第2章 軸類零件加工工藝編制及實施
　　* 軸類零件概述。
　　* 軸類零件外圓表面的粗、精加工方法。
　　* 軸類零件外圓表面加工常用設備。
　　* 軸類零件外圓表面加工常用刀具。
　　* 軸類零件加工常用裝夾方式。
　　* 軸類零件的測量。
　　* 簡單軸類零件的加工工藝分析。
　　* 具有軸類零件工藝性分析能力。
　　* 掌握軸類零件毛坯的選擇方法。
　　* 具有編制簡單軸類零件機械加工工藝過程卡的能力。
　　* 具有編制簡單軸類零件機械加工工序卡的能力。
　　* 初步具備較復雜軸類零件的工藝路線編寫能力。
　　2.1 工作場景導入
　　【工作場景】
　　工作對象：8E160C-J型機油泵傳動軸零件圖、機油泵部件裝配圖分別如圖2-1、圖2-2所示，現(xiàn)為中小批量生產(chǎn)。
　　任務要求：編制傳動軸零件的機械加工工藝過程卡、機械加工工序卡；在條件允許的情況下操作機床加工零件、驗證工藝的合理性。
　　【引導問題】
　　(1) 仔細閱讀傳動軸零件圖，回顧1.3節(jié)知識點--零件的工藝性分析，檢查零件圖的完整性和正確性；根據(jù)各校實際制造能力分析審查零件的結(jié)構(gòu)、尺寸精度、形位精度、表面粗糙度、材料及熱處理等技術(shù)要求是否合理，是否便于加工和加工的經(jīng)濟性。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)工藝性的一般原則，判斷該零件的結(jié)構(gòu)工藝性是否良好？如果結(jié)構(gòu)工藝性不好，如何改進？
　　(2) 回顧1.4節(jié)知識點--毛坯的選擇，如何選擇傳動軸零件毛坯？如何確定傳動軸零件毛坯尺寸？
　　(3) 一般軸類零件的功用、結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求、材料、毛坯及熱處理有哪些內(nèi)容？
　　(4) 一般軸類零件外圓表面加工方法有哪些？如何選擇？
　　(5) 軸類零件常用外圓表面加工設備有哪些？如何選擇？
　　(6) 軸類零件的外圓表面常用加工刀具有哪些？如何選擇？
　　(7) 如何測量軸類零件的外徑？
　　(8) 企業(yè)生產(chǎn)參觀實習。
　　① 生產(chǎn)現(xiàn)場加工哪些軸類零件？批量如何？采用什么毛坯？
　　② 生產(chǎn)現(xiàn)場各種軸類零件加工工藝有何特點？一般使用什么機床加工？采用何種刀具？使用哪種量具測量？工件如何夾緊？
　　2.2 基 礎(chǔ) 知 識
　　【學習目標】了解一般軸類零件的功用及結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求，軸類零件的材料、毛坯及熱處理。
　　2.2.1 軸類零件的功用及結(jié)構(gòu)特點
　　軸類零件是一種常用的典型零件，主要用于支承齒輪、帶輪等傳動零件及傳遞運動和扭矩，故其結(jié)構(gòu)組成中具有許多外圓、軸肩、螺紋、螺尾退刀槽、砂輪越程槽和鍵槽等。外圓用于安裝軸承、齒輪、帶輪等；軸肩用于軸上零件和軸本身的軸向定位；螺紋用于安裝各種鎖緊螺母和高速螺母；螺尾退刀槽供加工螺紋時退刀用；砂輪越程槽則是為了能完整地磨削出外圓和端面等；鍵槽用來安裝鍵，以傳遞扭矩。
　　軸類零件的種類如圖2-3所示。
　　圖2-3 軸的種類
　　2.2.2 軸類零件的技術(shù)要求
　　軸通常是由其軸頸支承在機器的機架或箱體上，實現(xiàn)運動和動力的傳遞。根據(jù)其功用及工作條件，軸類零件的技術(shù)要求通常包括以下幾個方面。
　　(1) 尺寸精度和形狀精度。軸類零件的尺寸精度主要是指軸的直徑尺寸精度。軸上支承軸頸和配合軸頸(裝配傳動件的軸頸)的尺寸精度和形狀精度是軸的主要技術(shù)要求之一，它將影響軸的回轉(zhuǎn)精度和配合精度。
　　(2) 位置精度。為保證軸上傳動件的傳動精度，必須規(guī)定支承軸頸與配合軸頸的位置精度。通常以配合軸頸相對于支承軸頸的徑向圓跳動或同軸度來保證。
