第五章典型零件工艺分析

第五章典型零件工艺分析（P70）§5—1轴类零件加工工艺一、轴类零件的功用与结构1、功用轴类零件在机器中的主要作用就是：用来支承传动零件（如齿轮、带轮、凸轮等），传递转矩，承受载荷并保证在轴上的零件（或刀具）具有一定的回转精度。2．结构及分类

轴类零件其结构特征属于长径比大的回转体，其加工表面有内外圆柱面、圆锥面、以及螺纹、花键、键槽、横向孔、沟槽等

分类：（1）按轴零件结构形状不同，可分为光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、十字轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴等。（见图5-1）（2）按长径比不同又可分为刚性轴和挠性轴两类。刚性轴（L/d≤12）如机床主轴挠性轴（L/d大于12）如丝杆、光杆等。二、轴类零件的材料与毛坯1.材料

轴类零件的材料一般采用碳素结构钢和合金结构钢两类。碳素结构钢以中碳钢45号钢应用最多，这类钢料选用时，一般须经调质和表面淬火等热处理来获得一定的强度和硬度，以增强材料表面的韧性和耐磨性；对转速和进度要求较高的轴则可采用中碳合金钢，如40Cr、35SiMn、38SiMnMo等；对高转速、重载荷条件下工作的轴可采用低碳合金钢，如20Cr、20CrMnTi等。这类合金钢选用时，须经渗碳淬火处理，使其中心部分的材质保持良好的韧性，而表层金属又能获得较高的硬度，提高其耐磨性和综合力学性能。但热处理后材料变形较大（这就要求加工时留有较大的余量）若要热处理变形小，还可以选用氮化钢38CrMoAl（铬钼铝），这种材料经调质和渗氮后，不仅会具有良好的耐磨性和抗疲劳性能，其热处理变形也比较小。对于一些形状比较复杂的轴类零件还可选用球墨铸铁、高强度铸铁，如曲轴。（因为铸铁的成型较好，适用结构复杂的轴类零件）。2．毛坯轴类零件的毛坯选用应根据轴的结构形状合理选用。一般的光轴或直径相差不大的阶梯轴大多采用热轧或冷拉的圆钢棒料；直径相差较大的阶梯轴和一些对力学性能要求比较高的重要的轴大都采用锻件毛坯；结构复杂的轴类零件则可采用铸钢或铸铁毛坯。三、轴类零件的主要技术要求轴类零件的技术要求是指：设计者根据轴类零件的主要功用和使用条件而确定的相关技术参数，主要包括：加工精度、表面粗糙度和其他方面的技术要求。1．加工精度

轴的加工精度包括其结构要素的尺寸精度、形状精度和位置精度。（1）尺寸精度轴的尺寸精度主要是指轴颈的直径尺寸精度和轴颈的长度尺寸精度。对于主要支承轴颈，其精度常为：IT9～TI6；高精度轴颈可达IT5。轴颈的长度尺寸精度一般要求不高，大多按一般公差要求处理，要求较高时，可按0.05～0.2的公差设计。（2）形状精度轴的形状精度主要是指轴颈的圆度、圆柱度。由于轴颈的形状精度会直接影响轴颈的装配质量和回转精度，因此，一般要求轴颈的形状精度应限制在其直径公差范围之内（即形状公差应小于其直径的尺寸公差）。要求较高时可取直径公差的1/2～1/4，或另外规定允许偏差。（如最大实体状态的零形状公差要求等）（3）位置精度轴的位置精度主要是指配合轴颈的轴线相对支承轴颈轴线的同轴精度；或配合轴颈相对支承轴颈轴线的圆跳动；以及轴肩端面相对轴线的垂直精度等。普通精度的轴，同轴度误差一般应控制在φ0.01～φ0.03范围；高精度的轴可控制在φ0.005～φ0.01范围。2.表面粗糙度轴类零件的表面粗糙度一般应根据轴的运转速度和尺寸精度等级来决定，（运转速度高或相对尺寸精度要求较高时，表面粗糙度值相应也应较小。

通常支承轴颈的Ra值一般为0.8～0.2um；配合轴颈的Ra值一般为3.2～0.2um。3.其他要求主要是指：根据轴类零件的材料和使用条件提出的热处理方面的技术要求，如正火、调质和表面淬火等。这些要求都必须在相关的技术文件上加以说明和标注。四、卧式车床主轴加工工艺过程分析（见P71、图5-2）1．零件分析据图分析可知：该车床主轴是一带有通孔的多阶台轴（表面有十多个不同直径的轴颈）加工等级为普通精度等级（最高精度为IT5～IT6）材料为45碳素钢，生产类型为大批生产。（1）主要表面及其精度要求

1）支承轴颈是两个锥度为1:12的圆锥面，（见图，装配时分别与两个双列短圆锥轴承相配合）由于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，主轴上各重要表面均以支轴承颈为设计基准，有严格的位置要求。因此，其尺寸精度一般为IT5，圆度允差和对其公共轴线的斜向圆跳动允差均为0.005，Ra值不大于0.4um。

2）配合轴颈

是与齿轮传动件连接的表面，共有φ80h5φ89f6（花键）φ90g5三段轴颈。前两段轴颈与齿轮分别采用键连接与花键连接；φ90g5轴颈为光滑圆锥面，与齿轮空套连接，由于工作时两者有相对运动，因此，该轴颈表面须经淬火处理至（45～50HRC）；三个配合轴颈的尺寸精度为IT6～IT5，Ra值不大于0.4um。

