机械加工 典型零件加工

第四章典型零件加工知识点轴类零件加工概述，轴类零件的外圆表面加工，轴类零件加工工艺分析；套筒类零件加工概述，套筒类零件的内孔表面加工，套筒类零件加工工艺分析；箱体类零件加工概述，箱体零件的平面加工方法，箱体类零件加工工艺分析；圆柱齿轮加工概述，齿轮零件的齿形加工，圆柱齿轮加工工艺分析。轴类零件加工工艺分析，套筒类零件加工工艺分析，箱体类零件加工工艺分析，圆柱齿轮加工工艺分析。重点：第四章典型零件加工4.1轴类零件的加工4.2套筒类零件的加工4.3箱体类零件加工4.4圆柱齿轮加工4.1

轴类零件加工一.概述1.轴类零件的功用与结构特点

功用——支承传动件、传递扭矩或运动、承受载荷，具有一定的回转精度结构——回转体零件，长度大于直径类型——光轴、阶梯轴、空心轴、异形轴（曲轴、凸轮轴、偏心轴和花键轴等）刚性轴（L/d≤12）挠性轴（L/d＞12）——圆柱面、圆锥面、端面、沟槽、圆弧、螺纹、键槽、花键、其他表面组成见图4.12.轴类零件的技术要求按功用和工作条件制定的直径精度——IT6～9级，可达IT5级。几何形状精度（圆度、圆柱度等）——允差的1/2，1/4相互位置精度（同轴度）——0.01～0.03mm，0.001～0.005mm表面粗糙度——Ra0.2～0.8μm，Ra0.8～3.2μm热处理（表面淬火、渗碳淬火等），动平衡，探伤，过渡圆角轴颈——轴类零件的主要表面，影响轴的回转精度及工作状态。3、主轴零件的材料、毛坯及热处理常用材料：轴类零件选材时应满足其力学性能（包括材料强度、韧性和耐磨性等），同时，选择合理的热处理方法，使其达到良好的强度、刚度和表面硬度。中等精度和转速较高的轴——可选用40Cr——调质、表面淬火一般轴类零件——常用45钢——正火、调质、淬火等高精度轴——轴承钢GCr15、弹簧钢65Mn——调质和表面淬火

高转速和重载荷——20CrMnTi、20Cr，38CrMoAl，渗碳淬火或氮化结构复杂（曲轴）——HT400、QT600、QT450、QT400毛坯大型轴或结构复杂的轴——铸件。常用圆棒料和锻件一般轴——棒料重要轴——锻件——可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度单件小批生产——自由锻；成批大量生产——模锻二.轴类零件的外圆表面加工1.外圆表面的车削加工（1）车削外圆各个加工阶段——粗车、半精车、精车、精细车见表3.5——经济加工精度和表面粗糙度值粗车——粗加工——尽快获得接近最后的工件形状和尺寸的操作半精车——提高零件的加工精度和改善表面质量精车——可作为较高精度外圆表面的终加工，又可作为光整加工表面的预加工。精细车——高精度外圆表面的最终加工工序，适用于有色金属零件的加工。（2）细长轴外圆表面的车削1）细长轴的车削特点细长轴——长度与直径之比大于20（L/D大于20）的轴。（3）加工中连续切削的时间长，刀具磨损大，影响加工精度和表面质量。车削特点：（1）细长轴刚性差，受切削力作用极易产生弯曲变形和振动。（2）在切削热作用下，产生线膨胀，若两端顶尖固定支承，则会弯曲变形。2）细长轴的先进车削方法（5）采用反向进给切削，改变工件受力方向，可减少工件的弯曲变形。（1）改进工件的装夹方式，采用一夹一顶的方法；（2）尾座顶尖改为弹性顶尖，避免工件受热变形；（3）采用跟刀架，以提高工件刚度；（4）为减少背向力，尽量采用大主偏角车刀，一般取κr=

750—9302、外圆表面的磨削加工磨削加工是轴类零件外圆精加工的主要方法，既能加工淬火零件，也可加工非淬火零件。细磨（精密磨削）——IT5～6级，Ra0.1～0.2μm镜面磨——Ra0.01μm粗磨——IT8～9级，Ra0.8～1.6μm精磨——IT6～7级，Ra0.2～0.8μm根据不同的精度和表面质量的要求，磨削可分为：（1）中心磨削外圆磨床——两顶尖定位（2）无心磨削

