《機械制造工藝裝備》課件第2章

第2章典型表面的加工方法

2.1外圓加工

2.2孔(內(nèi)圓)加工

2.3平面加工

2.4曲(異型)面加工

2.5螺紋加工

2.6漸開線齒面加工

思考與練習題

2.1外圓加工

2.1.1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IT13～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HRC62的淬火鋼。

2.1.2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2－1所示。

圖2－1外圓磨削加工的應用

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(見圖2－2):

①縱磨法。如圖2－2(a)所示,磨削時工件隨工作臺作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,適于磨削長度與砂輪寬度之比大于3的工件。

②橫磨法。如圖2－2(b)所示,工件不作縱向進給運動,砂輪以緩慢的速度連續(xù)或斷續(xù)地向工件作徑向進給運動,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。若將砂輪修整為成形砂輪,可利用橫磨法磨削曲面(如圖2－1(e)、(g)所示)。

圖2－2外圓磨削方式/類型

(a)縱磨法;(b)橫磨法;(c)綜合磨削法;(d)深磨法

③綜合磨法。如圖2－2(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。

④深磨法。圖2－2(d)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2－3所示,無心磨削直接以磨削表面定位,用托板支撐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,無需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。根據(jù)工件是否需要軸向運動,無心磨削方法分為:圖2－3無心外圓磨削

(a)、(b)縱磨法;(c)橫磨法

①通磨(貫穿縱磨)法。適用于不帶臺階的圓柱形工件(見圖2－3(b));

②切入磨(橫磨)法。適用于階梯軸和有成形回轉(zhuǎn)表面的工件(見圖2－3(c))。

與中心磨相比,無心磨具有以下工藝特征:

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。

②尺寸精度較好,但不能改變工件原有的位置誤差。

③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。

⑤有一定的圓度誤差產(chǎn)生,圓度誤差一般不小于0.002mm。

⑥所能加工的工件有一定局限,不能磨帶槽(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磨削均屬高效率磨削,其中以高速磨削、寬砂輪磨削、強力磨削和砂帶磨削在外圓加工中較為常用。

(1)高速磨削。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,即進給量成比例增加,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。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)寬砂輪和多砂輪磨削。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2－4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2－4砂帶磨削

(a)中心磨;(b)無心磨;(c)自由磨

表2－1外圓砂帶磨削實施原理與結(jié)構(gòu)方案布局

3.外圓表面的光整加工

外圓表面的光整加工有高精度磨削、研磨、拋光、超精加工、珩磨和滾壓等,這里主要介紹前面四種加工方法。

(1)高精度磨削。使工件表面粗糙度Ra小于0.1μm的磨削加工工藝,通常稱為高精度磨削。高精度磨削的余量一般為0.02～0.05mm,磨削時背吃刀量一般為0.0025～0.005mm。為了減小磨床振動,磨削速度應較低,一般取15～30m/s,Ra值較小時速度取低值,反之,取高值。高精度磨削包括以下三種類型:①精密磨削。精密磨削采用粒度為60＃～80＃的砂輪,并對其進行精細修整,磨削時微刃的切削作用是主要的,光磨2～3次時半鈍微刃發(fā)揮拋光作用,表面粗糙度Ra可達0.1～0.05μm。但磨削前Ra應小于0.4μm。

②超精密磨削。超精密磨削采用粒度為80?！?40＃的砂輪進行更精細的修整,選用更小的磨削用量,半鈍微刃的拋光作用增加,光磨次數(shù)取4～6次,可使表面粗糙度Ra達0.025～0.012μm。磨削前Ra應小于0.2μm。

③砂輪鏡面磨削。鏡面磨削采用微粉W14～W5樹脂結(jié)合劑砂輪。精細修整后半鈍微刃的拋光作用是主要的,將光磨次數(shù)增至20～30次,可使表面粗糙度Ra小于0.012μm。磨削前Ra應小于0.025μm。

(2)研磨。研磨是在研具與工件之間置以半固態(tài)狀研磨劑(膏),對工件表面進行光整加工的方法。研磨時,研具在一定壓力下與工件作復雜的相對運動,通過研磨劑的機械和化學作用,從工件表面切除一層極微薄的材料,同時工件表面形成復雜網(wǎng)紋,從而達到很高的精度和很小的粗糙度值的一種光整加工方法。

研磨劑(膏)由磨料、研磨液和輔助填料等混合而成,有液態(tài)、膏狀和固態(tài)三種,以適應不同的加工需要,其中以研磨膏應用最為廣泛。

磨料主要起切削作用,常用的有剛玉、碳化硅、金剛石等,其粒度在粗研時選80?！?20＃,精研時選150＃～240＃,鏡面研磨時選用微粉級W28～W0.5。

研磨液有煤油、全損耗系統(tǒng)用油、工業(yè)用甘油等,主要起冷卻、潤滑和充當磨料載體的作用,并能使磨粒較均勻地分布在研具表面。

輔助填料可使金屬表面生成極薄的軟化膜,易于切除,常用的有硬脂酸、油酸等化學活性物質(zhì)。

研磨可分為手工研磨和機械研磨兩類：

①手工研磨。如圖2－5所示,外圓手工研磨采用手持研具或工件進行。例如在車床上研磨外圓時,工件裝在卡盤或頂尖上,由主軸帶動作低速旋轉(zhuǎn)(20～30r／min)，研套套在工件上,用手推動研套作往復直線運動。手工研磨勞動強度大,生產(chǎn)率低,多用于單件、小批量生產(chǎn)。

