轴类零件加工

第二讲轴类零件加工

杨振甫【教学目的和要求】掌握在不同生产类型、不同精度要求的生产中，轴类零件加工工艺过程拟定的方法和步骤，基本能够编制中等复杂程度轴类零件的工艺规程。

【教学内容摘要】

一、概述二、轴类零件加工工艺编制三、普通机床主轴加工工艺过程及其分析四、轴类零件加工中的几个主要工艺问题五轴类工件的车削质量分析

【教学重点、难点】

重点：掌握轴类零件加工工艺过程拟定的方法和步骤难点：根据零件的技术要求灵活地选择粗、精基准和确定加工工序顺序一、概述

1.轴类零件的功用与结构特点轴类零件主要用来支承传动零件、传递运动和扭矩。其长度大于直径，加工表面通常有内、外圆柱面、圆锥面以及螺纹、花键、键槽、横向孔、沟槽等。根据结构形状特点，可将轴分为光滑轴、阶梯轴、空心轴和异形轴(包括曲轴、凸轮轴、偏心轴和十字轴等)。若按轴的长度和直径的比例来分，又可分为刚性轴(L/d<15)和挠性轴或细长轴(L/d>15)。下图所示为轴类零件的常见种类。

轴类零件的常见种类。2.轴类零件的主要技术要求

（1）加工精度

1)尺寸精度

轴类零件的尺寸精度主要是指直径和长度的精度。直径方向的尺寸，若有一定配合要求，比其长度方向的尺寸要求严格得多。因此，对于直径的尺寸常常规定有严格的公差。主要轴颈的直径尺寸精度根据使用要求通常为IT6～IT9，甚至为IT5。至于长度方向的尺寸要求则不那么严格，通常只规定其基本尺寸。

2）几何形状精度

轴颈的几何形状精度是指圆度、圆柱度。这些误差将影响其与配合件的接触质量。一般轴颈的几何形状精度应限制在直径公差范围之内，对几何形状精度要求较高时，要在零件图上规定形状公差。

３）相互位置精度

保证配合轴颈(装配传动件的轴颈)对于支承轴颈(装配轴承的轴颈)的同轴度，是轴类零件相互位置精度的普遍要求，其次对于定位端面与轴心线的垂直度也有一定要求。这些要求都是根据轴的工作性能制定的，在零件图上注出位置公差。普通精度的轴，配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动一般为0.01～0.03mm，高精度轴为0.001～0.005mm。（2）表面粗糙度

随着机器运转速度的增快和精密等级的提高，轴类零件的表面粗糙度要求也越来越高。一般支承轴颈的表面粗造度为Ra0.63～0.16um，配合轴颈的表面粗造度为Ra2.5～0.63um。

3.轴类零件的材料和毛坯

（1）轴类零件的材料一般轴类零件常用45号钢，并根据工作条件不同采用不同的热处理工艺。对于中等精度、转速较高的轴类零件，可选用40Cr等合金结构钢。精度较高的轴，有时还用轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn等材料。（2）轴类零件的毛坯轴类零件最常用的毛坯是圆棒料和锻件。只有某些大型的、结构复杂的轴，才采用铸件。4.车轴类工件用车刀加工轴类工件一般可分为粗车和精车两个阶段。粗车的作用是提高劳动效率，尽快将毛坯上的余量车去；而精车的作用是使工件达到规定的技术要求。粗车和精车的目的不同，对所用车刀的要求也存在着较大差别。粗车刀具有足够的强度，能一次进给车去较多的余量。主偏角75度、前角↓、后角↓、刃倾角0～负值、磨出过渡刃、断屑槽

精车刀要求车刀锋利，切削刃平直光洁，必要时还要磨出修光刃，精车时必须使切屑排向工件的待加工表面。前角↑、后角↑、副偏角↓、刃倾角为正值

常用车外圆、端面和阶台用车刀的主偏角有45°、75°、90°、93°、95°（应用此处略）5.轴类工件的装夹根据轴类工件的形状、大小、加工精度和数量的不同，常有一下几种装夹方法。