　　(3) 表面粗糙度。軸上的表面以支承軸頸的表面質(zhì)量要求最高，其次是配合軸頸或工作表面。這是保證軸與軸承以及軸與軸上傳動件正確可靠配合的重要因素。
　　在生產(chǎn)實際中，軸頸的尺寸精度通常為IT6～IT9，精密的軸頸可達IT5；一般軸的形狀精度應控制在直徑公差范圍之內(nèi)；精密軸頸的形狀精度應控制在直徑公差的1/5～l/2之內(nèi)。表面粗糙度Ra值，支承軸頸一般為0.63～0.16mm，配合軸頸一般為2.5～0.63mm；配合軸頸對支承軸頸的徑向圓跳動一般為0.01～0.03 mm，高精度軸為0.001～0.005 mm。
　　2.2.3 軸類零件的材料、毛坯及熱處理
　　1. 材料
　　一般軸類零件的材料常用綜合力學性能優(yōu)異且價格較便宜的45鋼，這種材料經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火后，能得到較好的切削性能及較高的強度和一定的韌性，具有較好的綜合力學性能。對于中等精度且轉(zhuǎn)速較高的軸類零件，可選用40Cr等合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火處理后具有較好的綜合力學性能。對于較高精度的軸，可選用軸承鋼GCr15和彈簧鋼65Mn等材料，經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面高頻感應加熱淬火后再回火，表面硬度可達50～58HRC，并具有較高的耐疲勞性能和較好的耐磨性。對于高轉(zhuǎn)速和重載荷軸，可選用20CrMnTi、20Cr等滲碳鋼或38CrMoAl滲氮鋼，經(jīng)過淬火或氮化處理后獲得更高的表面硬度、耐磨性和心部強度。
　　2. 熱處理
　　軸的質(zhì)量除與所選的鋼材種類有關(guān)，還與熱處理有關(guān)。軸的鍛造毛坯在機械加工之前，均需進行正火或退火(高碳鋼)處理，使鋼材的晶粒細化，以消除殘余應力，降低毛坯硬度，改善切削加工性能。
　　凡要求局部表面淬火以提高耐磨性的軸，須在淬火前安排調(diào)質(zhì)處理(有的采用正火)。當毛坯加工余量較大時，調(diào)質(zhì)放在粗車之后、半精車之前，使粗加工產(chǎn)生的殘余應力能在調(diào)質(zhì)時消除；當毛坯加工余量較小時，調(diào)質(zhì)可安排在粗車之前進行。表面淬火一般放在精加工之前，可以保證淬火引起的局部變形在精加工中得到糾正。
　　對于精度要求較高的軸，在局部淬火和粗磨之后，還需安排低溫時效處理，以消除淬火和磨削中產(chǎn)生的殘余應力和殘余奧氏體，控制尺寸穩(wěn)定；對于整體淬火的精密主軸，在淬火后，還要進行定性處理，定性處理一般采用冰冷處理方法，以進一步消除加工應力，保持主軸精度。
　　3. 軸類零件的毛坯
　　毛坯制造方法主要與零件的使用要求和生產(chǎn)類型有關(guān)。光軸或直徑相差不大的階梯軸，一般常用熱軋圓棒料毛坯。當成品零件尺寸精度與冷拉圓棒料相符合時，其外圓可不進行車削，這時可采用冷拉圓棒料毛坯。比較重要的軸多采用鍛件毛坯。由于毛坯加熱鍛打后，能使金屬內(nèi)部晶格組織沿表面均勻分布，從而能得到較高的機械強度。對于某些大型、結(jié)構(gòu)復雜的軸(如曲軸等)，可采用鑄件毛坯。
　　2.3 軸類零件表面加工方法
　　【學習目標】掌握軸類零件外圓車削、外圓磨削、外圓表面的光整加工方法，并掌握外圓加工方法的選擇。
　　軸類零件的主要加工表面是外圓，常用的加工方法有車削、磨削和光整加工3種。
　　2.3.1 外圓車削
　　車外圓是車削加工中最常見、最基本和最有代表性的加工方法，是加工外圓表面的主要方法，既適用于單件、小批量生產(chǎn)，也適用于成批、大量生產(chǎn)。單件、小批量、中批量生產(chǎn)中常采用臥式車床加工；成批、大量生產(chǎn)中常采用轉(zhuǎn)塔車床和自動、半自動車床加工；對于大尺寸工件常采用大型立式車床加工；對于高精度的復雜零件，宜采用數(shù)控車床加工。
　　車削外圓一般分為粗車、半精車、精車和精細車。
　　1. 粗車
