第4章-典型零件加工工艺

现代制造工艺第4章

典型零件加工工艺4.1轴类零件的加工工艺

生产实际中，零件的结构千差万别，但其基本几何构成不外是外圆、内孔、平面、螺纹、齿面、曲面等。很少有零件是由单一典型表面所构成，往往是由一些典型表面复合而成，其加工方法较单一典型表面加工复杂，是典型表面加工方法的综合应用。4.1轴类零件的加工工艺轴类零件是机器中应用最多的零件，它是绕轴线旋转的零件，其长度大于直径。主要由一些常用表面构成，通常有内外圆柱面、内外圆锥面、螺纹、键槽、花键、横向孔、沟槽等。根据其形状结构特点可分为光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、十字轴、偏心轴、曲轴及凸轮轴等。

4轴类零件的技术要求主要如下：1）尺寸精度和几何形状精度2）相互位置精度

3）表面粗糙度

5轴类零件的材料：一般轴类零件材料常用45钢；中等精度而转速较高的轴可选用40Cr等合金结构钢；精度较高的轴可选用轴承钢材GCr15和弹簧钢65Mn以及低变形的CrMn或CrWMn等材料；高转速、重载荷等条件下工作的轴可选用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金钢或38CrMoAl氮化钢。6轴类零件的毛坯：

轴类零件最常用的毛坯是轧制圆棒料和锻件，只有某些大型的、结构复杂的轴，才采用铸件。因毛坯经过加热锻造后，能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，从而获得较高的抗拉、抗弯及扭转强度，所以除光轴、直径相差不大的阶梯轴可使用热轧圆棒料和冷拉圆棒料外，一般比较重要的轴都应采用锻件毛坯。其中，自由锻造毛坯多用于轴的中小批量生产，模锻毛坯则只适用于轴的大批量生产，例如汽车发动机上的曲轴、凸轮轴。7轴类零件的热处理：

轴的锻造毛坯在机械加工前需进行正火或退火处理，以使晶粒细化、消除锻造内应力、降低硬度和改善切削加工性能。要求局部表面淬火的轴要在淬火前安排调质或正火处理。毛坯余量较大时，调质放在粗车之后、（半）精车之前进行；毛坯余量较小时，调质可安排在粗车之前进行。表面淬火一般放在精加工之前，可使淬火变形在精加工后得到纠正。8轴类零件的热处理：

对于精度高的轴，在局部淬火或粗磨后需进行低温时效处理，以消除磨削内应力、淬火内应力和继续产生内应力的残余奥氏体，保持加工后尺寸的稳定。对于氮化钢需在氮化前进行调质和低温时效处理，不仅要求调质后获得均匀细致的索氏体组织，而且要求离表面8～lOmm层内铁素体含量不超过5%，否则会造成氮化脆性，导致轴的质量低劣。从此可见，轴的精度越高，对其材料及热处理要求越高，热处理次数也越多。910

车床主轴车床主轴零件加工工艺过程

轴类零件加工工艺因其用途、结构形状、技术要求、材料种类、产量大小等因素而有所差异。现以车床空心主轴为例，讨论轴类零件加工工艺。1）主轴的技术条件分析主轴的支承轴颈、配合轴颈、前锥孔、前端外圆锥面及端面、锁紧螺纹等表面是主轴的主要加工表面。其中支承轴颈本身的尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度和表面粗糙度尤为重要。11

2）卧式车床主轴加工工艺过程12序号名称加工内容加工设备1备料2精锻立式精锻机3热处理正火4锯头5铣端面打中心孔专用机床6荒车车各外圆面卧式车床7热处理调质220～240HB8车车大端各部卧式车床9车仿形车小端各部仿形车床10钻钻中心深孔（通）深孔钻床11车车小端内锥孔（配作1：20锥堵）卧式车床12车车大端内锥孔（配莫氏6号锥堵），车外短锥及端面卧式车床13钻钻大端端面各孔摇臂钻床14热处理高频淬火Φ6，短锥及莫氏6号锥孔15精车精车各外圆面，切槽数控车床16粗磨粗磨外圆两段外圆磨床17粗磨粗磨莫氏锥孔内圆磨床18铣粗、精铣花键花键铣床19铣铣键槽立式铣床20车车大端内侧面，三段螺纹（配螺帽）卧式车床21磨粗、精磨各外圆，靠E、F两端面外圆磨床22磨组合磨粗、精磨三圆锥面，短锥端面组合磨床23精磨精磨莫氏6号锥孔主轴锥孔磨床24检查按图样技术要求项目检查卧式车床主轴加工工艺过程分析1）加工阶段划分主轴调质之前的工序属于各主要表面的粗加工阶段，调质以后工序则属半精和精加工阶段。要求较高的支承轴颈和锥孔的精加工，放在最后进行。主轴加工工艺过程以主要表面粗加工、半精加工和精加工为主线，适当穿插其他表面的加工工序、热处理和检验工序。13

