机械制造基础 课件 第3章　轴类零件的加工

3.1轴类零件的工艺特点

01轴类零件的技术要求02轴类零件的材料、毛坯与热处理03轴类零件的加工工艺路线04提高轴类零件加工生产效率的措施

轴类零件是机械加工中常见的典型零件之一。在机器中，它主要用来支承传动件和传递转矩，并保证装在其上面的零件具有一定的回转精度。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径。按轴类零件的结构、形状通常可将其分为光轴、阶梯轴、花键轴、空心轴、曲轴等，如下图所示。3.1.1轴类零件的技术要求1.尺寸精度和形状精度

通常轴类零件的支承轴颈或配合轴颈是轴上精度要求较高的表面，其公差等级般为IT6~IT9级，高精度轴颈要求

IT5级。轴颈的几何精度，一般应控制在直径公差范围之内，对于高精度主轴，由于支承轴颈几何精度直接影响轴的回转精度，所以要求控制在0.

005~0

008mm范围之内。2.相互位置精度

保证配合轴颈相对支承轴颈的同轴度，是轴类零件相互位置精度的普遍要求。为便于检查，常采用圆跳动公差，普通精度的轴，配合轴颈对支承轴颈的圆跳动一般为0.01~0.03mm；高精度轴一般为0.001~0.005mm。轴向定位端面或工作端面的端面圆跳动一般为0.008~0.001mm。3.表面粗糙度

支承轴颈和重要工作表面的表面粗糙度一般要求较高，其表面粗糙度值为Ra(1.6~0.2)

μm，一般非配合表面的表面的表面粗糙度值约Ra

(6.3~1.6)

μm。3.1.2轴类零件的材料、毛坯与热处理

不同使用要求的轴类零件选择不同的材料及热处理规范，轴类零件常用材料与热处理方式见下表。轴的种类材料预备热处理最终热处理达到效果一般轴类零件中碳优质碳素结构钢，如45正火或调制局部淬火获得一定强度、韧性和耐磨性中等精度、转速较高的轴中碳合金结构钢，如40Cr调质局部淬火有较好的综合力学性能精度较高的轴类零件弹簧钢、轴承钢，如GCr15、65Mn调质表面淬火较高的耐磨性和抗疲劳强度高转速重载荷的轴低碳合金钢、如20CrMnTi正火渗碳淬火表层有很高的硬度耐磨性、心部有较高的强度和韧性特别重要的轴渗氮钢，如38CrMoAI调质、除应力处理氮化处理有较好的心部强度和表层硬度、耐磨性和康疲劳强度

轴类零件常用的毛坯是锻件和圆棒料，毛坯经锻造后，金属形成沿表面均匀分布的内部纤维组织，可得到较高的抗拉、抗弯强度。比较重要的轴，大都采用锻件。中、小批生产结构简单的轴一般采用自由锻造，

大批量生产采用模锻。光轴或直径相差不多且力学性能要求不高的阶梯轴常用热轧和冷拉棒料，某些大型或结构复杂的轴采用铸钢件，曲轴常采用球墨铸铁件。3.1.3轴类零件加工工艺过程

加工轴类工件主要是加工外圆表面及相关端面，轴线为设计基准，两端中心孔为定位基面。一般轴类零件的加工工艺路线如下:

毛坯准备—退火（正火）——加工端面和中心孔——粗加工——调质——半精加工——花键、键槽等加工——表面淬火——粗磨——精磨。3.1.4提高轴类零件加工生产率的措施

零件表面的加工余量主要是靠车削切除的，因此，车削的劳动量占零件加工总劳动量的大部分，尤其是多阶台轴类的零件加工，主要可以从以下几个方面进行提升：1.刀具材料选用硬度高、耐磨性和热稳定性好的新型材料

如采用陶瓷、金刚石、立方氮化硼等材料的刀片，进行高速车削。2.采用多切削刃切削

在一次进给中同时车削几个不同的外圆表面，可缩短机动时间和辅助时间，大大提高了生产率。此法可在卧式车床或多刀半自动车床上进行，但只使用于成批生产。3.采用机械夹固式车刀、多角形可转位车刀等

