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3.4 典型轴类零件加工工艺分析课件(共33张PPT)

花匠小妙招
2026-01-06 10:36

资源简介

(共33张PPT)
第3章轴类零件的加工
3.1 概述
3.2 轴类零件外圆表面的加工
3.3 外圆表面加工常用工艺装备
3.4 典型轴类零件加工工艺分析
思考题与习题
3.4 典型轴类零件加工工艺分析
3.4.1 CA6140型卧式车床主轴加工工艺
　　主运动为回转运动的各种金属切削机床的主轴，是轴类零件中最有代表性的零件。主轴上通常有内、外圆柱面和圆锥面，以及螺纹、键槽、花键、横向孔、沟槽、凸缘等不同形式的几何表面。主轴的精度要求高，加工难度大，如果对主轴加工中的一些重要问题（如基准的选择、工艺路线的拟定等）能作出正确的分析和解决，则其它轴类零件的加工就能迎刃而解。本节以CA6140型卧式车床主轴为例，分析轴类零件的加工工艺。图3-30所示为CA6140车床主轴简图，其材料为45钢。
图3-30 CA6140型卧式车床主轴简图
　　1. 主轴的功用及技术要求分析?
　　(1) 支承轴颈。主轴的两支承轴颈A、B与相应轴承的内孔配合，是主轴组件的装配基准，其制造精度将直接影响到主轴组件的旋转精度。当支承轴颈不同轴时，主轴产生径向圆跳动，影响以后车床使用时工件的加工质量，所以对支承轴颈提出了很高要求。尺寸精度按IT5级制造，两支承轴颈的圆度公差为0.005 mm，径向跳动公差为0.005 mm，表面粗糙度Ra值为 0.4 μm。
　　(2) 装夹表面。主轴前端锥孔是用于安装顶尖或心轴的莫氏锥孔，其中心线必须与支承轴颈中心线严格同轴，否则会使工件产生圆度、同轴度误差，主轴锥孔锥面的接触率要大于75%；锥孔对支承轴颈A、B的圆跳动允差：近轴端为 0.005 mm，距轴端300 mm处为0.01 mm，表面粗糙度Ra值为0.4 μm。 ?
　　主轴前端短圆锥面是安装卡盘的定心表面。为了保证卡盘的定心精度，短圆锥面必须与支承轴颈同轴，端面必须与主轴回转中心垂直。短圆锥面对支承轴颈A、B的圆跳动允差为 0.008 mm，端面对支承轴颈中心的端面跳动允差为 0.008 mm，表面粗糙度Ra值为0.8 μm。
　　(3) 螺纹表面。主轴的螺纹表面用于锁紧螺母的配合。当螺纹表面中心线与支承轴颈中心线歪斜时，会引起主轴组件上锁紧螺母的端面跳动，导致滚动轴承内圈中心线倾斜，引起主轴径向跳动，所以加工主轴上的螺纹表面时，必须控制其中心线与支承轴颈中心线的同轴度。 ?
　　(4) 轴向定位面。主轴轴向定位面与主轴回转轴线要保证垂直，否则会使主轴周期性轴向窜动，影响被加工工件的端面平面度，加工螺纹时则会造成螺距误差。 ?
　　(5) 其它技术要求。为了提高零件的综合力学性能，除以上对各表面的加工要求外，还制定了有关的材料选用、热处理等要求。
　　2. 主轴的机械加工工艺过程?
　　经上述对主轴结构特点和技术要求进行分析后，接下来根据生产批量、设备条件，结合轴类零件的加工特点，考虑主轴的加工工艺过程。表3-10所示为单件小批生产时主轴的加工工艺过程。
表3-10 CA6140型卧式车床主轴加工工艺过程
表3-10 CA6140型卧式车床主轴加工工艺过程
表3-10 CA6140型卧式车床主轴加工工艺过程
　　3. 主轴加工工艺分析?
　　(1) 定位基准的选择。主轴主要表面的加工顺序，在很大程度上取决于定位基准的选择。轴类零件本身的结构特征和主轴上各主要表面的位置精度要求都决定了以轴线为定位基准是最理想的。这样既基准统一，又使定位基准与设计基准重合。一般多以外圆为粗基准，以轴两端的顶尖孔为精基准。具体选择时还要注意： ?