圖2－5外圓的手工研磨

②機械研磨。如圖2－6所示為研磨機研磨滾柱的外圓。機械研磨在研磨機上進行,一般用于大批量生產(chǎn)中,但研磨工件的形狀受到一定的限制。

圖2－6機械研磨

研磨的工藝特點如下:

①設備和研具簡單,成本低,加工方法簡便可靠,質(zhì)量容易得到保證。

②研磨不能提高表面的相對位置精度,生產(chǎn)率較低,需要控制研磨的加工余量(一般為0.01～0.03mm)。

③研磨后工件的形狀精度高,表面粗糙度小,Ra可達0.1～0.008μm,尺寸精度等級可達IT6～IT3。

④研磨還可以提高零件的耐磨性、抗蝕性、疲勞強度和使用壽命，常用作精密零件的最終加工。

⑤研磨應用比較廣,可加工鋼、鑄鐵、銅、鋁、硬質(zhì)合金、陶瓷、半導體和塑料等材料的內(nèi)外圓柱面、圓錐面、平面、螺紋和齒形等表面。

(3)砂帶鏡面磨削拋光外圓。分為閉式和開式兩種方法。由于砂帶的進步,現(xiàn)在已經(jīng)有400?！?000＃的閉式砂帶直接用于Ra0.2μm以下的表面的干式鏡面磨削,實施非常簡單方便,可在車床上進行,見圖2－7。砂帶磨頭像車刀一樣安裝在刀臺上,更換不同粒度的砂帶可以達到不同的加工要求。對于較長工件,還可采用雙磨頭方式,實現(xiàn)“粗精”同步進行。目前市面可供應的有剛玉類和碳化硅磨料的砂帶,具有成本低廉,工序少,設備簡單,效率高,鏡面效果好(可達Ra0.01～0.05μm)等特點。

圖2－7車床上砂帶鏡面拋光外圓

另一類則采用開式金剛石砂帶附加超聲振動對外圓進行鏡面拋光,如圖2－8所示,附加的振動可以使磨粒在工件表面形成復雜的交叉網(wǎng)紋,達到極低的粗糙度Ra0.01μm,但效率比閉式低得多。

圖2－8開式砂帶鏡面拋光

(4)超精加工。如圖2－9所示,超精加工是用極細磨粒W60～W2的低硬度油石,在一定的壓力下對工件表面進行加工的一種光整加工的方法。加工時,裝有油石條的磨頭以恒定的壓力F(0.1～0.3MPa)輕壓于工件表面。工件作低速旋轉(zhuǎn)(v=15～150m/min),磨頭作軸向進給運動(0.1～0.15mm/r),油石作軸向低頻振動(頻率8～35Hz,振幅為2～6mm),且在油石與工件之間注入潤滑油,以清除屑末及形成油膜。

圖2－9超精加工

超精加工的工藝特點如下:

①設備簡單,自動化程度較高,操作簡便,對工人技術(shù)水平要求不高。

②切削余量極小(3～10μm),加工時間短(30～60s),生產(chǎn)率高。

③因磨條運動軌跡復雜,加工后表面具有交叉網(wǎng)紋,利于儲存潤滑油,耐磨性好。

④只能提高加工面質(zhì)量(Ra0.1～0.008μm),不能提高尺寸精度和形位精度。

主要用于軸類零件的外圓柱面、圓錐面和球面等的光整加工。

2.1.3外圓加工方法的選擇

外圓加工方法的選擇,除應滿足圖樣技術(shù)要求之外,還與零件的材料、熱處理要求、零件的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)綱領(lǐng)及現(xiàn)場設備和操作者技術(shù)水平等因素密切相關(guān)?？偟膩碚f,一個合理的加工方案應既能經(jīng)濟地達到技術(shù)要求又能滿足高生產(chǎn)率的要求,因而其工藝路線的制定是十分靈活的。

一般來說,外圓加工的主要方法是車削和磨削。對于精度要求高、表面粗糙度值小的工件外圓,還需經(jīng)過研磨、超精加工等才能達到要求;對某些精度要求不高但需光亮的表面,可通過滾壓或拋光獲得。常見外圓加工方案可以獲得的經(jīng)濟精度和表面粗糙度見表2－2,可供選用參考。

表2－2外圓加工工藝路線方案

2.2孔(內(nèi)圓)加工

2.2.1鉆、擴、鉸、锪、拉孔

1.鉆孔

用鉆頭在工件實體部位加工孔的方法稱為鉆孔。鉆孔屬于孔的粗加工,多用作擴孔、鉸孔前的預加工,或加工螺紋底孔和油孔。精度等級為IT14～IT11,表面粗糙度Ra為50～1.6μm。