以充分发挥硬质合金的作用，缩短刃磨刀具和更换刀具的辅助时间。4.应用强力切削

加大背吃刀量和进给量来提高切削效率。在工件、机床、刀具系统刚性足够的情况下，强力切削可用于粗加工和半精车。粗车余量大，应尽量增大背吃刀量；半精车余量小，则用大的进给量。5.采用液压仿形。

仿形加工可以车削外圆柱表面、外圆锥面、成形表面等，是一种较先进的加工工艺，能大大减轻劳动强度，减少测量工件的辅助时间，提高生产率。1）机械靠模仿形

机械靠模仿形是利用靠模进行直接仿形，也就是说刀架的切削力直接作用于靠模，它易于在卧式车床上使用。2）液压仿形

刀架的切削力由液压传动装置承受。液压传动装置利用油液作介质，通过执行机构来传递动力。课后练习

1.轴类零件的工艺特点是什么？2.加工轴类零件有什么技术要求？3.提高轴类零件加工生产率的措施有哪些？3.1轴类零件的加工准备工作

和加工步骤

01车刀的装夹02车刀的刃磨03工件的装夹04切屑液的使用05轴类零件的加工步骤

轴类零件是机械加工中常见的典型零件之一。在机器中，它主要用来支承传动件和传递转矩，并保证装在其上面的零件具有一定的回转精度。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径。按轴类零件的结构、形状通常可将其分为光轴、阶梯轴、花键轴、空心轴、曲轴等，如下图所示。3.2.1车刀的装夹1.车刀装夹在刀架上的伸出部分应尽量短些，以增强其刚性

伸出长度约为刀柄厚度的1~1.5倍。在刀下面的垫片数量尽可能少些(一般为1~2片)，并与刀架边缘对齐且至少用两个螺钉平整压紧，防止振动的发生。如下图所示为外圆车刀的装夹示意图。2.车刀刀尖应与工件中心等高

车刀刀尖低于工件轴线(图(c))，车刀的实际前角减小，切削阻力加大；车刀刀尖高于工件轴线(图(a))，则车刀的实际后角减小，车刀后面与工件间的摩擦加大。又若刀尖不对中心，在车至端面中心时会留有凸头(图(d)),而且在使用硬质合金车刀车到中心处时会发生刀尖崩裂现象(图(e))。

装夹车刀时，刀杆中心线应当与进给方向垂直，否则会使主偏角和副偏角产生误差。3.2.2车刀的刃磨

正确刃磨车刀是车工必须掌握的基本功之一。车刀的刃磨主要有机械刃磨和手工刃磨两种。机械刃磨应用较多，其效率高、质量好、操作方便，而手工刃磨对于车工来说是必须掌握的基本技能，手工刃磨灵活，对设备要求低。目前中小企业普遍采用手工刃磨。

1.砂轮的选用

常用砂轮有氧化铝和碳化硅两类，刃磨时应根据刀具材料选定。1)氧化铝砂轮一般呈白色，砂粒韧性好，锋利，但硬度较低，适用于刃磨高速钢车刀和硬质合金车刀的刀柄部分。2)碳化硅砂轮一般呈绿色，砂粒硬度高，切削性能好，但较脆，适用于刃磨硬质合金车刀。

2.刃磨材料为YT15、主偏角为90°的车刀的步骤1）采用氧化铝砂轮先把车刀前刀面、后刀面上的焊渣磨去，并磨平车刀的底平面。2）用氧化铝砂轮相磨主后刀面和副后刀面的刀柄部分，刃磨时，在略高于砂轮中心。

水平位置将车刀底平面向砂轮方向倾斜一个比刀体后角大2°~83°的角度。同样方法粗磨副后刀面的刀柄部分。3）用碳化硅砂轮粗磨刀体上的主后刀面、副后刀面和前刀面。刃磨主后刀面时，刀柄应与砂轮轴线保持平行，同时刀体底平面向砂轮方向倾斜一个比主后角大2°的角度。刃磨时，先把车刀已磨好的刀柄上的主后刀面靠在砂轮的外圆上，以接近砂轮中心的水平位置为刃磨的起始位置，然后使刃磨位置继续向砂轮靠近，并作左右缓慢移动，当砂轮磨至刀刃处时结束。粗磨过程如图3-4所示，磨出的主后角为正2°，主偏角为90°。用同样方法粗磨副后刀面和前刀面。