3）莫氏6号锥孔（图上虚线部分）用于安装夹具或刀具，是主轴的主要工作表面之一，要求相对支承轴颈的位置精度较高。对支承轴颈公共轴线的斜向圆跳动允差在轴端处为0.005；在离轴端300mm处为0.01；Ra值不大于0.4um。由于该锥孔在工作中经常装卸夹具，表面需淬火提高耐磨性，设定洛氏硬度为45～50

4）轴端短圆锥（右端圆锥面）用于安装通用夹具卡盘或拨盘的定位面。锥角为14度15分/（锥度1:4）。此锥面相对支承轴颈公共轴线的斜向圆跳动允差为0.008，Ra值不大于0.4um。表面须淬火。（2）毛坯选择由于机床主轴是机床的主要零件，其质量会影响机床的工作精度和使用寿命，因此其结构大多采用多阶台的空心轴。该轴直径差很大（最大外圆直径为195mm，最小外圆直径为70mm）故应选择锻件毛坯，这样不仅能改善和提高主轴的力学性能，还可节省材料和切削工作量。又由于该轴属于大批量生产，故宜采用模锻毛坯。五、主轴加工工艺过程分析加工工艺过程见P72、表5-1

在拟定主轴零件的加工工艺过程时，应考虑以下几个工艺问题。1.合理选择定位基准

轴类零件一般都以轴端的两中心孔作为加工时的定位基准，其次是外圆表面。这是由于轴线是轴上各外圆表面的设计基准，以两端中心孔作精基准既符合基准重合的原则又符合基准统一的原则，能保证加工后各外圆表面可以获得很高的位置精度。

当不能用中心孔定位时则可采用外圆表面作为定位基准；或以外圆表面加中心孔共同定位。（即采用一夹一顶的装夹定位）注意：以外圆表面作为定位基准主要用于粗加工和半精加工，精加工时应尽可能用中心孔定位。

但由于带通孔的轴类零件，中心孔在加工通孔时已经消失，这时，可使用带中心孔的锥堵或锥套心轴装夹工件，以锥堵或锥套心轴上的中心孔代替工件轴的中心孔（见P73、图5-3）；如果轴的通孔直径较小时，也可直接在孔口加工出宽度不小于2mm的60度锥面取代中心孔。使用锥堵或锥堵心轴时应注意以下问题。①一般不宜中途更换或拆装，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。图4－5所示的锥堵心轴结构比较合理，其左端锥堵与拉杆心轴为一体，其锥面与顶尖孔的同轴度较好，而右端有球面垫圈，拧紧螺母时，能保证左端锥堵与孔配合良好，使锥堵的锥面和工件的锥孔以及拉杆心轴上的顶尖孔有较好的同轴度。③顶尖孔的修磨因热处理、切削力、重力等影响，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，对顶尖孔要进行修磨，以消除误差。2．合理安排热处理工序

正火：毛坯锻造后。毛坯锻造后安排正火处理的目的是要消除锻造应力，改善金属组织，细化晶粒，降低硬度，改善切削性能。

调质：粗车后，半精车前。粗车后安排调质处理是为了使工件获得均匀细致的回火索氏体组织，提高零件的综合力学性能，同时，经调质后加工出来的工件表面，会使表面粗糙度值较小，提高表面的光洁度。

表面淬火：磨削前。对有相对运动的轴颈表面（如空套轴颈）以及经常装卸工具的前锥孔表面在精磨前应安排表面淬火处理，以提高表面的耐磨性。3．合理划分加工阶段由于主轴工件属于多阶梯带通孔的零件，在切除大量的金属后，会引起工件因内应力重新分布而变形。因此，在安排工序时，应将粗、精加工分开进行。先完成各表面的粗加工，再完成各表面的半精加工和精加工，而主要表面（如支承轴颈，莫氏锥孔表面）的精加工则应放在最后进行。这样，主要表面的精度就不会受到其他表面加工或内应力重新分布的影响，以确保主要表面的加工精度。4．加工顺序安排车床主轴加工顺序的安排见P72、表5-1主轴加工工艺过程表列就很清楚了。主轴的工艺路线安排大体如下：毛坯制造——正火——车端面钻中心孔——粗车——调质——半精车表面淬火——粗、精磨外圆——粗、精磨圆锥面——磨锥孔。制定工艺规程时，按加工顺序拟定其工艺路线就可以了，在这里不多讲了。下面主要解析安排工序顺序时应注意的几个问题：（1）深孔加工应注意两点：

1）深孔加工应安排在调质以后进行。这是因为调质处理后工件变形较大，深孔产生的弯曲变形无法纠正，这样不仅会影响棒料的通过（车切某些零件时，棒料需要通过主轴深孔进行装夹）还会引起主轴高速转动的不平衡。（深孔变形，主轴壁厚会不均匀）

2）深孔加工应安排在外圆粗车或半精车之后。这样有利于深孔加工时有一个较精确的外圆定位基面，以保证深孔与外圆的同轴精度。如果深孔加工安排到最后（外圆精加工后）又会由于深孔加工时发热量大，引起热变形而破坏外圆的加工精度（2）外圆表面的加工顺序：先加工大直径外圆后加工小直径外圆。避免一开始就降低工件的刚度，引起后续加工的变形。（3）次要表面的加工顺序：主轴上的花键、键槽等次要表面的加工，一般都应放在外圆精车或粗磨之后、或精磨外圆之前进行。这是因为在精车前就铣出键槽，一方面，会使在精车时，由于键槽的存在会形成断续切削而产生振动，既影响加工质量，又容易损坏刀具；另一方面，也难以控制键槽的尺寸要求（特别是键槽的深度尺寸）但如果键槽的加工放在外圆精磨之后进行，又容易破坏主要表面的已有精度。