无心磨床——自定位精度IT6～7级，Ra0.2～0.8μm，位置精度不高，不能加工圆周不连续工件生产率高，配置适当的自动上料机构，可实现自动磨削，适合于大批量生产。图4.3见图4.3导轮用橡胶结合剂将磨粒沾结而成，导轮的安装倾斜一角度α，导轮速度V导分解为水平和垂直的两个分量，一个带动工件旋转，一个带动工件作轴向进给运动。砂轮高速旋转以磨削工件。（3）砂带磨削

用粘满砂粒的砂布作为磨削工具的一种加工方法。图4.41——工件2——砂带3——张紧轮4——接触轮

静电植砂制作的砂带，砂粒尖端向上均匀排列。砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小且均匀，同时具有磨削和抛光双重作用，表面粗糙度值可达Ra0.2～0.8μm，最高Ra0.02μm，表面不烧伤。弹性磨削，切削力小，适宜加工细长轴等零件。特点：设备简单，成本低，安全，生产率高3.外圆表面的精密加工（1）高精度磨削——小于Ra0.1μm精密磨削——Ra0.1～0.05μm超精密磨削——Ra0.05～0.025μm镜面磨削——Ra0.01μm实质——磨粒微刃——等高性——参加磨削的磨粒多，微细切屑半钝化磨粒——摩擦抛光钝化期——挤压抛光图4.5磨粒的微刃及其变化（2）超精加工

油石—加压力—振动—纵向进给，工件低速回转——不重复轨迹①强烈切削阶段——压强大，油膜被破坏，切削作用强烈②正常切削阶段——压强降低,切削作用减弱③微弱切削阶段——压强更低，摩擦抛光作用④自动停止切削阶段——压强很小,形成油膜，切削作用停止图4.6超精加工原理有磨粒摩擦抛光作用，交叉网纹——Ra0.01～0.1μm，速度低,压力小,发热少,表面不烧伤，不能纠正形状和位置误差。超精加工过程可分为四个阶段：（3）研磨

机械切削作用——磨粒—受压—刮擦和挤压—切除微细材料物理作用——磨粒局部压力大—高温、挤压作用化学作用——研磨剂—表面氧化变软，加速研磨研磨：研具—与加工面相对运动，磨粒、研磨剂—研去材料运动较复杂—轨迹不重复，表面粗糙度可达Ra0.01～0.2μm提高尺寸形状精度，不提高位置精度，设备、方法简便可靠，生产率低，手研劳动强度大图4.7外圆手工研磨工具（4）滚压

滚压：滚轮或滚珠——加压—弹性和塑性变形图4.8滚压加工示意图特点：设备简单，生产率高，工艺范围广。适用于塑性材料，材料组织均匀。作用：降低表面粗糙度值（Ra0.05～0.4μm），金属晶粒变细，纤维状—残余压应力—抗疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性高，不提高形状和位置精度。三．轴类零件加工工艺分析

1.车床主轴的加工工艺1）主轴的支承轴颈是装配基准，其制造精度直接影响到主轴部件的回转精度，故对支承轴颈提出较高的要求。支承轴颈A、B：圆度、圆跳动0.005，接触率≥70%，IT5级，Ra0.42）主轴前端莫氏6号锥孔用来安装顶尖或工具锥柄，其锥孔轴线必须与支承轴颈轴线同轴，否则会引起被加工的工件出现相对位置误差。莫氏锥孔：圆跳动，近0.005，远0.01，接触率≥70%，Ra0.4，淬硬3）主轴前端圆锥面和端面是安装卡盘或车床夹具的定位表面。短锥C和端面D：圆跳动0.008，Ra0.8，淬硬4）配合轴颈用于安装传动齿轮等。配合轴颈：尺寸IT5～6级，圆跳动0.0155）其他表面如轴向定位轴肩与中心线的垂直度，螺纹中心与中心线的同轴度等要求。车床主轴零件的主要技术要求：如图4.9CA6140车床主轴的零件简图——多阶梯结构空心轴主轴加工工艺过程