2.刃磨材料为YT15、主偏角为90°的车刀的步骤4）磨断屑槽断屑槽一般有圆弧形和直线形两种。刃磨圆弧形断屑槽时，在已粗磨好前刀面的基础上，将砂轮的外圆和端面的交角处用修砂轮的金刚石笔修磨成相应的圆弧；刃磨直线型断屑槽时，砂轮的交角就必须修整出清角。刃磨时，刀尖可向下磨或向上磨，如图3-5所示。刃磨断屑槽的部位时，应留出车刀倒棱的宽度。3.2.3工件的装夹

1.在三爪卡盘上安装工件

三爪自定心卡盘是车床上应用最为广泛的一种通用夹具（如图3-6所示），其规格主要有150mm、200mm、250mm三种。卡盘扳手方孔卡爪图3-6三爪卡盘用三爪卡盘装夹工件的具体步骤为:1）工件放在卡爪间放正，先轻轻夹紧。2）开动机床，使主轴低速旋转，检查工件有无偏摆，若有偏摆则应当停车，用小锤轻轻找正，然后夹紧工件。夹紧后必须立即取下扳手，以免开车时飞出造成事故。3）移动车刀到车削行程的左端，用手转动卡盘检查刀架等是否与卡盘或工件碰撞。

2.在两顶尖间安装工件

对于较长的或必须经过多次装夹才能完成的工件，如长轴、长丝杆的车削或工序较多，在车削后还要进行各种后续加工如铣、磨的工件，为使每次装夹都能保证其装夹精度，应当采用两顶尖的安装方式，如图3-7所示。工件装夹在前后两顶尖之间，由拨盘、卡箍带动旋转。前顶尖装在车床主轴上旋转，后顶尖则装在尾座上固定不转。图3-7两顶尖间安装工件

2.在两顶尖间安装工件

这种安装方式装夹方便，不需找正，装夹精度高，适用于加工长径比4~15的实心轴，两顶夹装夹的具体操作步骤为:1)用卡盘装夹好工件，开动机床先车平工件的端面。2)缓慢均匀地摇动尾座手轮，使中心钻钻入工件端面，注意中心孔的轴线应与工件毛坯的轴线相重合。3)钻到尺寸后，让中心钻原地不动数秒钟，让中心孔圆整后再退出。重复步骤(1)、(2)加工另一端的中心孔。4)在工件的一端安装卡箍，如图3-8所示。先拧紧卡箍螺钉，再在工件的另一端中心孔里涂上润滑油(黄油)。

5)将工件置于顶尖间，根据工件尺寸调整尾座位置，保证刀架能移动到车削行程的最右端，同时尽量使尾座上的套筒伸到最短，再将尾座固定。6)转动尾座手轮，调节工件在顶尖间的松紧，做到工件能自由旋转又不能有轴向窜动，最后夹紧尾座套筒。7)将刀架移动到车削行程的最左端，用手转动拨盘及卡箍，检查这些部件均不能与刀架相碰撞。8)拧紧卡箍螺钉。

3.一夹一顶安装工件

采用一夹一顶安装就是选用一端用卡盘夹住，另一端用顶尖支撑来安装工件的加工方式。如图3-9所示。（a）用限位支撑

（b）用工件阶台限位图3-9一夹一顶安装工件

这种一夹一顶安装方式安全、可靠，能承受较大的轴向切削力，常用于长径比大于15的细长轴工件的半精加工、精加工，也适用于车削较重的工件。

安装工件时，为防止工件的轴向窜动，可在卡盘内装有一个轴向限位支撑(图3-9(a)),也可在工件的被夹持部位车削一个10~12mm的台阶作为轴向限位支撑(图3-9(b))。

操作过程中应及时调整尾座及校正车削过程中产生的锥度。3.2.4切屑液的使用

1.切削液的作用

1）冷却作用

切削液能吸收并带走切削区大量的热量，改善散热条件，降低刀具和工件的温度，因而延长了刀具的使用寿命，防止工件因热变形产生的尺寸误差，为提高生产率创造有利条件。2）润滑作用

切削液能渗透到工件与刀具、切屑之间，并能黏附在金属表面形成一层极薄的润滑膜，减少切屑、刀具与工件间的摩擦，降低切削力和切削热，减少刀具磨损，排屑顺利，提高工件的表面质量，对于精加工加注切削液至关重要。3）清洗作用