2）定位基准选择与转换轴类零件加工最常用的定位基准是两顶尖孔。因为轴类零件的设计基准是轴的中心线，采用顶尖孔定位能在一次安装中加工出较多的表面，符合基准重合原则和基准统一原则。在主轴工艺中，半精车、精车、粗磨及精磨各部外圆及端面、铣花键、车螺纹等工序，都以顶尖孔作为定位基准。14但锥孔的车削及磨削只能选择外圆表面为定位基准，因此磨削锥孔时选择主轴的装配基准（前后支承轴颈）作为定位基准，可消除基准不重合造成的定位误差，使锥孔的径向跳动便于控制，亦符合互为基准，反复加工的原则。15对于空心主轴，顶尖孔因钻出通孔而消失。为在通孔加工后仍能以顶尖定位，需在主轴两端锥孔中插入带有顶尖孔的锥堵或锥套心轴，如图所示。锥堵应有较高的精度，必须保证锥堵锥面与顶尖孔有较高的同轴度。在使用中应尽量减少锥堵安装次数，因为重新安装会引起安装误差。所以，对中小批生产来说，锥堵安装后一般不中途更换。16锥堵与锥套心轴工艺过程中定位基准的使用与转换大体如下：工艺过程开始以支承轴颈作粗基准铣两端面、打中心孔，为粗车外圆准备定位基准,如图所示；而粗车外圆又为深孔加工准备了定位基准；之后，先加工好前后锥孔以便安装锥堵，为半精和精加工外圆准备定位基准；终磨锥孔之前，必须磨好轴颈表面，然后用支承轴颈定位磨削锥孔，以便获得较高的锥孔位置精度。17外圆加工的基准准备工序安排顺序：

主轴加工工序的加工准备阶段包括毛坯制造和正火；粗加工阶段为铣端面、打中心孔、粗车外圆与调质；半精加工阶段为半精车外圆、加工各辅助表面与表面淬火；精加工阶段为主要表面（外圆表面与锥面）精加工。18具体安排加工顺序应注意以下几点：①“基准先行”原则②深孔加工安排③次要表面加工安排19轴类零件加工中的几个主要问题：

（1）轴类零件外圆表面的车削

车削轴类零件外圆表面粗加工、半精加工的主要方法，一般都在普通车床上进行。大批生产可采用多刀半自动车床以及数控车床加工。机械制造业的发展要求机床具有较大的柔性，即能快速频繁地更换加工对象。车削加工中心，特别是车铣复合加工中心的加工柔性大，机床调整时间短，无论生产批量大或小均可实现自动化生产，能够完成车、铣、钻、攻丝、镗等加工。20这些机床采用工序集中方式加工，车内外表面和端面、加工沟槽、铣键槽、钻孔、加工螺纹等各种表面可以在一次安装中完成，加工精度和效率也比卧式车床高得多。

（2）轴类零件外圆表面的磨削

磨削外圆是轴类零件精加工的最主要方法，一般安排在最后进行。磨削分粗磨、精磨、细磨及镜面磨削。轴外圆表面的磨削通常以顶尖孔作为定位基准，要提高外圆表面加工精度就必须提高顶尖孔的自身精度。21在轴加工过程中顶尖孔可能会磨损、拉毛，热处理后会产生氧化皮及变形，这需要在精磨外圆之前对顶尖孔进行一次修研。修研顶尖孔可在车床、钻床或专用顶尖孔磨床上进行。

