第五章典型零件工藝分析

第五章典型零件工藝分析（P70）§5—1軸類零件加工工藝一、軸類零件的功用與結(jié)構(gòu)1、功用軸類零件在機(jī)器中的主要作用就是：用來支承傳動零件（如齒輪、帶輪、凸輪等），傳遞轉(zhuǎn)矩，承受載荷并保證在軸上的零件（或刀具）具有一定的回轉(zhuǎn)精度。2．結(jié)構(gòu)及分類

軸類零件其結(jié)構(gòu)特征屬于長徑比大的回轉(zhuǎn)體，其加工表面有內(nèi)外圓柱面、圓錐面、以及螺紋、花鍵、鍵槽、橫向孔、溝槽等

分類：（1）按軸零件結(jié)構(gòu)形狀不同，可分為光軸、空心軸、半軸、階梯軸、花鍵軸、十字軸、偏心軸、曲軸、凸輪軸等。（見圖5-1）（2）按長徑比不同又可分為剛性軸和撓性軸兩類。剛性軸（L/d≤12）如機(jī)床主軸撓性軸（L/d大于12）如絲桿、光桿等。二、軸類零件的材料與毛坯1.材料

軸類零件的材料一般采用碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼兩類。碳素結(jié)構(gòu)鋼以中碳鋼45號鋼應(yīng)用最多，這類鋼料選用時，一般須經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火等熱處理來獲得一定的強(qiáng)度和硬度，以增強(qiáng)材料表面的韌性和耐磨性；對轉(zhuǎn)速和進(jìn)度要求較高的軸則可采用中碳合金鋼，如40Cr、35SiMn、38SiMnMo等；對高轉(zhuǎn)速、重載荷條件下工作的軸可采用低碳合金鋼，如20Cr、20CrMnTi等。這類合金鋼選用時，須經(jīng)滲碳淬火處理，使其中心部分的材質(zhì)保持良好的韌性，而表層金屬又能獲得較高的硬度，提高其耐磨性和綜合力學(xué)性能。但熱處理后材料變形較大（這就要求加工時留有較大的余量）若要熱處理變形小，還可以選用氮化鋼38CrMoAl（鉻鉬鋁），這種材料經(jīng)調(diào)質(zhì)和滲氮后，不僅會具有良好的耐磨性和抗疲勞性能，其熱處理變形也比較小。對于一些形狀比較復(fù)雜的軸類零件還可選用球墨鑄鐵、高強(qiáng)度鑄鐵，如曲軸。（因?yàn)殍T鐵的成型較好，適用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸類零件）。2．毛坯軸類零件的毛坯選用應(yīng)根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)形狀合理選用。一般的光軸或直徑相差不大的階梯軸大多采用熱軋或冷拉的圓鋼棒料；直徑相差較大的階梯軸和一些對力學(xué)性能要求比較高的重要的軸大都采用鍛件毛坯；結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸類零件則可采用鑄鋼或鑄鐵毛坯。三、軸類零件的主要技術(shù)要求軸類零件的技術(shù)要求是指：設(shè)計(jì)者根據(jù)軸類零件的主要功用和使用條件而確定的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，主要包括：加工精度、表面粗糙度和其他方面的技術(shù)要求。1．加工精度

軸的加工精度包括其結(jié)構(gòu)要素的尺寸精度、形狀精度和位置精度。（1）尺寸精度軸的尺寸精度主要是指軸頸的直徑尺寸精度和軸頸的長度尺寸精度。對于主要支承軸頸，其精度常為：IT9～TI6；高精度軸頸可達(dá)IT5。軸頸的長度尺寸精度一般要求不高，大多按一般公差要求處理，要求較高時，可按0.05～0.2的公差設(shè)計(jì)。（2）形狀精度軸的形狀精度主要是指軸頸的圓度、圓柱度。由于軸頸的形狀精度會直接影響軸頸的裝配質(zhì)量和回轉(zhuǎn)精度，因此，一般要求軸頸的形狀精度應(yīng)限制在其直徑公差范圍之內(nèi)（即形狀公差應(yīng)小于其直徑的尺寸公差）。要求較高時可取直徑公差的1/2～1/4，或另外規(guī)定允許偏差。（如最大實(shí)體狀態(tài)的零形狀公差要求等）（3）位置精度軸的位置精度主要是指配合軸頸的軸線相對支承軸頸軸線的同軸精度；或配合軸頸相對支承軸頸軸線的圓跳動；以及軸肩端面相對軸線的垂直精度等。普通精度的軸，同軸度誤差一般應(yīng)控制在φ0.01～φ0.03范圍；高精度的軸可控制在φ0.005～φ0.01范圍。2.表面粗糙度軸類零件的表面粗糙度一般應(yīng)根據(jù)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和尺寸精度等級來決定，（運(yùn)轉(zhuǎn)速度高或相對尺寸精度要求較高時，表面粗糙度值相應(yīng)也應(yīng)較小。