材料45钢，毛坯为模锻件，大批量生产

表4.1CA6140车床主轴加工工艺过程2.车床主轴的加工工艺分析（1）定位基准的选择基准统一——采用两中心孔为定位基准；互为基准：以支承轴颈定位，车锥孔；以锥堵中心孔定位，精车外圆；以外圆定位，粗磨锥孔；以锥堵中心孔定位，粗精磨外圆；最后以支承轴颈定位，精磨锥孔。使锥孔的各项精度达到要求。中心孔和支承轴颈——互为基准、反复加工的原则工艺过程实质——定位基准的准备和转换的过程图4.10锥堵与锥堵心轴(2)加工阶段的划分适当穿插其它表面的加工工序而组成的工艺路线。以主要表面（特别是支承轴颈）的加工为主，分：粗加工阶段——调质前的工序半精加工阶段——调质后到表面淬火间的工序精加工阶段——表面淬火后的工序，其它次要表面适当穿插其中粗精分开，先粗后精。以重要表面（特别是支承轴颈）的粗加工、半精加工和精加工为主线，表4.1主轴加工的工艺过程（3）合理安排热处理工序

锻造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除锻造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。调质一般安排在粗车之后、半精车之前，以获得良好的物理力学性能。表面淬火一般安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理。毛坯锻造——正火——消除应力，改善切削性能粗加工——调质—提高力学性能，为表面淬火准备半精加工——表面淬火——提高耐磨性表4.1主轴加工的工艺过程（4）加工顺序的安排先基准后其它、先粗后精、先主后次、穿插进行的原则：

锻造→正火→车端面钻中心孔→粗车→调质→半精车→精车→表面淬火→粗、精磨外圆表面→磨锥孔（5）次要表面的加工安排深孔加工工序的安排——深孔加工安排在外圆半精车之后，以便有一个较为精确的轴颈作为定位基准，这样加工出的孔容易保证主轴壁厚均匀。次要表面加工工序安排——主轴上的花键、键槽等次要表面加工，通常安排在外圆精车或粗磨之后、精磨外圆之前进行。如果精车前已铣出键槽，精车时因断续切削而易产生振动，既影响加工质量，又容易损坏刀具，也难控制键槽的深度。螺纹——局部淬火后——淬火变形会影响螺纹和支承轴颈的同轴度（6）主轴锥孔的磨削

专用夹具——保证加工精度图4.11磨主轴锥孔专用夹具1—拨盘2—锥柄3—拨销4—钢球5—弹性套6—支架7—工件8—弹簧主轴检验加工中检验自动测量装置，作为辅助装置安装在机床上。这种检验方式能在不影响加工的情况下，根据测量结果，主动地控制机床的工作过程，如改变进给量，自动补偿刀具磨损，自动退刀、停车等，使之适应加工条件的变化，防止产生废品，故又称为主动检验。主动检验属在线检测，即在设备运行，生产不停顿的情况下，根据信号处理的基本原理，掌握设备运行状况，对生产过程进行预测预报及必要调整。在线检测在机械制造中的应用越来越广。加工后检验单件小批生产中，尺寸精度一般用外径千分尺检验；大批大量生产时，常采用光滑极限量规检验，长度大而精度高的工件可用比较仪检验。表面粗糙度可用粗糙度样板进行检验；要求较高时则用光学显微镜或轮廓仪检验。圆度误差可用千分尺测出的工件同一截面内直径的最大差值之半来确定，也可用千分表借助V形铁来测量，若条件许可，可用圆度仪检验。圆柱度误差通常用千分尺测出同一轴向剖面内最大与最小值之差的方法来确定。主轴相互位置精度检验一般以轴两端顶尖孔或工艺锥堵上的顶尖孔为定位基准，在两支承轴颈上方分别用千分表测量。§4-2套筒类零件加工一.概述1.套筒类零件的功用和结构特点功用——支承旋转轴，引导刀具等见图4.12中的钻套和镗套，液压油缸，内燃机汽缸套等结构特点——同轴度较高的内外回转面；壁薄易变形；长度大于直径2.套筒类零件的技术要求内孔——尺寸IT6～7级，IT9级；形状精度在公差内，为1/2～1/3，圆柱度公差表面粗糙度Ra1.6～0.2，0.04外圆——尺寸IT6～7级，形状精度在公差内，Ra3.2～0.8内孔外圆同轴度——0.01～0.05。端面与轴线垂直度3.套筒类零件的材料及毛坯