　　粗車的主要任務是迅速切除毛坯上多余的金屬層，通常采用較大的背吃刀量、較大的進給量和中速車削，以盡可能提高生產(chǎn)率。車刀應選取較小的前角、后角和負值的刃傾角，以增強切削部分的強度。粗車尺寸精度等級為ITl3～IT11，表面粗糙度Ra為50～12.5μm，故可作為低精度表面的最終加工和半精車、精車的預加工。
　　2. 半精車
　　半精車是在粗車之后進行的，可進一步提高工件的精度和降低表面粗糙度。它可作為中等精度表面的終加工，也可作為磨削或精車前的預加工。半精車尺寸精度等級為IT10～IT9，表面粗糙度Ra為6.3～3.2μm。
　　3. 精車
　　精車一般是在半精車之后進行的作為較高精度外圓的終加工或作為光整加工的預加工，通常在高精度車床上加工，以確保零件的加工精度和表面粗糙度符合圖樣要求。一般采用很小的切削深度和進給量進行低速或高速車削。低速精車一般采用高速鋼車刀，高速精車常用硬質(zhì)合金車刀。車刀應選用較大的前角、后角和正值的刃傾角，以提高表面質(zhì)量。精車尺寸精度等級為IT8～IT6，表面粗糙度Ra為1.6～0.2μm。
　　4. 精細車
　　精細車所用車床應具有很高的精度和剛度。刀具采用金剛石或細晶粒的硬質(zhì)合金，經(jīng)仔細刃磨和研磨后可獲得很鋒利的刀刃。切削時，采用高的切削速度、小的背吃刀量和小的進給量。其加工精度可達IT6以上，表面粗糙度Ra在0.4μm以下。精細車常用于高精度中、小型有色金屬零件的精加工或鏡面加工，因有色金屬零件在磨削時產(chǎn)生的微細切屑極易堵塞砂輪氣孔，使砂輪磨削性能迅速變壞；也可用于加工大型精密外圓表面，以代替磨削，提高生產(chǎn)率。
　　值得注意的是，隨著刀具材料的發(fā)展和進步，過去淬火后的工件只能用磨削加工方法的局面有所改變，特別是在維修等單件加工中，可以采用金剛石車刀、CBN車刀或涂層刀具直接車削硬度達62HRC的淬火鋼。
　　2.3.2 外圓磨削
　　磨削是外圓表面精加工的主要方法。它既能加工淬火的黑色金屬零件，也可以加工不淬火的黑色金屬和有色金屬零件。外圓磨削根據(jù)加工質(zhì)量等級分為粗磨、精磨、精密磨削、超精密磨削和鏡面磨削。一般磨削加工后工件的精度可達到IT8～IT7，表面粗糙度Ra為1.6～0.8μm；精磨后工件的精度可達IT7～IT6，表面粗糙度Ra為0.8～0.2μm。常見的外圓磨削應用如圖2-4所示。
　　1. 普通外圓磨削
　　根據(jù)工件的裝夾狀況，普通外圓磨削分為中心磨削法和無心磨削法兩類。
　　(1) 中心磨削法。工件以中心孔或外圓定位，根據(jù)進給方式的不同，中心磨削又可分為以下幾種磨削方法。
　　圖2-4 外圓磨削加工的應用
　�、� 縱磨法。如圖2-5(a)所示，磨削時工件隨工作臺做直線往復縱向進給運動，工件每往復一次(或單行程)，砂輪橫向進給一次。由于走刀次數(shù)多，故生產(chǎn)率較低，但能獲得較高的精度和較小的表面粗糙度，因而應用較廣泛，適于磨削長度與砂輪寬度之比大于3的工件。
　�、� 橫磨法。如圖2-5(b)所示，工件不做縱向進給運動，砂輪以緩慢的速度連續(xù)或斷續(xù)地向工件做徑向進給運動，直至磨去全部余量為止。橫磨法生產(chǎn)效率高，但磨削時發(fā)熱量大，散熱條件差，且徑向力大，故一般只用于大批量生產(chǎn)中磨削剛性較好、長度較短的外圓及兩端都有臺階的軸頸。
　　圖2-5 外圓磨削方式/類型
　�、� 綜合磨削法。如圖2-5(c)所示，先用橫磨法分段粗磨被加工表面的全長，相鄰段搭接處過磨5～15mm，留下0.01～0.03mm的余量，然后用縱磨法進行精磨。此法兼有橫磨法的高效率和縱磨法的高質(zhì)量，適用于成批生產(chǎn)中剛性好、長度大、余量多的外圓面。
　�、� 深磨法。如圖2-5(d)所示是一種生產(chǎn)率高的先進方法，磨削余量一般為0.1～0.35mm，縱向進給長度較小(1～2mm)，適用于在大批、大量生產(chǎn)中磨削剛性較好的短軸。