圖2－10鉆頭引偏引起的加工誤差

(a)鉆床、鏜床上鉆孔；(b)車床上鉆

鉆孔主要在鉆床和車床上進行,也常在鏜床和銑床上進行。在鉆床、鏜床上鉆孔時,由于鉆頭旋轉(zhuǎn)而工件不動,在鉆頭剛性不足的情況下,鉆頭引偏就會使孔的中心線發(fā)生歪曲,但孔徑無顯著變化。如在車床上鉆孔,因為是工件旋轉(zhuǎn)而鉆頭不轉(zhuǎn)動,這時鉆頭的引偏只會引起孔徑的變化并產(chǎn)生錐度、腰鼓等缺陷,但孔的中心線是直的,且與工件回轉(zhuǎn)中心一致(見圖2－10)。故鉆小孔和深孔時,為了避免孔的軸線偏移和不直,應盡可能在車床上進行。

鉆孔常用的刀具是麻花鉆,其加工性能較差,為了改善其加工性能,目前已廣泛應用群鉆(見圖2－11)。鉆削本身的效率較高,但是由于普通鉆孔需要劃線、鏨坑等輔助工序,其生產(chǎn)率較低,為提高生產(chǎn)效率,大批量生產(chǎn)中,鉆孔常用鉆模和專用的多軸組合鉆床,也有采用新型自帶中心導向鉆的組合鉆頭(見圖2－12),這種鉆頭可以直接在平面上鉆孔,無需鏨坑,非常適合數(shù)控鉆削。

圖2－11標準群鉆結(jié)構(gòu)

圖2－12自帶中心導向鉆的組合鉆頭

圖2－13冷卻液內(nèi)噴的麻花鉆

圖2－14單刃外排屑深孔鉆(槍鉆)

2.擴孔

擴孔是用擴孔鉆對已鉆出、鑄出、鍛出或沖出的孔進行再加工,以擴大孔徑并提高精度和減小表面粗糙度的方法。擴孔精度可達IT10～IT9,表面粗糙度Ra為6.3～0.8μm。擴孔屬于孔的半精加工,常用作鉸孔等精加工前的準備工序,也可作為精度要求不高的孔的最終工序。擴孔可以在一定程度上校正鉆孔的軸線偏斜,其加工質(zhì)量和生產(chǎn)率比鉆孔高。由于擴孔鉆的結(jié)構(gòu)剛性好,刀刃數(shù)目較多,且無端部橫刃,加工余量較小(一般為2～4mm),故切削時軸向力小,切削過程平穩(wěn),因此可以采用較大的切削速度和進給量。如采用鑲有硬質(zhì)合金刀片的擴孔鉆,切削速度還可提高2～3倍,使擴孔的生產(chǎn)率進一步提高。當孔徑大于100mm時,一般采用鏜孔而不用擴孔。擴孔使用的機床與鉆孔相同。用于鉸孔前的擴孔鉆,其直徑偏差為負值,用于終加工的擴孔鉆,其直徑偏差為正值。

3.非定尺寸鉆擴及復合加工

由于鉆頭材料和結(jié)構(gòu)的進步,可以用同一把機夾式鉆頭實現(xiàn)鉆孔、擴孔加工,如圖2－15,因而用一把鉆頭可加工通孔沉孔、盲孔沉孔、斜面上鉆孔及凹槽(如圖2－16所示);還可以鉆孔、倒角(圓)、锪端面等一次進行的復合加工(如圖2－17所示)。

圖2－15鉆孔后偏移X實現(xiàn)擴孔的新型加工

圖2－16新型機夾式鉆頭的應用

圖2－17新型鉆頭復合加工示例

4.鉸孔

鉸孔是在半精加工(擴孔或半精鏜孔)基礎上進行的一種孔的精加工方法,其精度可達IT8～IT6,表面粗糙度為Ra1.6～0.4μm。鉸孔有手鉸和機鉸兩種方式,在機床上進行的鉸削稱為機鉸,用手工進行的鉸削稱為手鉸。

鉸孔的加工余量小,一般粗鉸余量為0.15～0.35mm,精鉸余量為0.05～0.15mm。為避免產(chǎn)生積屑瘤和引起振動,鉸削應采用低切速,一般粗鉸為v=0.07～0.2m/s,精鉸為v=0.03～0.08m/s。機鉸進給量約為鉆孔的3～5倍,一般為0.2～1.2mm/r,以防出現(xiàn)打滑和啃刮現(xiàn)象。鉸削應選用合適的切削液,鉸削鋼件時常采用乳化液,鉸削鑄件時用煤油。

機鉸刀在機床上常采用浮動連接。浮動機鉸或手鉸時,一般不能修正孔的位置誤差,孔的位置誤差應由鉸孔前的工序來保證。鉸孔直徑一般不大于80mm,鉸削也不宜用于非標準孔、臺階孔、盲孔、短孔和具有斷續(xù)表面的孔的加工。

