨削長(zhǎng)度與砂輪寬度之比大于3的工件。
　　② 橫磨法。如圖2-5(b)所示，工件不做縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，砂輪以緩慢的速度連續(xù)或斷續(xù)地向工件做徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，直至磨去全部余量為止。橫磨法生產(chǎn)效率高，但磨削時(shí)發(fā)熱量大，散熱條件差，且徑向力大，故一般只用于大批量生產(chǎn)中磨削剛性較好、長(zhǎng)度較短的外圓及兩端都有臺(tái)階的軸頸。
　　圖2-5 外圓磨削方式/類型
　�、� 綜合磨削法。如圖2-5(c)所示，先用橫磨法分段粗磨被加工表面的全長(zhǎng)，相鄰段搭接處過磨5～15mm，留下0.01～0.03mm的余量，然后用縱磨法進(jìn)行精磨。此法兼有橫磨法的高效率和縱磨法的高質(zhì)量，適用于成批生產(chǎn)中剛性好、長(zhǎng)度大、余量多的外圓面。
　�、� 深磨法。如圖2-5(d)所示是一種生產(chǎn)率高的先進(jìn)方法，磨削余量一般為0.1～0.35mm，縱向進(jìn)給長(zhǎng)度較小(1～2mm)，適用于在大批、大量生產(chǎn)中磨削剛性較好的短軸。
　　(2) 無心磨削法。如圖2-6所示，無心磨削直接以磨削表面定位，用托板支承著放在砂輪與導(dǎo)輪之間進(jìn)行磨削，工件的軸心線稍高于砂輪與導(dǎo)輪連線的中心，無須在工件上鉆出頂尖孔。磨削時(shí)，工件靠導(dǎo)輪與工件之間的摩擦力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)輪采用摩擦系數(shù)大的結(jié)合劑(橡膠)制造。導(dǎo)輪的直徑較小、速度較低，一般為20～80m/min；而砂輪速度則大大高于導(dǎo)輪速度，是磨削的主運(yùn)動(dòng)，它擔(dān)負(fù)著磨削工件表面的重任。無心磨削操作簡(jiǎn)單、效率較高，易于自動(dòng)加工，但機(jī)床調(diào)整復(fù)雜，故只適用于大批生產(chǎn)。無心磨削前工件的形狀誤差會(huì)影響磨削的加工精度，且不能改善加工表面與工件上其他表面的位置精度，也不能磨削有斷續(xù)表面的軸。
　　圖2-6 無心外圓磨削
　　1-砂輪；2-托盤；3-導(dǎo)輪：4-工件；5-擋桿
　　根據(jù)工件是否需要軸向運(yùn)動(dòng)，無心磨削方法分為以下兩種。
　　① 通磨(貫穿縱磨)法，適用于不帶臺(tái)階的圓柱形工件，如圖2-6(b)所示。
　　② 切入磨(橫磨)法，適用于階梯軸和有成形回轉(zhuǎn)表面的工件，如圖2-6(c)所示。
　　與中心磨削法相比，無心磨削法具有以下工藝特征。
　�、� 無須打中心孔且裝夾工件省時(shí)省力，可連續(xù)磨削，故生產(chǎn)效率高。
　�、� 尺寸精度較好，但不能改變工件原有的位置誤差。
　　③ 支承剛度好，剛度差的工件也可采用較大的切削用量進(jìn)行磨削。
　�、� 容易實(shí)現(xiàn)工藝過程的自動(dòng)化。
　　⑤ 有一定的圓度誤差產(chǎn)生，圓度誤差一般不小于0.002mm。
　�、� 所能加工的工件有一定局限，不能磨帶槽工件(如有鍵槽、花鍵和橫孔的工件)，也不能磨內(nèi)外圓同軸度要求較高的工件。
　　2. 高效磨削
　　以提高效率為主要目的的磨削均屬高效磨削，其中以高速磨削、寬砂輪、強(qiáng)力磨削與多砂輪磨削和砂帶磨削在外圓加工中較為常用。
　　(1) 高速磨削。它是指砂輪速度大于50m/s的磨削(砂輪速度低于35m/s的磨削為普通磨削)。砂輪速度提高，增加了單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)。如果保持每顆磨粒切去的厚度與普通磨削時(shí)一樣，即進(jìn)給量呈比例增加，磨去同樣余量的時(shí)間則按比例縮短；如果進(jìn)給量仍與普通磨削相同，則每顆磨粒切去的切削厚度減少，提高了砂輪的耐用度，減少了修整次數(shù)。
　　(2) 強(qiáng)力磨削。它是指采用較高的砂輪速度、較大的背吃刀量(背吃刀量一次可達(dá)6mm，甚至更大)和較小的軸向進(jìn)給，直接從毛坯上磨出加工表面的方法。它可以代替車削和銑削進(jìn)行粗加工，生產(chǎn)率很高，但要求磨床、砂輪及切削液供應(yīng)均應(yīng)與之相匹配。
　　(3) 寬砂輪與多砂輪磨削。寬砂輪與多砂輪磨削，實(shí)質(zhì)上就是用增加砂輪的寬度來提高磨削生產(chǎn)率。一般外圓砂輪寬度僅有50mm左右，寬砂輪外圓磨削時(shí)砂輪寬度可達(dá)300mm。
　　(4) 砂帶磨削。砂帶磨削是根據(jù)被加工零件的形狀選擇相應(yīng)的接觸方式，在一定壓力下，使高速運(yùn)動(dòng)著的砂帶與工件接觸產(chǎn)生摩擦，從而使工件加工表面余量逐步磨除或拋磨光滑的磨削方法，如圖2-7所示。砂帶是一種單層磨料的涂覆磨具，靜電植砂砂帶不但具有磨粒鋒利、定向排布、容屑排屑空間大和一定的彈性的特點(diǎn)，還具有生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好、發(fā)熱少、設(shè)備簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)(可用來磨削曲面)，擁有"冷態(tài)磨削"和"萬能磨削"的美譽(yù)，即使磨削銅、鋁等有色金屬也不覆塞磨粒，而且干磨也不燒傷工件。砂帶磨削類型可有外圓、內(nèi)孔、平面、曲面等。砂帶可以是開式，也可以是環(huán)形閉式。外圓砂帶磨削變通靈活，實(shí)施方便(結(jié)構(gòu)布局見表2-1)，近年來獲得了極大的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家砂帶磨削與砂輪磨削的材料磨除量已達(dá)到1∶1。
　　圖2-7 砂帶磨削
　　1-工件；2-砂帶；3-張緊輪：4-接觸輪；5-導(dǎo)輪
　　表2-1 外圓砂帶磨削實(shí)施原理與結(jié)構(gòu)方案布局
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