　　① 当各加工表面间相互位置精度要求较高时，最好在一次装夹中完成各个表面的加工。
　　② 粗加工或不能用两端顶尖孔定位（如加工主轴锥孔）时，为提高工件加工时工艺系统的刚度，可只用外圆表面定位或用外圆表面和一端中心孔作定位基准。在加工过程中，应交替使用轴的外圆和一端中心孔作定位基准，以满足相互位置精度要求。
　　③ 主轴是带通孔的零件，在通孔钻出后将使原来的顶尖孔消失。为了仍能用顶尖孔定位，一般均采用带有顶尖孔的锥堵或锥套心轴，如图3-31所示。当主轴孔的锥度较大（如铣床主轴）时，可用锥套心轴，当主轴锥孔的锥度较小（如CA6140机床主轴）时，可采用锥堵。必须注意，使用的锥套心轴和锥堵应具有较高的精度并尽量减少其安装次数。锥堵和锥套心轴上的中心孔既是其本身制造的定位基准，又是主轴外圆精加工的基准，因此必须保证锥堵或锥套心轴上的锥面与中心孔有较高的同轴度。若为中小批生产，则工件在锥堵上安装后一般中途不更换。若外圆和锥孔需反复多次互为基准进行加工，则在重装锥堵或心轴时，必须按外圆找正，或重新修磨中心孔。
图3-31 锥堵与锥套心轴
（a）锥堵；（b）锥套心轴
　　从以上分析来看，表3-10所示的主轴加工工艺过程中选择定位基准正是这样考虑安排的。工艺过程一开始就以外圆作粗基准铣端面钻中心孔，为粗车准备了定位基准，而粗车外圆则为钻深孔准备了定位基准；此后，为了给半精加工、精加工外圆准备定位基准，又先加工好前后锥孔，以便安装锥堵，即可用锥堵上的两中心孔作定位基准；最后，在磨锥孔前磨好轴颈表面，为的是将支承轴颈作定位基准。上述定位基准选择各工序兼顾，也体现了互为基准原则。
　　(2) 加工阶段的划分。由表3-10所示的主轴加工工艺过程可知，根据粗、精加工分开原则来划分阶段极为重要。这是由于主轴毛坯余量较大且不均匀，当切除大量金属后，会引起内应力重新分布而变形。因此，主轴加工通常以主要表面加工为主线，划分为三个阶段：粗加工阶段，包括粗车各档外圆、钻中心通孔等；半精加工阶段，包括半精车各档外圆及两端锥孔、精车中心通孔等；精加工阶段，包括粗、精磨各档外圆或锥孔。其它次要表面适当穿插在各个阶段进行。各阶段的划分大致以热处理为界，将整个加工过程按粗、精加工划分为不同的阶段，这是制订工艺规程的一个原则，目的是为了保证加工质量和降低生产费用。一般精度的主轴，精磨为最终工序。对于精密主轴，还应有光整加工阶段。
　　(3) 热处理工序的安排。在主轴加工的整个工艺过程中，应安排足够的热处理工序，以保证主轴力学性能及加工精度要求，并改善工件加工性能。 ?
　　一般在主轴毛坯锻造后，首先安排正火处理，以消除锻造内应力，细化晶粒，改善机加工时的切削性能。 ?
　　在粗加工阶段，经过粗车、钻孔等工序，主轴的大部分加工余量被切除。粗加工过程中切削力和发热都很大，在力和热的作用下，主轴产生很大内应力，通过调质处理可消除内应力，代替时效处理，同时可以得到所要求的韧性，所以粗加工后应安排调质处理。 ?
　　半精加工后，除重要表面外，其他表面均已达到设计尺寸。重要表面仅剩精加工余量，这时对支承轴颈、配合轴颈、锥孔等安排淬火处理，使之达到设计的硬度要求，保证这些表面的耐磨性。而后续的精加工工序可以消除淬火的变形。
　　(4) 加工顺序的安排。机加工顺序的安排依据“基面先行，先粗后精，先主后次”的原则进行。对主轴零件一般是准备好中心孔后，先加工外圆，再加工内孔，并注意粗精加工分开进行。在CA6140型卧式车床主轴加工工艺中，以热处理为标志，调质处理前为粗加工，淬火处理前为半精加工，淬火后为精加工。这样把各阶段分开后，保证了主要表面的精加工最后进行，不致因其它表面加工时的应力影响主要表面的精度。 ?
　　在安排主轴工序的次序时，还应注意几点： ?
　　① 深孔加工应安排在调质以后进行。因为调质处理变形较大，所以深孔产生弯曲变形将难以纠正，不仅影响以后机床使用时棒料的通过，而且会引起主轴高速旋转的不平衡。此外，深孔加工还应安排在外圆粗车或半精车之后，以便有一个较精确的轴颈作定位基准，保证孔与外圆同心，使主轴壁厚均匀。若仅从定位基准考虑，希望始终用中心孔定位，避免使用锥堵，那么深孔加工安排到最后为好，但深孔加工是粗加工，发热量大，破坏外圆加工精度，所以深孔加工只能在半精加工阶段进行。
　　② 外圆表面加工时应先加工大直径外圆，然后加工小直径外圆，以免一开始就降低了工件的刚度。 ?
　　③ 主轴上的花键、键槽等次要表面的加工一般应安排在外圆精车或粗磨之后，精磨外圆之前进行。因为如果在精车前就铣出键槽，一方面，在精车时，由于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，键槽的尺寸要求也难以保证。这些表面加工也不宜安排在主要表面精磨后进行，以免破坏主要表面的精度。 ?