5.锪孔

用锪鉆加工錐形或柱形的沉坑稱為锪孔。锪孔一般在鉆床上進行,加工的表面粗糙度Ra為6.3～3.2μm。锪沉坑的主要目的是安裝沉頭螺釘,錐形锪鉆還可用于清除孔端毛刺。

6.拉孔

拉孔是一種高生產(chǎn)率的精加工方法,既可加工內(nèi)表面也可加工外表面,如圖2－18所示。拉孔前工件須經(jīng)鉆孔或擴孔。工件以被加工孔自身定位并以工件端面為支承面,在一次行程內(nèi)便可完成粗加工－精加工－光整加工等階段的工作。拉孔一般沒有粗拉工序和精拉工序之分,除非拉削余量太大或孔太深,用一把拉刀拉,拉刀太長,才分兩個工序加工。

圖2－18拉削加工的各種截面

(a)圓孔；(b)方孔；(c)長方孔；(d)鼓形孔；(e)三角孔；

(f)六角孔;(g)鍵槽;

(h)花鍵槽;(i)相互垂直平面;(j)齒紋孔;

(k)多邊形孔;(l)棘爪孔；(m)內(nèi)齒輪孔；(n)外齒輪孔;

(o)成形表面;(p)渦輪葉片根部的槽形

拉孔的拉削速度低,每齒切削厚度很小,拉削過程平穩(wěn),不會產(chǎn)生積屑瘤;同時拉刀是定尺寸刀具,又有校準齒來校準孔徑和修光孔壁,所以拉削加工精度高,表面粗糙度小。拉孔精度主要取決于刀具,機床對其影響不大。拉孔的精度可達IT8～IT6,表面粗糙度Ra達0.8～0.4μm。由于拉孔難以保證孔與其他表面間的位置精度,因此被拉孔的軸線與端面之間,在拉削前應保證有一定的垂直度。

如圖2－19所示,拉刀刀齒尺寸逐個增大而切下金屬的過程,可看作是按高低順序排列成隊的多把刨刀進行的刨削。為保證拉刀工作時的平穩(wěn)性,拉刀同時工作的齒數(shù)應在2個以上,但也不應大于8個,否則拉力過大可能會使拉刀斷裂。由于受到拉刀制造工藝及拉床動力的限制,過小與特大尺寸的孔均不適宜于拉削加工。

圖2－19拉孔及拉刀刀齒的切削過程

(a)拉孔；(b)拉刀刀齒的切削過程

當工件端面與工件毛坯孔的垂直度不好時,為改善拉刀的受力狀態(tài),防止拉刀崩刃或折斷,常采用在拉床固定支承板上裝有自動定心的球面墊板作為浮動支承裝置,如圖2－20所示。拉削力通過球面墊板2作用在拉床的前壁上。

圖2－20拉孔工件的支承

拉刀結(jié)構(gòu)復雜、排屑困難、價格昂貴、設計制造周期長,故一般用于大批量生產(chǎn)中。

拉削不僅能加工圓孔,而且還可以加工成形孔、花鍵孔。另外,由于拉刀是定尺寸刀具,不適合于加工大孔,而且形狀復雜,價格昂貴,在單件小批生產(chǎn)中使用也受限制，故拉孔常用在大批大量生產(chǎn)中加工孔徑為8～125mm、孔深不超過孔徑5倍的中小件通孔。

2.2.2鏜孔

鏜孔是用鏜刀對已鉆出、鑄出或鍛出的孔做進一步的加工。通過鏜?；蜃鴺搜b置,可以保證加工精度。鏜孔工藝靈活性大，適應性強,可以在車床、鏜床或銑床上進行;而鏜床上還可實現(xiàn)鉆、銑、車、攻螺紋等工藝,如圖2－21所示。

圖2－21臥式鏜床上可實現(xiàn)的加工方法

(a)鏜軸上裝懸伸刀桿鏜孔；(b)用平旋盤上的懸伸刀桿鏜大直徑孔；

(c)用平旋盤徑向刀架上的車刀車端面;(d)鉆孔;

(e)鏜軸上裝端銑刀銑平面；(f)用后支架支撐長刀桿鏜兩同軸孔；

(g)用平旋盤徑向刀架上的車刀車螺紋；(h)用裝在鏜桿上的刀具車內(nèi)溝槽

鏜削的工作方式有以下三種:

(1)工件旋轉(zhuǎn)刀具作進給運動。在車床上鏜孔屬于這種方式,如圖2－22(a)所示。車床鏜孔是工件旋轉(zhuǎn),鏜刀移動,孔徑大小由鏜刀的背吃刀量和走刀次數(shù)予以控制。車床鏜孔多用于盤、套和軸件中間部位的孔以及小型支架的支承孔。