1）三爪自定心卡盘装夹特点：

2）四爪单动卡盘装夹特点：

3）一夹一顶装夹特点：安全可靠，能承受较大的进给力；为防止轴向位移，可安装限位支撑或利用工件的台阶进行限位。因此应用广泛。

4）两顶尖装夹对于较长工件，又要经过多次装夹才能完成，以及多工序加工，最后要磨削的工件，为保证每次装夹时的装夹精度可用此方法。特点：装夹方便，不需找正，装夹精度高，但比一夹一顶装夹的刚度低，影响切削用量的提高。对于空心轴类零件，在深孔加工完后，为了尽可能使各工序的定位基准统一，一般采用锥堵或锥堵心轴的顶尖孔作为定位基准。当轴件锥孔锥度小时，适于采用锥堵；当锥孔锥度较大时，应采用锥堵心轴。二、轴类零件加工工艺编制为下图所示的轴零件编制加工工艺为完成任务必须具备哪些基本知识？1、产品的生产过程基本概念1）产品的生产过程：

新产品开发产品制造产品销售售后服务产品的生产过程图2）产品的制造过程：

原材料采购毛坯制造零件机械加工装配包装外购件采购产品的制造过程图3）工艺过程：

是指将制造过程中改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和物理、力学性能等，使其成为成品或半成品的过程。4）工艺系统：

机床夹具刀具工件工艺系统工艺系统图

2.机械加工工艺过程

零件毛坯成品或半成品零件机械切削加工零件的机械加工工艺过程由一系列工序组成。

机械加工工艺过程图1）工序：

工序是指一个（或一组）工人在一个工作地点（如一台机床或一个钳工台），对一个（或同时对几个）工件连续完成的那部分工艺过程。

工序是组成机械加工工艺过程的基本单元。也是组织生产、制定生产计划、进行经济核算的基本单元。

如单件生产阶梯轴的工艺过程：

工序号工序名称设

备1车端面、钻中心孔车床2车外圆、车槽和倒角车床3铣键槽、去毛刺铣床4磨外圆磨床从阶梯轴的加工过程看，有的工序内容多，有的工序内容少。加工内容多少的依据是什么呢？

一个人或一组人对同一个工件在同一台机床或钳工台上进行连续的、直到转向下一个工件加工为止的全部动作，划分为一道工序。

同一个工作内容可安排在不同的工序中进行。工序内容包括工件的安装、工位、工步、走刀。2）安装：

工件加工前，使其在机床或夹具中相对刀具占据正确位置并给予固定的过程，称为工件的安装。

安装过程包括定位和夹紧两过程。

提示：一道工序可以有一次或多次安装。请思考：加工阶梯轴时完成各工序所需要的安装次数。

3）工位：（加工位置）

在一次装夹中，工件与夹具或机床可动部分一起相对于刀具或机床固定部分所占据的每一个位置称为工位。

工件在一次安装有多个工作位置称为多工位加工。

工件加工通常采用单工位加工，在大批生产中，借助于移动工作台、转动工作台或移动夹具、转动夹具等工具才能实现多工位加工。

多工位加工图4）工步：

在一道工序中加工表面、切削刀具和切削用量中切削速度和进给量都不变的情况下连续完成的那部分工艺过程，称为一个工步，简记为“四同一连续”。请思考：分工步的依据是什么？阶梯轴工艺过程中各道工序分别有几个工步？

工序号工序名称设

备1车端面、钻中心孔车床2车外圆、车槽和倒角车床3铣键槽、去毛刺铣床4磨外圆磨床单工步和复合工步：

图1基本零件的孔加工工序图2六角转台车床的不同工步图3复合工步

把几个加工表面用几把刀具(或组成复合刀具)同时进行加工，通常将其看成是一个工步，称为复合工步，如下图3所示。其他由单把刀具分别加工的都是单工步，如下图1、2所示。5）走刀：

在一个工步中，如果要切掉的金属层很厚，可分几次切削，每切削一次就称为一次走刀。请思考：不同的走刀之间是否需要改变切削速度？走刀量是否改变？背吃刀量是否改变？

总结：机械加工工艺过程由一道或多道工序组成，每道工序都包含了工件的一次或几次安装、一个或几个工步、一次或几次走刀。在高效大批量生产中，在一次安装后工件还具有多个加工位置。请思考：工艺过程的安排与生产批量有关吗？