　　(2) 無心磨削法。如圖2-6所示，無心磨削直接以磨削表面定位，用托板支承著放在砂輪與導輪之間進行磨削，工件的軸心線稍高于砂輪與導輪連線的中心，無須在工件上鉆出頂尖孔。磨削時，工件靠導輪與工件之間的摩擦力帶動旋轉(zhuǎn)，導輪采用摩擦系數(shù)大的結(jié)合劑(橡膠)制造。導輪的直徑較小、速度較低，一般為20～80m/min；而砂輪速度則大大高于導輪速度，是磨削的主運動，它擔負著磨削工件表面的重任。無心磨削操作簡單、效率較高，易于自動加工，但機床調(diào)整復雜，故只適用于大批生產(chǎn)。無心磨削前工件的形狀誤差會影響磨削的加工精度，且不能改善加工表面與工件上其他表面的位置精度，也不能磨削有斷續(xù)表面的軸。
　　圖2-6 無心外圓磨削
　　1-砂輪；2-托盤；3-導輪：4-工件；5-擋桿
　　根據(jù)工件是否需要軸向運動，無心磨削方法分為以下兩種。
　�、� 通磨(貫穿縱磨)法，適用于不帶臺階的圓柱形工件，如圖2-6(b)所示。
　�、� 切入磨(橫磨)法，適用于階梯軸和有成形回轉(zhuǎn)表面的工件，如圖2-6(c)所示。
　　與中心磨削法相比，無心磨削法具有以下工藝特征。
　　① 無須打中心孔且裝夾工件省時省力，可連續(xù)磨削，故生產(chǎn)效率高。
　�、� 尺寸精度較好，但不能改變工件原有的位置誤差。
　�、� 支承剛度好，剛度差的工件也可采用較大的切削用量進行磨削。
　　④ 容易實現(xiàn)工藝過程的自動化。
　�、� 有一定的圓度誤差產(chǎn)生，圓度誤差一般不小于0.002mm。
　�、� 所能加工的工件有一定局限，不能磨帶槽工件(如有鍵槽、花鍵和橫孔的工件)，也不能磨內(nèi)外圓同軸度要求較高的工件。
　　2. 高效磨削
　　以提高效率為主要目的的磨削均屬高效磨削，其中以高速磨削、寬砂輪、強力磨削與多砂輪磨削和砂帶磨削在外圓加工中較為常用。
　　(1) 高速磨削。它是指砂輪速度大于50m/s的磨削(砂輪速度低于35m/s的磨削為普通磨削)。砂輪速度提高，增加了單位時間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)。如果保持每顆磨粒切去的厚度與普通磨削時一樣，即進給量呈比例增加，磨去同樣余量的時間則按比例縮短；如果進給量仍與普通磨削相同，則每顆磨粒切去的切削厚度減少，提高了砂輪的耐用度，減少了修整次數(shù)。
　　(2) 強力磨削。它是指采用較高的砂輪速度、較大的背吃刀量(背吃刀量一次可達6mm，甚至更大)和較小的軸向進給，直接從毛坯上磨出加工表面的方法。它可以代替車削和銑削進行粗加工，生產(chǎn)率很高，但要求磨床、砂輪及切削液供應均應與之相匹配。
　　(3) 寬砂輪與多砂輪磨削。寬砂輪與多砂輪磨削，實質(zhì)上就是用增加砂輪的寬度來提高磨削生產(chǎn)率。一般外圓砂輪寬度僅有50mm左右，寬砂輪外圓磨削時砂輪寬度可達300mm。
　　(4) 砂帶磨削。砂帶磨削是根據(jù)被加工零件的形狀選擇相應的接觸方式，在一定壓力下，使高速運動著的砂帶與工件接觸產(chǎn)生摩擦，從而使工件加工表面余量逐步磨除或拋磨光滑的磨削方法，如圖2-7所示。砂帶是一種單層磨料的涂覆磨具，靜電植砂砂帶不但具有磨粒鋒利、定向排布、容屑排屑空間大和一定的彈性的特點，還具有生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好、發(fā)熱少、設備簡單、應用范圍廣等特點(可用來磨削曲面)，擁有"冷態(tài)磨削"和"萬能磨削"的美譽，即使磨削銅、鋁等有色金屬也不覆塞磨粒，而且干磨也不燒傷工件。砂帶磨削類型可有外圓、內(nèi)孔、平面、曲面等。砂帶可以是開式，也可以是環(huán)形閉式。外圓砂帶磨削變通靈活，實施方便(結(jié)構(gòu)布局見表2-1)，近年來獲得了極大的發(fā)展，發(fā)達國家砂帶磨削與砂輪磨削的材料磨除量已達到1∶1。
　　圖2-7 砂帶磨削
　　1-工件；2-砂帶；3-張緊輪：4-接觸輪；5-導輪
　　表2-1 外圓砂帶磨削實施原理與結(jié)構(gòu)方案布局
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