材料——取决于工作条件一般采用——钢、铸铁、粉末冶金、铜及其合金、尼龙和工程塑料等滑动轴承——双金属结构——在钢或铸铁套的内壁上浇铸巴氏合金等轴承合金材料，既可节约贵重金属，又能提高轴承寿命。毛坯——材料、结构、尺寸及生产批量等因素有关：孔径小——热轧或冷拉棒料，也用实心铸件孔径大——无缝钢管或带孔的空心铸件和锻件大量生产——冷挤压和粉末冶金二.套筒类零件的内孔表面加工

1.套筒类零件内孔的一般加工方法——见表3.6（1）钻孔——常用麻花钻特点：钻头易偏斜；钻孔排屑困难，切削热不易散发；钻孔轴向力大；精度低，表面粗糙度值大。工艺——钻孔前先加工端面，采用工件回转等措施防止和减少钻头的偏斜。（2）扩孔——扩大已有的孔径进行半精加工特点：刚性好，刀齿多，切削深度小，易排屑，切削平稳，导向性好，可矫正钻孔轴线的偏斜。常作为铰孔等精加工前的准备工序，也可作为要求不高的孔的最终工序。（3）铰孔

——未淬硬的中小尺寸孔的精加工特点：余量小，切削速度较低，铰刀齿数多，刚性好且制造准确，排屑润滑条件好——尺寸形状精度高。铰孔精度主要取决于铰刀精度，自定位，浮动联接‘不能修正孔的位置误差铰孔不宜用于台阶孔、盲孔、短孔和具有断续表面的孔一次安装下连续钻、扩、铰加工——避免安装误差，快速换刀，生产率高。图4.13快换夹头1—柄部2—套筒3—外套4—钢球5—弹簧圈（4）镗孔——对未淬硬孔加工，特点：适用性强，镗刀简单，成本低，经济性好。单刃刀具——纠正原有孔的位置偏差能力强，位置精度高。刀杆刚性差，易振动，镗孔质量不易控制，生产率低。用于单件小批生产。特点：加工平稳，尺寸精度高，表面粗糙度值小。拉刀在工件孔内自定位，位置精度不高。多刃刀具，同时粗精加工，生产率高。刀结构复杂、成本高，适应性差。用于成批大量生产，不拉阶梯孔、盲孔和大孔。（5）拉孔——高效的精加工方法（6）磨孔——对淬硬或未淬硬孔精加工特点：砂轮受工件孔的限制，直径小，磨削速度低；砂轮轴直径较小，刚性差，容易变形；砂轮与工件接触面积大，排屑和散热困难，冷却不便，工件易烧伤；砂轮磨损快，需经常修整更换。应用：位置精度高，应用广（淬硬孔、盲孔、大直径孔、短精密孔、断续孔）不适用于磨削有色金属增加内圆磨头的转速是提高孔生产率的主要途径。（7）深孔加工

（L/D＞5）

难点：

刀具细长，刚性差，加工中容易使孔的轴线歪斜；冷却散热条件差；排屑困难，严重时引起刀具崩刀或折断。措施：工件旋转，改进刀具导向，减少刀具引偏；压力输送切削液，冷却刀具和排屑；改进刀具结构，强制断屑。单件小批生产——卧式车床成批生产——深孔加工专用机床图4.14深孔加工示意图

2.套筒类零件内孔的精密加工

（1）珩磨——光整加工，低速大面积接触的磨削加工砂条（珩磨头）—旋转运动和往复运动，加压力—轨迹为交叉而不重复的网纹

图4.15珩磨运动及其切削轨迹图4.16利用螺纹调压的珩磨头1—本体2—调整锥3—砂条座4—顶块5—砂条6—弹簧箍7—弹簧8—螺母特点：磨粒多，磨削力小，速度低，发热少，不烧伤，变形层薄，孔表面质量好。尺寸、形状精度高。浮动联结，自定位，不纠正孔的相互位置精度往复速度高，磨粒多，生产率高。应用广，加工铸铁件、淬火、不淬火钢件、青铜件等，不宜加工韧性金属。加工孔径ø5～500mm，深径比达10以上用于大批量生产，单件小批生产——改装机床上用珩磨头进行（2）研磨