（3）轴类零件的深孔加工

通常将孔的长度与直径之比大于5的孔称为深孔。加工深孔比加工普通孔的难度大，生产率低，加工方法也有所不同。22深孔钻削有以下特点：由于深孔加工刀具细长，刚性差，加工中易产生引偏和振动，因此孔的轴线易歪斜；刀具冷却散热条件差，切削温度容易升高，刀具耐用度低；切屑排出困难，不仅会划伤已加工表面，严重时会造成刀具崩刃，甚至折断。所以深孔加工要有相应措施，如采取工件旋转方式，改进刀具导向结构，防止引偏；采用压力输送切削液，既冷却刀具又方便排屑：改进刀具结构以便强制断屑，使切屑在磨削液的压力下顺利排出。23单件小批生产时，常采用加长柄麻花钻在车床上加工深孔，但排屑与冷却刀具困难，需要多次退刀操作，生产率低，劳动强度大。大批量生产时，则采用在专用深孔钻床上用深孔钻头进行钻削。

（4）主轴锥孔的精加工主轴锥孔对主轴支承轴颈的径向跳动是机床主要精度指标之一，因此锥孔的磨削是主轴加工关键工序之一。24锥孔加工通常在专用夹具上进行。为了获得高的同轴度，采用互为基准原则。夹具（见图）由底座、支承架及浮动夹头三部分组成，支承架固定在底座上，支承架前后各有一个V形体，工件放在V形体上。工件中心与磨头中心必须等高，否则磨出的锥孔母线会呈双曲线形状。后部浮动夹头锥柄装在磨床头架轴锥孔内，它能限制工件的轴向窜动并向工件传递扭矩。采用这种连接可以保证工件加工精度不受内圆磨床主轴回转误差及机床振动的影响。25261-弹簧2-钢球3-弹性套4-主轴5-支承架6-底座7-锁紧螺钉8-硬质合金9-拨盘

磨主轴锥孔夹具

（5）主轴的检验

主轴质量检验的内容包括表面粗糙度、表面硬度、几何形状精度、相互位置精度和尺寸精度。对于表面粗糙度，可以通过外表观察对比，还可采用轮廓仪测出表面粗糙度值。对于表面硬度，在热处理后抽检。27

4.2圆柱齿轮加工工艺

（1）渐开线圆柱齿轮

圆柱齿轮是各类机械中的重要零件之一，在机械传动中应用广泛。28

（2）圆柱齿轮的技术要求29应用范围精度等级应用范围精度等级测量齿轮

2～5航空发动机

4～7透平减速器

3～6拖拉机

6～9金属切削机床

3～8通用减速器

6～8内燃机车

6～7轧钢机

5～10电气机车

6～7矿用绞车

8～10轻型汽车

5～8起重机械

6～10载重汽车

6～9农业机器

8～10圆柱齿轮的传动精度包括以下四个方面： 1）传递运动的准确性（运动精度） 2）传动的平稳性 3）载荷分布的均匀性（接触精度 4）适当的齿侧间隙由于齿坯的外圆、端面或内孔是齿形加工、测量和装配的基准，所以根据齿轮的精度等级确定齿坯的加工精度。3031

（3）齿轮的材料和毛坯1）齿轮的材料和热处理

速度较高的齿轮传动，齿面易产生点蚀，应选用淬硬层较厚的高硬度材料；有冲击载荷的齿轮传动，轮齿易折断，应选用韧性较好的材料；低速重载的齿轮传动，轮齿即易折断又易磨损，应选择机械强度大、经热处理后齿面硬度高的材料。32当前生产中常用的材料及热处理如下：中碳结构钢（如45钢）进行调质或表面淬火，常用于低速、轻载或中载的普通精度齿轮。中碳合金结构钢（如40Cr）进行调质或表面淬火，适用于制造速度较高、载荷较大、精度较高的齿轮。

渗碳钢（如20Cr、20CrMnTi等）经渗碳后淬火，齿面硬度可达HRC58-63，而芯部又有较好的韧性，既耐磨又能承受冲击载荷，这种材料适于制作高速、中载或具有冲击载荷的齿轮。33氮化钢（如38CrMoALA）经氮化处理后，比渗碳淬火齿轮具有更高的耐磨性与耐蚀性，由于变形小，可以不磨齿，常用于制作高速传动的齿轮。