圖2－22鏜孔的幾種運動方式

(2)工件不動而刀具作旋轉(zhuǎn)和進給運動。如圖2－22(c)所示,這種加工方式在鏜床上進行。鏜床主軸帶動鏜刀桿旋轉(zhuǎn),并作縱向進給運動。由于主軸的懸伸長度不斷加大,剛性隨之減弱,為保證鏜孔精度,故一般用來鏜削深度較小的孔。

(3)刀具旋轉(zhuǎn)工件作進給運動。這種鏜孔方法(見圖2－22(b))有以下兩種方式:

①鏜床平旋盤帶動鏜刀旋轉(zhuǎn)。如圖2－21(b)所示,工作臺帶動工件作縱向進給運動,利用徑向刀架使鏜刀處于偏心位置,即可鏜削大孔。?200mm以上的孔多用此種方式加工,但孔深不宜過大。

②主軸帶動刀桿和鏜刀旋轉(zhuǎn),工作臺帶動工件作進給運動。圖2－21(f)所示的這種方式鏜削的孔徑一般小于120mm。對于懸伸式刀桿,鏜刀桿不宜過長,一般用來鏜削深度較小的孔,以免彎曲變形過大而影響鏜孔精度,可在鏜床、臥式銑床上進行。刀桿較長時,可用來鏜削箱體兩壁距離較遠的同軸孔系。為了增加刀桿剛性,另一端支承在鏜床后立柱的導套座里。

對于孔徑較大(>?80mm)、精度高和表面粗糙度較小的孔,可采用浮動鏜刀加工。鏜刀裝入鏜桿孔后,不用夾緊,靠兩端的切削力來自動平衡刀具切削位置,能補償?shù)毒甙惭b誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差帶來的加工誤差,易于保證加工尺寸精度,但不能糾正直線度誤差和位置誤差。浮動鏜削操作簡單,浮動鏜刀造價高,生產(chǎn)率高,故適用于大批量生產(chǎn)。

鏜孔常用單刃鏜刀。鏜孔時,孔徑大小要靠調(diào)整刀頭伸出的長度來保證,故鏜孔質(zhì)量不易控制,對操作者的技術(shù)水平要求較高。

2.2.3磨孔

1.砂輪磨孔

砂輪磨孔是孔的精加工方法之一。磨孔的精度可達IT8～IT6,表面粗糙度Ra可達1.6～0.4μm。砂輪磨孔可在內(nèi)圓磨床或萬能外圓磨床上進行。如圖2－23所示,磨削方式分為3類:

(1)普通內(nèi)圓磨削。工件裝夾在機床上回轉(zhuǎn),砂輪高速回轉(zhuǎn)并作軸向往復進給運動和徑向進給運動,在普通內(nèi)圓磨床上磨孔就是這種方式,如圖2－23(a)所示。

圖2－23磨孔方式

(a)普通內(nèi)圓磨削;(b)行星式磨削;(c)無心內(nèi)圓磨削

(2)行星式內(nèi)圓磨削。工件固定不動,砂輪自轉(zhuǎn)并繞所磨孔的中心線作行星運動和軸向往復進給運動。徑向進給則通過加大砂輪行星運動的回轉(zhuǎn)半徑來實現(xiàn),如圖2－23(b)所示。此種磨孔方式用得不多,只有在被加工工件體積較大、不便于作回轉(zhuǎn)運動的條件下才采用。

(3)無心內(nèi)圓磨削。如圖2－23(c)所示。工件4放在滾輪中間,被滾輪3壓向滾輪1和導輪2,并由導輪2帶動回轉(zhuǎn)。導輪和滾輪安放在機床滑板上,它可沿砂輪軸心線作軸向往復進給運動。這種磨孔方式一般只用來加工軸承圈等簡單零件。

2.砂帶磨孔

對于內(nèi)孔磨削,砂帶磨削明顯比砂輪磨削更具靈活性,可以解決許多由砂輪磨削無法實施的加工難題,加工材料也更為廣泛,如表2－3所示。

表2－3內(nèi)圓(孔)砂帶磨削結(jié)構(gòu)布置與應用

2.2.4孔的光整加工

1.研磨孔

研磨孔是常用的一種孔的光整加工方法,用于對精鏜、精鉸或精磨后的孔進一步加工,如圖2－24所示。研磨孔的特點與研磨外圓相類似,研磨后孔的精度可達IT7～IT6,表面粗糙度Ra可達0.1～0.008μm,形狀精度亦有相應提高。