3.轴类零件的一般加工工艺路线

轴类零件的主要表面是各个轴颈的外圆表面，空心轴的内孔精度一般要求不高，而精密主轴上的螺纹、花键、键槽等次要表面的精度要求也比较高。因此,轴类零件的加工工艺路线主要是考虑外圆的加工顺序，并将次要表面的加工合理地穿插其中。下面是生产中常用的不同精度、不同材料轴类零件的加工工艺路线，可作参考：

(1)一般渗碳钢的轴类零件加工工艺路线:备料→锻造→正火→打顶尖孔→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。

(2)一般精度调质钢的轴类零件加工工艺路线:备料→锻造→正火(退火)→打顶尖孔→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。

(3)精密氮化钢轴类零件的加工工艺路线：备料→锻造→正火(退火)→打顶尖孔→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。

(4)整体淬火轴类零件的加工工艺路线：备料→锻造→正火（退火）→打顶尖孔→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。

一般精度轴类零件，最终工序采用精磨就足以保证加工质量。精密轴类零件，除了精加工外，还应安排光整加工。对于除整体淬火之外的轴类零件，其精车工序可根据具体情况不同，安排在淬火热处理之前进行，或安排在淬火热处理之后，次要表面加工之前进行。应该注意的是经淬火后的部位，不能用一般刀具切削，所以一些沟、槽、小孔等须在淬火之前加工完。三、普通机床主轴加工工艺过程及其分析

普通机床主轴常为空心轴类零件，其工艺路线较长，加工难度大，是轴类零件最有代表性的零件之一，它涉及到轴类零件加工的许多基本工艺问题。现以图19-2所示的一种车床主轴为例进行分析。１．主轴的技术条件分析主轴的支承轴颈是主轴的装配基准，它的制造精度直接影响到主轴部件的旋转精度，故对它提出很高的技术要求。主轴前端锥孔是安装顶尖等小型夹具或工具锥柄的，其中心线必须与支承轴颈中心线严格同轴。主轴前端圆锥面是安装卡盘等较大型夹具的重要表面，其中心线必须与支承轴颈中心线同轴。主轴轴向定位面与主轴旋转中心线必须垂直，否则会引起主轴周期性的轴向窜动。因此，必须控制其垂直度要求。由上面分析可知，以上各面为主轴的主要表面。其中支承轴颈的尺寸精度、几何形状精度、与其它表面相互位置精度要求更高，这是主轴加工中的关键。现以图的一种车床主轴为例进行分析。

2．主轴加工工艺过程

该主轴所用材料为45号钢，锻件，大批量生产，因此确定图所示的主轴加工工艺路线为:备料-锻造-正火-粗加工-调质-半精加工-锥孔及外锥体的局部淬火、回火-精车-粗磨-铣花键、键槽-花键淬火、回火-粗、精磨(外圆、锥孔、外锥体)。其加工工艺过程见表19-1。表19-1主轴加工工艺过程