　　④ 主轴上螺纹表面加工宜安排在主轴局部淬火之后进行，以免由于淬火后的变形而影响螺纹表面和支承轴颈的同轴度。
　（5）主轴锥孔的磨削。轴的前端锥孔是安装顶尖或定位心轴的定位基准，它的质量好坏直接影响到车床的质量，所以主轴锥孔磨削是轴加工的关键工序。 ?
　　对轴前端锥孔除对其本身精度、接触面积有较高要求外，对它的中心线与轴的支承轴颈的同轴度也有较严格的要求。为了保证同轴度的要求，轴的锥孔磨削工序一般选支承轴颈为定位基准。 ?
　　单件小批生产时，可在一般磨床上进行加工。尾端夹持在四爪卡盘上，前端用中心架支承在前锥附近的精密外圆上，经过严格地校正后方可进行加工。这种方法辅助时间长，生产效率低，质量不稳定。成批生产时大都采用专用夹具进行加工。
3.4.2 带轮轴加工工艺?
　　图3-32所示为带轮轴工作图样。生产类型为小批生产，材料为15钢。带轮轴中的主要技术条件有两项：一为渗碳层深度，应控制在1.2～1.5 mm范围内；二为外圆￠ 22f7需经渗碳淬火，其硬度为58～63HRC。可以看出，只有￠ 22f7处需渗碳处理，其余部分均不可渗碳。零件上不需渗碳的部分，可加大余量待渗碳后车去渗碳层或在不需渗碳处涂防渗材料。加工余量应单面略大于渗碳深度，故右端直径取425 mm，单面去碳余量为2.5 mm，总长两端也应有渗碳余量各3 mm。由于在磨外圆前已经过淬火工序，两端中心孔在淬火时易产生氧化皮及变形，因此增加了一道研磨中心孔的工序。表3-11为带轮轴的加工工艺过程。
图3-32 带轮轴工作图样
表3-11 带轮轴加工工艺过程
3.4.3 细长轴加工工艺?
　　1. 细长轴车削的工艺特点?
　　(1) 细长轴刚性很差，车削时装夹不当，很容易因切削力及重力的作用而发生弯曲变形，产生振动，从而影响加工精度和表面粗糙度。 ?
　　(2) 细长轴的热扩散性能差，在切削热作用下，会产生相当大的线膨胀。如果轴的两端为固定支承，则工件会因伸长而顶弯。 ?
　　(3) 由于轴较长，因此一次走刀时间长，刀具磨损大，从而影响零件的几何形状精度。
　　(4) 车细长轴时由于使用跟刀架，若支承工件的两个支承块对零件压力不适当，则会影响加工精度。若压力过小或不接触，就不起作用，不能提高零件的刚度；若压力过大，则零件被压向车刀，切削深度增加，车出的直径就小（见图3-33（a）），当跟刀架继续移动后，支承块支承在小直径外圆处，支承块与工件脱离，切削力使工件向外让开，切削深度减小，车出的直径变大（见图3-33(b)），以后跟刀架又跟到大直径圆上，又把工件压向车刀，使车出的直径变小（见图3-33（c）），这样连续有规律地变化，就会把细长的工件车成“竹节”形（见图3-33（d））。
图3-33 车细长轴时， “竹节”形的形成过程
　　2. 反向走刀车削法?
　　(1) 细长轴左端缠有一圈钢丝，利用三爪自定心卡盘夹紧，减小接触面积，使工件在卡盘内能自由地调节其位置，避免夹紧时形成弯曲力矩，在切削过程中发生的变形也不会因卡盘夹死而产生内应力。 ?
　　(2) 尾座顶尖改成弹性顶尖，当工件因切削热发生线膨胀伸长时，顶尖能自动后退，可避免热膨胀引起的弯曲变形。 ?
　　(3) 采用三个支承块跟刀架，以提高工件刚性和轴线的稳定性，避免产生“竹节”形。 ?
　　(4) 改变走刀方向，使床鞍由主轴箱向尾座移动，使工件受拉，不易产生弹性弯曲变形。
图3-34 反向走刀车削法
思考题与习题
　　3-1 对轴类零件的技术要求有哪些？在编制轴类零件的工艺过程时要考虑哪些?因素？??
　　3-2 外圆表面常用的加工方法有哪些？如何选用？?
　　3-3 提高外圆表面车削生产率的主要措施有哪些？?
　　3-4 在车床上车锥面有哪些方法？各适用于哪些场合？?
　　3-5 磨削与其它切削加工相比，有什么特点？为什么磨削能获得高的尺寸精度和较小的表面粗糙度？
　　3-6 无心磨削有何特点？无心磨削时如何提高工件的圆度？
　　3-7 主轴加工时，采用哪些表面为粗基准和精基准？为什么？安排主轴加工顺序时，应注意哪些问题？?
　　3-8 编制图3-35所示小轴零件的机械加工工艺过程，其中，生产类型：大批生产；零件材料：45钢。
图3-35 题3-8图