圖2－24套類零件孔的研磨

2.珩磨孔

珩磨是研磨的發(fā)展,是磨削的特殊形式之一。它是利用帶有磨條(油石)的珩磨頭對孔進行光整加工的方法常常對精鉸、精鏜或精磨過的孔進行光整加工,常用珩磨頭在專用的珩磨機上進行。珩磨頭的結(jié)構(gòu)形式很多,圖2－25所示的是一種機械加壓的珩磨頭。本體2通過浮動聯(lián)軸節(jié)和機床主軸連接,磨條5和磨條座4結(jié)合裝入本體的槽中,磨條座兩端由彈簧箍1箍住,使磨條經(jīng)常向內(nèi)收縮。珩磨頭工作尺寸的調(diào)節(jié)依靠調(diào)節(jié)錐6實現(xiàn),旋轉(zhuǎn)螺母7使其向下時,就推動調(diào)節(jié)錐向下移動,通過頂塊3使磨條徑向張開而獲得工作壓力;若旋轉(zhuǎn)螺母7使其向上時,壓力彈簧8便推動調(diào)節(jié)錐向上移,磨條受到彈簧箍的作用而收縮。這種磨頭結(jié)構(gòu)簡單,但操作不便,因此只用于單件小批生產(chǎn)。大批量生產(chǎn)中常采用壓力恒定的氣體或液體加壓的珩磨頭。珩磨時,工件固定在機床工作臺上,主軸與珩磨頭浮動聯(lián)接并驅(qū)動珩磨頭作旋轉(zhuǎn)和往復運動,如圖2－26(a)所示。珩磨頭上的磨條在孔的表面上切去極薄的一層金屬,其切削軌跡成交叉而不重復的網(wǎng)紋,不僅有掛油、儲油作用,還可以減少滑動摩擦,如圖2－26(b)所示。

圖2－25珩磨頭結(jié)構(gòu)圖2－26珩磨時的運動及切削軌跡

2.2.5孔加工方法的選擇

孔加工方法的選擇與機床選用之間是密切聯(lián)系的。但孔加工方法的選擇與機床選用較外圓加工時要復雜得多。

1.加工方法的選擇

孔加工常用的方案見表2－4。擬定孔加工方案時,除一般因素外,還應考慮孔徑大小和深徑比。

表2－4孔加工方案

2.機床的選用

對于給定精度和尺寸大小的孔,有時可在幾種機床上加工實現(xiàn)。為了便于工件裝夾和孔加工,保證質(zhì)量和提高生產(chǎn)率,機床選用主要取決于零件的結(jié)構(gòu)類型、孔在零件上所處的部位以及孔與其他表面位置的精度等條件。

(1)盤、套類零件。盤、套類零件中間部位的孔一般在車床上加工,這樣既便于工件裝夾,又便于在一次裝夾中精加工孔、端面和外圓,以保證位置精度。若采用鏜磨類加工方案,在半精鏜后再轉(zhuǎn)磨床加工;若采用拉削方案,可先在臥式車床或多刀半自動車床上粗車外圓、端面和鉆孔(或粗鏜孔)后再轉(zhuǎn)拉床加工。

(2)支架箱體類零件。為了保證支承孔與主要平面之間的位置精度并使工件便于裝夾,大型支架和箱體應在臥式鏜床上加工;小型支架和箱體可在臥式銑床或車床(用花盤、彎板)上加工。支架、箱體上的螺釘孔、螺紋底孔和油孔,可根據(jù)零件大小在搖臂鉆床、立式鉆床或臺式鉆床上鉆削。

(3)軸類零件。軸類零件除中心孔外,帶孔的情況較少,但有些軸件有軸向圓孔、錐孔或徑向小孔。軸向孔的精度差異很大,一般均在車床上加工,高精度的孔則需再轉(zhuǎn)磨床加工。徑向小孔在鉆床上鉆削。

2.3平面加工

2.3.1端面車削

平面車削一般用于加工軸、輪、盤、套等回轉(zhuǎn)體零件的端面、臺階面等,也用于其他需要加工的孔和外圓零件的端面。通常這些面要求與內(nèi)、外圓柱面的軸線垂直,一般在車床上與相關(guān)的外圓和內(nèi)孔在一次裝夾中加工完成。中小型零件的平面車削在臥式車床上進行,重型零件的加工可在立式車床上進行。平面車削的精度可達IT7～IT6,表面粗糙度Ra可達12.5～1.6μm。

2.3.2平面銑削

銑削是平面加工的主要方法。銑削中小型零件的平面,一般用臥式或立式銑床;銑削大型零件的平面則用龍門銑床。

銑削工藝具有工藝范圍廣,生產(chǎn)效率高,容易產(chǎn)生振動,刀齒散熱條件較好等特點。

平面銑削按加工質(zhì)量可分為粗銑和精銑。粗銑的表面粗糙度Ra為50～12.5μm,精度為IT14～IT12;精銑的表面粗糙度Ra可達3.2～1.6μm,精度可達IT9～IT7。按銑刀的切削方式不同可分為周銑與端銑,如圖2－27所示。還可同時進行周銑和端銑。周銑常用的刀具是圓柱銑刀;端銑常用的刀具是端銑刀;同時進行端銑和周銑的銑刀有立銑刀和三面刃銑刀等。

1.周銑

周銑是用銑刀圓周上的切削刃來銑削工件,銑刀的回轉(zhuǎn)軸線與被加工表面平行,如圖2－27(a)所示。周銑適于在中小批生產(chǎn)中銑削狹長的平面、鍵槽及某些曲面。周銑有順銑和逆銑兩種方式。