通常支承軸頸的Ra值一般為0.8～0.2um；配合軸頸的Ra值一般為3.2～0.2um。3.其他要求主要是指：根據(jù)軸類零件的材料和使用條件提出的熱處理方面的技術(shù)要求，如正火、調(diào)質(zhì)和表面淬火等。這些要求都必須在相關(guān)的技術(shù)文件上加以說明和標(biāo)注。四、臥式車床主軸加工工藝過程分析（見P71、圖5-2）1．零件分析據(jù)圖分析可知：該車床主軸是一帶有通孔的多階臺軸（表面有十多個不同直徑的軸頸）加工等級為普通精度等級（最高精度為IT5～I(xiàn)T6）材料為45碳素鋼，生產(chǎn)類型為大批生產(chǎn)。（1）主要表面及其精度要求

1）支承軸頸是兩個錐度為1:12的圓錐面，（見圖，裝配時分別與兩個雙列短圓錐軸承相配合）由于支承軸頸是主軸部件的裝配基準(zhǔn)，其精度直接影響主軸部件的回轉(zhuǎn)精度，主軸上各重要表面均以支軸承頸為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，有嚴(yán)格的位置要求。因此，其尺寸精度一般為IT5，圓度允差和對其公共軸線的斜向圓跳動允差均為0.005，Ra值不大于0.4um。

2）配合軸頸

是與齒輪傳動件連接的表面，共有φ80h5φ89f6（花鍵）φ90g5三段軸頸。前兩段軸頸與齒輪分別采用鍵連接與花鍵連接；φ90g5軸頸為光滑圓錐面，與齒輪空套連接，由于工作時兩者有相對運(yùn)動，因此，該軸頸表面須經(jīng)淬火處理至（45～50HRC）；三個配合軸頸的尺寸精度為IT6～I(xiàn)T5，Ra值不大于0.4um。

3）莫氏6號錐孔（圖上虛線部分）用于安裝夾具或刀具，是主軸的主要工作表面之一，要求相對支承軸頸的位置精度較高。對支承軸頸公共軸線的斜向圓跳動允差在軸端處為0.005；在離軸端300mm處為0.01；Ra值不大于0.4um。由于該錐孔在工作中經(jīng)常裝卸夾具，表面需淬火提高耐磨性，設(shè)定洛氏硬度為45～50

4）軸端短圓錐（右端圓錐面）用于安裝通用夾具卡盤或撥盤的定位面。錐角為14度15分/（錐度1:4）。此錐面相對支承軸頸公共軸線的斜向圓跳動允差為0.008，Ra值不大于0.4um。表面須淬火。（2）毛坯選擇由于機(jī)床主軸是機(jī)床的主要零件，其質(zhì)量會影響機(jī)床的工作精度和使用壽命，因此其結(jié)構(gòu)大多采用多階臺的空心軸。該軸直徑差很大（最大外圓直徑為195mm，最小外圓直徑為70mm）故應(yīng)選擇鍛件毛坯，這樣不僅能改善和提高主軸的力學(xué)性能，還可節(jié)省材料和切削工作量。又由于該軸屬于大批量生產(chǎn)，故宜采用模鍛毛坯。五、主軸加工工藝過程分析加工工藝過程見P72、表5-1

在擬定主軸零件的加工工藝過程時，應(yīng)考慮以下幾個工藝問題。1.合理選擇定位基準(zhǔn)

軸類零件一般都以軸端的兩中心孔作為加工時的定位基準(zhǔn)，其次是外圓表面。這是由于軸線是軸上各外圓表面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，以兩端中心孔作精基準(zhǔn)既符合基準(zhǔn)重合的原則又符合基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則，能保證加工后各外圓表面可以獲得很高的位置精度。

當(dāng)不能用中心孔定位時則可采用外圓表面作為定位基準(zhǔn)；或以外圓表面加中心孔共同定位。（即采用一夾一頂?shù)难b夾定位）注意：以外圓表面作為定位基準(zhǔn)主要用于粗加工和半精加工，精加工時應(yīng)盡可能用中心孔定位。