——与研磨外圆同

可提高尺寸形状精度，不提高相互位置精度，生产率低.（3）滚压——原理及特点与滚压外圆相同图4.17研磨棒三.套筒类零件加工工艺分析

1.套筒类零件的加工工艺（1）短套筒类零件的加工工艺图4.19钻床主轴套筒零件简图技术要求：内孔B、C——尺寸J7，圆柱度0.01，同轴度φ0.012，跳动0.01外圆——尺寸j7，圆柱度0.003，表面粗糙度Ra0.63材料45钢，毛坯为棒料，成批生产。

工艺特点：

表4.2某钻床主轴套筒的加工工艺过程1）定位基准：

外圆或孔口倒角—中心线——基准重合大多数工序中用——基准统一，保证内外圆的相互位置精度互为基准，反复加工，相互位置精度逐渐提高2）分阶段：

粗加工阶段——调质前半精加工阶段——调质到时效间精加工阶段——时效后3）弯曲变形：调质——稳定组织铣齿后低温时效处理——消除内应力精磨外圆——保证加工精度4）轴承孔：

结构限制——不宜用磨削精磨后外圆定位，高精度液塑定心夹具——精车内孔（2）长套筒类零件的加工工艺

特点：

壁薄，图4.20液压缸简图加工要求高：尺寸精度φ70H6，圆柱度0.04，孔的直线度φ0.15，同轴度φ0.04，垂直度0.03，Ra0.32。外圆尺寸h6工艺特点：

表4.3为液压缸的加工工艺路线，毛坯为无缝钢管，成批生产。工艺特点：1）保证位置精度：定位基准——外圆装配面A、B——基准重合、基准统一避免薄壁变形——工艺螺纹——改变受力方向另一端定位面——增加厚度——中心架软爪夹一端——避免夹紧变形，另一端——顶尖——精车外圆外圆——中心架——找正内孔——镗内锥面。2）内孔加工：半精镗—精镗—浮动镗—滚压滚压——表面质量高，耐磨性好2.套筒类零件的加工工艺分析

夹具复杂，高精度的定心夹具定心夹具——液性塑料定心夹具、弹性薄膜卡盘、修整的三爪自定心卡盘和软爪等（1）保证套筒表面相互位置精度的方法内外圆的同轴度及端面对孔的垂直度：1）一次装夹完成：无装夹误差，位置精度高。工序集中。小尺寸、结构简单的套类零件的加工。2）多次装夹先终加工孔，后终加工外圆。夹具简单，定心精度高，位置精度高，应用广3）多次装夹先终加工外圆，后终加工孔（2）防止套筒薄壁变形的工艺措施

——夹紧力、切削力、残余应力和切削热的影响1）切削力和切削热——粗精分开——变形可在精加工纠正2）夹紧力：①改变夹紧力方向—径向改轴向——工艺螺纹②夹紧力均布—过渡套、液性塑料定心夹具、弹性薄膜卡盘、修整过的三爪自定心卡盘、软爪③辅助工艺凸边—提高刚度，减少夹紧变形3）热处理：粗精之间进行，变形在精加工中修正。§4-3箱体类零件加工

一.概述

1.箱体类零件的功用和结构特点功用：箱体是机器的基础零件，它将机器中有关部件的轴、套、齿轮等相关零件连接成一个整体，并使之保持正确的相互位置，以传递转矩或改变转速来完成规定的运动。结构：见图4.22复杂，壁薄、厚不均匀，内部腔形；有许多精度要求高的轴承支承孔和平面，加工面多，加工难度大。2.箱体类零件的主要技术要求

支承孔：尺寸IT6〜7，形状精度为孔尺寸公差的一半，Ra1.6〜0.4；

同轴度φ0.01〜0.03，平行度0.03〜0.06，中心距±0.02〜0.08装配、定位基面：平面度0.02〜0.1，Ra3.2〜0.8平行度、垂直度300：（0.02〜0.1）孔与面：平行度0.03〜0.13.箱体类零件的材料毛坯材料