圖2－27銑削的兩種方式

(a)周銑；(b)端銑

(1)順銑。銑削時,在銑刀和工件接觸處,銑刀的旋轉(zhuǎn)方向與工件進給方向相同時稱為順銑,如圖2－28(a)所示。順銑過程中,刀齒切入時沒有滑移現(xiàn)象,但切入時沖擊較大。切削時垂直切削分力有助于夾緊工件,而水平切削分力與工件臺移動方向一致,當這一切削分力足夠大時,即FH＞工作臺/導軌間摩擦力時,就會在螺紋傳動副側(cè)隙范圍內(nèi)使工作臺向前串動并短暫停留,嚴重時甚至引起“啃刀”和打刀現(xiàn)象。

(2)逆銑。銑削時,在銑刀和工件接觸處,銑刀的旋轉(zhuǎn)方向與工件的進給方向相反稱為逆銑,如圖2－28(b)所示。銑削過程中,在刀齒切入工件前,刀齒要在加工面上滑移一小段距離,從而加劇了刀齒的磨損,增加工件表層硬化程度,并增大加工表面的粗糙度。逆銑時有把工件向上挑起的切削垂直分力,影響工件夾緊,需加大夾緊力。但銑削時,水平切削分力有助于絲杠與螺母貼緊,消除絲杠與螺母之間的間隙,使工作臺進給運動比較平穩(wěn)。

圖2－28逆銑和順銑

(a)順銑;(b)逆銑

2.端銑

端銑是用銑刀端面上的切削刃來銑削工件,銑刀的回轉(zhuǎn)軸線與被加工表面垂直,如圖2－27(b)所示。端銑適于在大批生產(chǎn)中銑削寬大平面。端銑分為對稱銑削和不對稱銑削,不對稱銑削還分為順銑和逆銑,如圖2－29所示。

圖2－29端銑的對稱與不對稱銑削(俯視圖)

(a)對稱銑削；(b)不對稱逆銑；(c)不對稱順銑

2.3.3平面刨削

刨削是平面加工的方法之一,中小型零件的平面加工,一般多在牛頭刨床上進行,龍門刨床則用來加工大型零件的平面和同時加工多個中型工件的平面。刨平面所用的機床、工件夾具結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)整方便,在工件的一次裝夾中能同時加工處于不同位置上的平面,且有時刨削加工可以在同一工序中完成。因此,刨平面具有機動靈活,萬能性好的優(yōu)點。

刨削可分粗刨和精刨。粗刨的表面粗糙度Ra為50～12.5μm,尺寸公差等級為IT14～IT12;精刨的表面粗糙度Ra可達3.2～1.6μm,尺寸公差等級為IT9～IT7。

寬刃精刨是在普通精刨基礎上,使用高精度龍門刨床和寬刃精刨刀(如圖2－30所示),以低切速和大進給量在工件表面切去一層極薄的金屬。對于接觸面積較大的定位平面與支承平面,如導軌、機架、殼體零件上的平面的刮研工作,勞動強度大,生產(chǎn)效率低,對工人的技術(shù)水平要求高,寬刃精刨工藝可以減少甚至完全取代磨削、刮研工作,在機床制造行業(yè)中獲得了廣泛的應用,能有效地提高生產(chǎn)率。寬刃精刨加工的直線度可達到0.02mm/m,表面粗糙度Ra可達0.8～0.4μm。

圖2－30寬刃精刨刀

寬刃精刨的工藝特點有如下幾點：

(1)用寬刃刨刀,刨刃的寬度一般為10～60mm,有時可達500mm。

(2)切削速度極低(5～12m/min),切削過程發(fā)熱量小。

(3)切深極微,寬刃精刨可以獲得表面粗糙度很小的光整表面。生產(chǎn)效率比刮研高20～40倍。

(4)寬刃精刨對機床、刀具、工件、加工余量、切削用量和切削液均有嚴格要求,應特別注意,具體采用時可參考有關(guān)技術(shù)手冊。

2.3.4平面拉削

平面拉削是一種高效率、高質(zhì)量的加工方法,主要用于大批量生產(chǎn)中,其工作原理和拉孔相同,平面拉削的精度可達IT7～IT6,表面粗糙度Ra可達0.8～0.4μm。

2.3.5平面磨削

1.平面砂輪磨削

對一些平直度、平面之間相互位置精度要求較高、表面粗糙度要求小的平面進行磨削加工的方法,稱為平面磨削,平面磨削一般在銑、刨、車削的基礎上進行。隨著高精度和高效率磨削的發(fā)展,平面磨削既可作為精密加工,又可代替銑削和刨削進行粗加工。

平面磨削的方法有周磨和端磨兩種。

(1)周磨。周磨平面(如圖2－31(a)所示)是指用砂輪的圓周面來磨削平面。砂輪和工件的接觸面小,發(fā)熱量小,磨削區(qū)的散熱、排屑條件好,砂輪磨損較為均勻,可以獲得較高的精度和表面質(zhì)量。但在圓周磨中,磨削力易使砂輪主軸受彎變形,故要求砂輪主軸應有較高的剛度,否則容易產(chǎn)生振紋。此法適于在成批生產(chǎn)條件下加工精度要求較高的平面,能獲得高的精度和較小的表面粗糙度,常用于各種批量生產(chǎn)中對中、小型工件進行精加工。小型零件的加工可同時磨削多件,以提高生產(chǎn)率。