外圆

深孔钻床

钻深孔

10一夹一

仿形车床

仿形车小端各部

9顶尖孔

普通车床

车大端各部

8热处理调质220～250HBS

7顶尖孔

普通车床

粗车各外圆面

6专用机床

铣端面打顶尖孔

5锯头

4热处理，正火

3立式精锻机

精锻

2备料

1定位基z设备

工序内容

工

顶尖孔

花键铣床

粗精铣花键

18顶尖孔

万能外圆磨

粗磨外锥体

17外圆

内圆磨床

粗磨内锥孔

16顶尖孔

万能外圆磨床

粗磨两支承轴颈

15顶尖孔

数控车床

精车各外圆并切槽

14锥孔及外锥面局部高频淬火45～50HRC

13外圆

普通车床

车大端锥孔（配莫氏6号锥堵），车外短

12外圆普通车床

车小端内锥面（配1∶20锥堵）

11检查按图样技术要求项目检查

24外圆

主轴锥孔磨

精磨莫氏6号内锥孔

23顶尖孔

专用组合磨

精磨外锥体

22顶尖孔

万能外圆磨

粗精磨各外圆及两端面M、N

21热处理：花键淬火、回火

20外圆

立铣

铣键槽

193．主轴加工工艺过程分析

⑴合理选择定位基准

轴类零件加工中多数工序用的定位基准是顶尖孔。本例中大部分工序均采用顶尖孔作为定位基准，由于本例中通孔加工在第10道工序，故在此之前使用顶尖孔定位，在此之后则利用锥孔配以锥堵定位，仍相当于顶尖孔定位。为了保证支承轴颈与内锥孔的同轴度要求，在最后精加工内锥孔以及锥堵配合孔口时，以支承轴颈作为定位基准，以避免基准不重合引起的加工误差。在加工其它一些内表面时，也用外圆表面定位。如本例中的第10,11,12,16,23工序。顶尖孔与轴颈外圆表面两者交替使用，互为基准。⑵合理安排热处理工序

应合理地安排足够的热处理工序，以保证主轴的力学性能及加工精度要求，并改善切削加工性能。其中正火、调质属于预备热处理，锥孔及外锥体的局部淬火、回火与花键的淬火、回火属于最终热处理。为了减少变形，锥部淬火与花键淬火应分开进行，并且锥部淬火及回火后，需用粗磨纠正淬火变形。然后再进行花键的加工与淬火。最后用精磨消除总的变形，从而保证主轴的加工质量。⑶划分加工阶段

由于主轴的加工精度要求高，，必须将主轴的加工过程按粗、精分开的原则划分阶段，在粗加工和半精加工中产生的变形和误差在下阶段中予以消除和纠正。最好粗、精加工阶段之间要间隔一些时间，让上道工序产生的内应力逐步消失。工序7调质热处理之前为粗加工阶段，工序13表面淬火以前的工序，为各主要表面的半精加工阶段，表面淬火以后的工序，是精加工阶段；要求较高的支承轴颈和莫氏6号锥孔的精加工，放在最后进行。这样，主要表面的精加工就不会受到其它表面的加工或内应力重新分布的影响。可以看出，整个主轴的加工过程，就是以主要表面(特别是支承轴颈表面)的粗加工、半精加工、精加工为主干，适当穿插其它表面的加工工序而组成的。⑷合理安排工序顺序在安排工序顺序时，首先要与定位基准的选择相适应，当粗、精基准选定后，加工顺序就大致确定了。因为各阶段加工开始时总是先加工基准面，后加工其它面。如本例中顶尖孔、支承轴颈定位面的加工，均安排在各加工阶段开始时完成，这样，有利于加工时有比较精确的定位基准面，以减小定位误差，保证加工质量。

其次，安排加工顺序时，应粗、精加工分开进行，先粗后精，主要表面的精加工安排在最后。如上述工艺过程中的第23道精磨锥孔工序安排在了最后。

第三，热处理工序安排要适当。为改善金属组织和加工性能而安排的热处理，如退火、正火等，一般应安排在机械加工之前；为提高零件的力学性能而安排的热处理，如调质，一般应安排在粗加工之后，精加工之前。为提高表面硬度而安排的淬火应安排在粗磨之前，氮化安排在粗磨之后，精磨之前。

第四，淬硬表面上的孔、槽加工等应在淬火之前完成，淬火后要安排修正工序；对非淬硬表面上的孔、槽加工尽可能往后安排，一般应放在外圆精车（或粗磨）之后，精磨加工前进行。在轴件刚性大时，先车小直径外圆表面并按顺序向大直径处加工，然后掉头车大端外圆，这样比较方便，生产效率较高；对于刚性较差的轴类零件，则应先车大直径后车小直径，以避免轴件刚性过早地降低。

四、轴类零件加工中的几个主要工艺问题

1．锥堵和锥堵心轴的使用对于空心轴类零件，在深孔加工完后，为了尽可能使各工序的定位基准统一，一般采用锥堵或锥堵心轴的顶尖孔作为定位基准。当轴件锥孔锥度小时，适于采用锥堵；当锥孔锥度较大时，应采用锥堵心轴。图19-4和图19-5是锥堵和锥堵心轴的简图。使用锥堵或锥堵