铸铁及其他非金属材料（如夹布胶木与尼龙等），这些材料强度低，容易加工，适于制造轻载荷的传动齿轮。342）齿轮的毛坯齿轮毛坯的制造形式取决于齿轮的材料、结构形状、尺寸大小、使用条件及生产类型等因素。齿轮毛坯形式有轧钢件、锻件和铸件。一般尺寸较小、结构简单而且对强度要求不高的钢制齿轮，可采用轧制棒料做毛坯。强度、耐磨性和耐冲击性要求较高的齿轮多采用锻件，生产批量小或尺寸大的齿轮采用自由锻造，批量较大的中小齿轮采用模锻。尺寸较大且结构复杂的齿轮，常采用铸造毛坯。小尺寸且结构复杂的齿轮常采用精密铸造或压铸方法制造毛坯。圆柱齿轮加工工艺过程及分析：

加工一个精度较高的齿轮，大致要经过如下工艺过程：毛坯制造及热处理－齿坯加工－检验－齿形加工－齿端加工－齿面热处理－精基准修正－齿形精加工－检验。3536淬硬齿面双联齿轮序号工序内容定位基准1毛坯锻造2正火3粗车外圆和端面（精车余量1～1），钻镗花键孔到Φ28H12，内孔与端面一刀车出，并在此端面作记号。外圆和端面4拉花键孔Φ28H12孔和端面（自为基准）5穿花键心轴，精车外圆，端面及槽至图纸要求。花键孔和端面（记号面）6检验7滚齿（Z＝39）留剃量0.06～0花键孔和端面（记号面）8插齿（Z＝34）留剃量0.03～0花键孔和端面（记号面）9齿圈倒角花键孔和端面（记号面）10钳工去刺11剃齿（Z＝39）花键孔和端面（记号面）12剃齿（Z＝34）花键孔和端面（记号面）13齿部高频淬火14推孔花键孔和端面（记号面）15珩齿花键孔和端面（记号面）16检验374.3箱体类零件加工工艺箱体零件的功用及结构特点箱体是机器的基础零件，它将轴、套、轴承、齿轮等零件有机地组装在一起，保证其正确相互位置关系和运动关系。它的加工质量对机器工作精度、性能和寿命都有直接关系。箱体零件结构一般都比较复杂，整体呈封闭或半封闭状，壁薄且不均匀，其上有许多精度高的孔和平面需要加工。箱体零件一般加工部位且有位置精度要求的表面较多，工艺路线长，有一定的加工难度。38箱体零件的技术要求主要如下：1）孔本身的精度要求2）孔与孔、孔与平面的相互位置3）平面本身精度要求39（3）箱体类零件的材料、毛坯及热处理铸铁的铸造工艺性好，易切削，价格低，且抗振性和耐磨性好，大多数箱体均采用铸铁铸造而成，一般为HT200或HT250灰铸铁。当载荷较大时可采用HT300、HT350高强度灰铸铁；对于承受冲击载荷的箱体，一般选用ZG25、ZG35铸钢件。对于批量小、尺寸大、形状复杂的箱体，采用木模砂型地坑铸造毛坯；尺寸中等以下，采用砂箱造型；批量较大，选用金属模造型：对于受力大或受冲击载荷的箱体，应尽量采用整体铸件作毛坯。40单件小批情况下，为了缩短生产周期，箱体也可采用铸－焊、铸－锻－焊、锻－焊、型材焊接等结构，但需注意箱体铸件应具有良好的焊接性能。箱体零件的热处理，根据生产批量，精度要求及材料性能，采用不同的方法。通常在毛坯未进行机械加工之前，为消除毛坯铸造或焊接残余应力，对铸铁件、铸钢件、焊接结构件须进行自然时效或人工时效处理。批量不大的生产，人工时效处理可安排在粗加工之后进行。对大型毛坯和易变形、精度要求高的箱体，在机械加工后也可安排第二次时效处理。41普通车床主轴箱加工工艺过程分析42CA6140车床床头箱的各项主要技术要求

43序号工序内容定位基准1铸造成型2时效处理3刷底漆4铣顶面A轴Ⅵ及轴Ⅰ铸孔5钻、扩、铰顶面A上的2-Φ18H7工艺孔，保证其对A面的垂直误差小于0.1/600，并钻攻A面上的8个M8孔顶面A、轴Ⅵ及内壁一端6铣W、N、B、P、Q5个平面顶面A及两个工艺孔7磨顶面A，保证其平面度误差小于W及Q平面8粗镗各纵向孔，留加工余量顶面A及两个工艺孔9精镗各纵向孔顶面A及两个工艺孔10精镗主轴孔顶面A及轴Ⅲ、轴Ⅴ孔11加工横向孔和各次要孔顶面A及两个工艺孔12磨W、N、B、P、Q平面顶面A及两个工艺孔13钳工去刺、清洗14检验（1）箱体加工定位基准的选择