铸铁——易成形，切削性能好，价格低，吸振性和耐磨性好。焊接——单件小批生产，缩短生产周期铸钢件——大负荷的箱体铝镁合金或其它铝合金材料——特定条件摩托车的曲轴箱选用铝合金作为曲轴箱的主体材料。毛坯：

单件小批——木模手工造型——精度低，余量大大批量——金属模机器造型——精度高，余量小铝合金箱体——压铸——精度很高，余量很小一般采用铸件。因曲轴箱是大批大量生产，且毛坯的形状复杂，故采用压铸毛坯，镶套与箱体在压铸时铸成一体。压铸的毛坯精度高，加工余量小，有利于机械加工。为减少毛坯铸造时产生的残余应力，箱体铸造后应安排人工时效二.箱体零件的平面加工方法

宽刃精刨代刮：速度低，余量小，发热变形小，Ra1.6～0.8，精度高，生产率高。特点：IT6～10，Ra12.5～1.6。结构简单，调整方便，通用性好。龙门刨床：切削速度低，有空行程，单刃加工，生产率低——单件小批生产1.刨削图4.24宽刃精刨刀2.铣削特点：IT6～10，Ra12.5～0.8，生产率较高方法：端铣——刀齿数多，精度高，粗糙度值小；刚性好，生产率高，应用多周铣——通用性好，适用广—单件小批应用多图4.25平面铣削方法3.磨削

特点：速度高、进给量小、IT5～9，Ra1.6～0.2——半精加工和精加工

方法：周磨——发热小，排屑与冷却好，精度高，间断进给，生产率低端磨——磨头刚性好，弯曲变形小，磨粒多，生产率高冷却条件差，磨削精度较低—大批生产中精度不高零件加工图4.26平面磨削方法1—砂轮2—工件4.刮研

精度5级以上，表面粗糙度Ra0.1～1.6，可存润滑油劳动强度大，生产率低；力小，变形小，精度表面质量高特点：用于未淬火的工件，可使两个平面之间达到很好的接触及紧密吻合表面质量的评定：粗刮为1～2点/cm2，半精刮为2～3点/cm2，精刮可达3～4点/cm2应用——单件小批生产及维修工作。三.箱体类零件加工工艺分析

1.车床主轴箱的加工工艺材料——HT200，中批生产。结构：见图4.23复杂，箱壁薄，加工表面多（平面和孔系）技术要求：支承孔、装配基面的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度孔系之间、孔系与装配基面之间的相互位置精度表4.4主轴箱的加工工艺过程结构工艺性好：铸造——便于型芯的安放加工——便于装调刀具、更换导套、测量孔径、观察加工和加切削液夹具结构简单，刚性好，工件装卸方便，加工精度提高，生产率高新工艺：底面开窗口——支架伸入箱体；装配时加密封垫片和盖板，用螺钉紧固2.主轴箱的加工工艺分析（1）精基准的选择基准统一优先——保证互位置精度，减少夹具设计制造量，降低成本基准重合——避免基准不重合误差，提高相互位置精度定位方案：

1）三面定位——基准统一，基准重合，保证位置精度定位准确可靠，夹具结构简单，工件装卸方便—单件和中小批生产中应用广影响定位面上的加工。2）一面两孔定位——面基准重合—保证位置精度基准统一——五个面上孔或平面定位稳定可靠，夹紧方便，易于实现自动定位和自动夹紧成批以上生产，用组合机床与自动线加工——应用多两孔定位误差——影响位置精度两方案各有优缺点——应根据实际生产条件合理确定（2）粗基准的选择

考虑：①重要孔余量均匀②旋转零件与箱内壁间隙足够③保持必要外形尺寸④定位夹紧可靠。重要孔的毛坯——粗基准——保证主轴孔、支承孔余量均匀保证各孔轴心线与箱体内壁相互位置单件、中小批——划线找正法安装工件大批量——专用夹具定位，工件安装迅速，生产率高（3）主要表面加工方法的选择平面——铣、刨，也可车。

批量大——组合铣床对箱体各平面进行多刀、多刃同时铣削；尺寸较大时，可在多轴龙门铣床上进行组合铣削，生产率高。平面精加工