但由于帶通孔的軸類零件，中心孔在加工通孔時已經(jīng)消失，這時，可使用帶中心孔的錐堵或錐套心軸裝夾工件，以錐堵或錐套心軸上的中心孔代替工件軸的中心孔（見P73、圖5-3）；如果軸的通孔直徑較小時，也可直接在孔口加工出寬度不小于2mm的60度錐面取代中心孔。使用錐堵或錐堵心軸時應(yīng)注意以下問題。①一般不宜中途更換或拆裝，以免增加安裝誤差。②錐堵心軸要求兩個錐面應(yīng)同軸，否則擰緊螺母后會使工件變形。圖4－5所示的錐堵心軸結(jié)構(gòu)比較合理，其左端錐堵與拉桿心軸為一體，其錐面與頂尖孔的同軸度較好，而右端有球面墊圈，擰緊螺母時，能保證左端錐堵與孔配合良好，使錐堵的錐面和工件的錐孔以及拉桿心軸上的頂尖孔有較好的同軸度。③頂尖孔的修磨因熱處理、切削力、重力等影響，常常會損壞頂尖孔的精度，因此在熱處理工序之后和磨削加工之前，對頂尖孔要進(jìn)行修磨，以消除誤差。2．合理安排熱處理工序

正火：毛坯鍛造后。毛坯鍛造后安排正火處理的目的是要消除鍛造應(yīng)力，改善金屬組織，細(xì)化晶粒，降低硬度，改善切削性能。

調(diào)質(zhì)：粗車后，半精車前。粗車后安排調(diào)質(zhì)處理是為了使工件獲得均勻細(xì)致的回火索氏體組織，提高零件的綜合力學(xué)性能，同時，經(jīng)調(diào)質(zhì)后加工出來的工件表面，會使表面粗糙度值較小，提高表面的光潔度。

表面淬火：磨削前。對有相對運(yùn)動的軸頸表面（如空套軸頸）以及經(jīng)常裝卸工具的前錐孔表面在精磨前應(yīng)安排表面淬火處理，以提高表面的耐磨性。3．合理劃分加工階段由于主軸工件屬于多階梯帶通孔的零件，在切除大量的金屬后，會引起工件因內(nèi)應(yīng)力重新分布而變形。因此，在安排工序時，應(yīng)將粗、精加工分開進(jìn)行。先完成各表面的粗加工，再完成各表面的半精加工和精加工，而主要表面（如支承軸頸，莫氏錐孔表面）的精加工則應(yīng)放在最后進(jìn)行。這樣，主要表面的精度就不會受到其他表面加工或內(nèi)應(yīng)力重新分布的影響，以確保主要表面的加工精度。4．加工順序安排車床主軸加工順序的安排見P72、表5-1主軸加工工藝過程表列就很清楚了。主軸的工藝路線安排大體如下：毛坯制造——正火——車端面鉆中心孔——粗車——調(diào)質(zhì)——半精車表面淬火——粗、精磨外圓——粗、精磨圓錐面——磨錐孔。制定工藝規(guī)程時，按加工順序擬定其工藝路線就可以了，在這里不多講了。下面主要解析安排工序順序時應(yīng)注意的幾個問題：（1）深孔加工應(yīng)注意兩點(diǎn)：

1）深孔加工應(yīng)安排在調(diào)質(zhì)以后進(jìn)行。這是因?yàn)檎{(diào)質(zhì)處理后工件變形較大，深孔產(chǎn)生的彎曲變形無法糾正，這樣不僅會影響棒料的通過（車切某些零件時，棒料需要通過主軸深孔進(jìn)行裝夾）還會引起主軸高速轉(zhuǎn)動的不平衡。（深孔變形，主軸壁厚會不均勻）

2）深孔加工應(yīng)安排在外圓粗車或半精車之后。這樣有利于深孔加工時有一個較精確的外圓定位基面，以保證深孔與外圓的同軸精度。如果深孔加工安排到最后（外圓精加工后）又會由于深孔加工時發(fā)熱量大，引起熱變形而破壞外圓的加工精度（2）外圓表面的加工順序：先加工大直徑外圓后加工小直徑外圓。避免一開始就降低工件的剛度，引起后續(xù)加工的變形。（3）次要表面的加工順序：主軸上的花鍵、鍵槽等次要表面的加工，一般都應(yīng)放在外圓精車或粗磨之后、或精磨外圓之前進(jìn)行。這是因?yàn)樵诰嚽熬豌姵鲦I槽，一方面，會使在精車時，由于鍵槽的存在會形成斷續(xù)切削而產(chǎn)生振動，既影響加工質(zhì)量，又容易損壞刀具；另一方面，也難以控制鍵槽的尺寸要求（特別是鍵槽的深度尺寸）但如果鍵槽的加工放在外圓精磨之后進(jìn)行，又容易破壞主要表面的已有精度。