车削过程中加注有一定压力和充分流量的切削液，能有效冲走黏附在零件加工表面及刀具上的微小切屑，使切削能顺利进行。4）防锈作用

切削液能减轻工件、机床、刀具受周围介质的腐蚀作用，尤其对气候湿润的环境更为重要。

2.切削液的种类

1）乳化液

它是水和乳化油经搅拌后形成的乳白色液体，而乳化油则是一种由矿物油和表面活性乳化剂配制而成的油膏。这类切削液能冷却刀具和工件，延长刀具寿命，减少热变形，但由于水的成分较多，润滑和防锈性能较差。在乳化液中加入一定的油性剂、极压添加剂和防锈剂能提高其润滑和防锈性能，低浓度乳化液冷却效果好，主要用于粗加工；高浓度乳化液润滑效果好，主要用于精加工。2）切削油

它的主要成分为矿物油，少数采用植物油和动物油。这类切削液比热小，黏度较大，散热效果较差，但润滑效果比乳化液好。常用的切削油有10号、20号机械油、轻柴油、煤油等，黏度较低。一般切削油使用时要加入一定量的添加剂和防锈剂以提高润滑性能和防锈性能。动、植物油易变质，应尽量少用或不用。

3.切削液的选用1）根据加工性质选用（1）粗加工时，加工余量、切削用量大，产生大量切削热，因而刀具磨损快，因而要选用以冷却为主的乳化液，以降低切削温度。（2）精加工时，主要考虑要保证工件的精度和表面质量，延长刀具的使用寿命，应选用极压切削油或高浓度的极压乳化液。（3）半封闭式加工时，如深孔加工、钻孔、铰孔时排屑及散热条件均比较差，刀具磨损严重，刀刃硬度下降，而且切屑容易拉毛工件的已加工表面，因此应选用黏度极小的极压乳化液或极压切削油，并加大切削液的压力及流量，不但对工件加强冷却、润滑，还要将切屑及时地冲刷出来。

3.切削液的选用

2）根据工件材料选用（1）对于一般钢件，粗车选用乳化液，精加工则选用极压切削油。（2）车削铸铁、铸铝等脆性材料时，为避免细小切屑堵塞冷却系统，并使机床导轨磨损，一般不加切削液，但在精加工时为得到较高的表面质量可选用黏度较小的煤油或7%~10%乳化液。（3）车削有色金属或其合金时，不宜采用含硫的切削液，以免腐蚀工件。车削镁合金时不能使用切削液以免燃烧起火，必要时可使用压缩空气冷却和排屑。（4）车削难加工材料如不锈钢、耐热钢时应选用极压切削油或极压乳化液。

3.切削液的选用

3）根据刀具材料选用（1）高速钢刀具加工，在粗加工时选用乳化液，精加工时选用极压切削油或浓度较高的极压乳化液。（2）硬质合金刀具加工，为避免刀片因骤冷或骤热而产生崩裂现象，一般不使用冷却润滑液。

3.切削液的选用4）切削液使用时的注意事项（1）切削加工开始后，就应及时供给切削液，并保证连续供给和控制好切削液的流量。流量太小起不到应有的作用，流量太大则造成浪费。（2）切削液应浇注在过渡表面、切屑和前刀面接触的区城，此处产生的热量最多，因而最需要冷却润滑，图3-10所示。（3）油状乳化液必须用水稀释后才能使用，并尽量选用环保型切削液。（4）加注切削液可以采用浇注法和高压冷却法。一般普通车床都拥有冷却系统因而可以采用这种简单易行的浇注法，在半封闭加工或车削难加工材料时，则可采用高压冷却法，即以较高的压力和流量将切削液喷向切削区，图3-11所示。图3-10车削时需冷却的位置图3-11加注切削液的方法3.2.5轴类零件的加工步骤

1.车外圆的步骤

将工件安装在卡盘上随车床主轴旋转，车刀安装在刀架上随刀架纵向进给，就可车出外圆，一般操作步骤如下：1）准备

根据图纸要求检查工件的加工余量，大致确定纵向进给的次数。2）对刀

开动机床，工件旋转。左手摇动床鞍手轮，右手摇动滑板手柄，使车刀刀尖靠近并轻轻接触工件表面，以此为切削深度ɑp的零点位置。然后反向摇动床鞍手轮，使车刀向右离开工件3~5mm。3）进刀