1）精基准的选择

一般箱体的外形上有多个平面需要加工，且其上孔系的加工要求高，需经过多次安装。所以，在选择基准时要采用基准统一原则，以保证达到各加工表面的相互位置精度。在选取定位基准时，根据定位原理和具体加工条件，可以采用两种定位方案。4445

吊架式镗模夹具461、3-镗模架2-主轴箱4-定位销5-支承板车床主轴箱的扣箱镗孔(2)粗基准的选择

箱体加工粗基准应满足以下要求：在保证各加工表面均有加工余量的前提下，应使重要孔（如主轴孔）的加工余量均匀，保证加工后的箱体在装入零件（如齿轮、拨叉等）后与箱体内壁有足够的间隙，注意保持箱体必要的外形美观（如凸台面高度均匀）。粗基准应保证定位方便，夹紧可靠。大批量加工箱体时，常常选择专用夹具。47481、3、5—支承2—辅助支承4—支架6—挡销7—短轴8—活动支柱9、10—操纵手柄11—夹紧块

主轴孔为粗基准铣顶面的夹具（2）箱体加工阶段的划分

大批量生产普通精度箱体的工艺过程一般分为粗加工阶段和精加工两个阶段。经过两个阶段的划分和停顿，铸件经粗加工后大部分残余应力已基本消除，零件得到充分冷却和变形，再对箱体各主要孔精镗、各平面精磨，使其达到图样要求。49（3）箱体加工顺序安排箱体加工顺序的安排通常要遵循如下几个原则：1）“先面后孔”的原则2）热处理工序的安排原则3）紧固螺孔等起次要作用的小孔加工安排在主要孔加工后50箱体类零件的孔系加工：一组有相互位置精度要求的孔称为孔系。孔距精度和相互位置精度是孔系加工的关键。（1）平行孔系的加工

51应用镗模镗孔（2）同轴线孔系的加工

1）悬臂镗孔法52

悬臂镗孔法加工同轴线孔系

2）导向支承镗孔法53导向支承镗孔法

3）双导向支承镗孔法54

应用镗模镗孔4）从孔壁两端进行镗孔55加工箱体的双面加工组合机床（3）垂直孔系与交叉孔系的加工小型箱体可使用专用夹具在普通机床上加工，中等尺寸以上箱体通常在卧式镗床上加工。加工时先镗削同一轴线上的孔，再将工件随工作台转90°，调整好主轴中心坐标位置后，加工另一轴线上的孔。56箱体的检验：（1）箱体的主要检验内容包括孔与平面的尺寸精度及外观检查、各加工表面几何形状精度与表面粗糙度检查，以及各加工表面的相互位置精度检验。（2）孔系相互位置精度检验1）孔的距离精度检验2）同轴度的检验3）孔轴线相互平行度的检验574）两孔轴心线垂直度的检验5）孔轴心线与端面垂直度的检验58同轴度的检验孔轴心线平行度的检验孔轴心线与端面垂直度检验两孔轴心线垂直度检验

4.5扩径头模块加工工艺

扩径头的用途及结构特点:大直径直缝埋弧焊管被广泛地用于石油、天然气、矿浆和煤浆的输送。UOE法是制造大直径直缝埋弧焊管的方法之一，它是以热轧宽厚钢板为原料，通过弯边、U成形、O成形和埋孤焊接管坯后扩径等成形工序制造大口径厚壁直缝埋弧焊管的一种制管工艺。59现在，大直径直缝埋弧焊管的校圆扩径广泛采用机械式扩径机，机械式扩径机用于直缝埋弧焊管的机械扩径、校直、均布应力和提高机械强度等方面。601-直缝埋弧焊管2-锥体3-模块4-连接体5-活塞体6-保护套

7-主油缸8-行程控制器9-轴承座10-钢管输送装置11-支承辊扩径机结构示意图模块的主要技术要求：61

模块零件图1）截面的形状要求2）孔的精度要求3）孔与平面的相互位置要求4）平面、曲面的精度要求

62模块的材料、毛坯及热处理模块要求有较高的强度和耐磨性，淬火后变形小，模块选用Cr12MoV，毛坯自由锻造而成，为改善切削性能，粗加工之前安排有退火处理。为消除粗加工残余应力，使模块获得