摇动中滑板手柄，使车刀横向进给，其进给量为切削深度。4）试切削

车刀进刀后纵向移动2mm时，纵向快退，停车测量。如尺寸符合要求，就可继续切削；如尺寸过大，则可加大切削深度，反之则减少切削深度。这样试切削的过程非常必要，通过有效控制切削深度来保证工件的加工尺寸。5）正常切削

通过了试切削后就可进行正需车削。切削时可选择机动或手动纵向进给。当车削到所需部位时，退出车刀，停车测量。重复上述操作，直至尺寸加工到要求为止。6）具体步骤可参考图所示。

2.车端面的步骤

车削端面的一般步骤为:1）启动车床

使机床主轴旋转带动工件回转。2）对刀

首先作横向对刀，即横向移动车刀，使车刀刀尖靠近工件并轻轻地接触工件端面;然后再横向进给车端面，即根据对刀数值调整切削深度，然后作横向进给，如图3-13(a)所示。3）锁紧床鞍

用固定螺钉锁紧床鞍，避免车削时产生振动和轴向审动，如图3-13(b)所示。4）粗、精车端面

摇动中滑板手柄作横向进给，先粗车端面，再精车端面，可采用由工件外缘向中心(图3.13(c))也可由中心向外缘(图3-13(d))的车削方法。图3-13车削端面的一般步骤

3.车台阶的步骤

车削台阶时，既要车出外圆，又要车出环形的端面。除了要求保证外圆和台阶面的尺寸精度，还要保证台阶面与工件轴线的垂直度要求。1）车刀的选择

车刀通常选用90°外圆车刀。具体为:粗车时，加工余量多，取车刀主偏角约为85°~90°。精车时，取车刀主偏角约为93°。2）台阶车削的方法

一般分为粗、精车。车削前根据台阶长度先用刀尖在工件表面刻线痕，然后按线痕进行粗车。粗车时的台阶长度均要略短些，留出一定的用于精车的余量。精车台阶时，在机动进给至近台阶处时要以手动代替机动进给。当车至平面时，变纵向进给为横向进给，移动中滑板由里向外慢慢精车台阶平面，以保证台阶平面与垂直轴心线的垂直度。

车削低台阶时，应选用90°偏刀，按图3-14(a)所示进给方式车削；车削高台阶时，选用主偏角约为93°车刀，按图3-14(b)所示进给方式分多次进给完成车削。（a）车削低台阶（b）车削高台阶图3-14台阶的车削方法

3.车台阶的步骤

3）台阶长度的控制方法（1）刻线法。

先用钢直尺或样板量出台阶的长度尺寸，然后用车置处刻出一圈细线，按刻线痕车削。（2）用挡铁控制台阶长度。成批车前台阶轴时，可用挡铁定位来控制台阶的长度。挡铁固定在床身导轨上，并与工件上台阶a3的轴向位置一致，量块3、2的长度分别等于工件上a1、a2的长度，如图3-15(a)所示。（a）挡铁定位1、2、3为挡铁（b）床鞍刻度盘图3-15台阶长度的控制方法（3）用机床床鞍纵向进给刻度盘控制台阶长度。CA6140型车床床鞍的进给刻度1格为1mm，可利用床鞍进给时，刻度盘转动的格数来控制台阶的长度，如图3-15(b)所示。

3.车台阶的步骤

4)工件的调头找正和车削先找正卡爪处工件外圆，后找正台阶处反平面。反复多次找正后再进行切削。粗车完毕后，应再进行一次复查，防止粗车时工件的位置发生变化。5)加工时的注意事项（1）台阶平面和外圆相交处要清角，防止产生凹坑和出现小台阶。（2）一定要让机床主轴停妥后，才能进行测量。（3）台阶工件的长度测量应从一个基准面量起，以免产生累积误差。（4）注意刀具的磨损情况。刀尖圆弧较大或刀尖磨损会使平面与外圆相交处出现较大圆弧。课后练习

5.车削前车刀应如何装夹？6.车削前工件应如何装夹？7.切屑液有哪些作用？8.简述车削零件常用的加工步骤。3.3轴类零件的加工实例