(2)端磨。如圖2－31(b)所示,端磨是用砂輪的端面來磨削平面,但砂輪圓周直徑不能過大,而且必需是專用端面磨削砂輪。普通的周磨砂輪是不能用于端磨的,否則容易爆裂。端磨時,磨頭伸出短,剛性好,可采用較大的磨削用量,生產(chǎn)效率高。但砂輪與工件接觸面積大,發(fā)熱多,散熱和冷卻較困難,加上砂輪端面各點的圓周線速度不同,磨損不均勻,故精度較低。一般在大批大量生產(chǎn)中,用端磨代替刨削和銑削進行粗加工。

圖2－31平面磨削的兩種方式

(a)周邊磨削；(b)端面磨削

通常，經(jīng)磨削加工的兩平面間的尺寸精度可達IT6～IT5,平行度可達0.01～0.03mm,直線度可達0.01～0.03mm/m,表面粗糙度Ra可達0.8～0.2μm。

2.平面砂帶磨削

對于有色金屬、不銹鋼、各種非金屬(如石棉)大型平面、卷帶材、板材,采用砂帶磨削不僅不堵塞磨料,能獲得極高的生產(chǎn)率,而且一般采用干式磨削,實施極為方便。目前最大的砂帶寬度可以做到5m,在一次貫穿式的磨削中,可以磨出極大的加工表面(如電梯內(nèi)裝飾板)。砂帶磨削平面的磨削布局見表2－5。

表2－5砂帶磨削平面的布局形式

2.3.6平面的光整加工

1.平面刮研

平面刮研是利用刮刀在工件上刮去很薄一層金屬的光整加工方法,常在精刨的基礎上進行。刮研可以獲得很高的表面質(zhì)量。表面粗糙度Ra可達1.6～0.4μm,平面的直線度可達0.01mm/m,甚至可以達到0.005～0.0025mm/m。刮研既可提高表面的配合精度,又能在兩平面間形成儲油空隙,以減少摩擦,提高工件的耐磨性,還能使工件表面美觀。

刮研勞動強度大,操作技術(shù)要求高,生產(chǎn)率低,故多用于單件小批生產(chǎn)及修理車間,加工未淬火的要求高的固定聯(lián)接面(如車床床頭箱底面)，導向面(如各種導軌面)及大型精密平板和直尺等。在大批大量生產(chǎn)中,刮研多為專用磨床磨削或?qū)捜芯偎妗?/p>

2.平面研磨

研磨也是平面的光整加工方法之一,一般在磨削之后進行。研磨后兩平面的尺寸精度可達IT5～IT3,表面粗糙度Ra可達0.1～0.008μm,直線度可達0.005mm/m。小型平面研磨還可減小平行度誤差。

平面研磨主要用來加工小型精密平板、直尺、塊規(guī)以及其他精密零件的平面。單件小批量生產(chǎn)中常采用手工研磨,大批量生產(chǎn)則常用機械研磨。

2.3.7平面加工方法的選擇

常用的平面加工方案見表2－6。在選擇平面的加工方案時除了要考慮平面的精度和表面粗糙度要求外,還應考慮零件的結(jié)構(gòu)和尺寸、熱處理要求以及生產(chǎn)規(guī)模等因素。

表2－6平面加工方案

2.4曲(異型)面加工

有些機器零件的表面,不是簡單的平面、圓柱面、圓錐面或它們的組合,而是復雜的表面。所有的復雜表面統(tǒng)稱為曲面。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,機器的結(jié)構(gòu)日益復雜,功能也日益多樣化。在這些機器中,為了滿足預期的運動要求或使用要求,具有曲面的零件也相應增多,這些零件不但具有復雜的幾何形狀,其加工精度和表面粗糙度一般也要求很高。

曲面的種類很多,按照其幾何特征,一般可分為以下三種類型:

(1)回轉(zhuǎn)曲面。由一條母線(曲線)繞一固定軸線旋轉(zhuǎn)而成,如滾動軸承內(nèi)、外圈的圓弧滾道,手柄(如圖2－32(a)所示)等。

(2)直線曲面。由一條直母線沿一條曲線平行移動而成。它可分為:

①外直線曲面。如冷沖模的凸模和凸輪(如圖2－32(b)所示)等。

②內(nèi)直線曲面。如冷卻模的凹模型孔等。

(3)立體曲面。零件各個剖面具有不同的輪廓形狀,如某些鍛模(如圖2－32(c)所示)、壓鑄模、塑壓模的型腔。

圖2－32曲面的類型

(a)回轉(zhuǎn)曲面;(b)直線曲面;(c)立體曲面

2.4.1用成形刀具加工

刀具的切削刃按工件表面輪廓制造。加工時,刀具相對于工件作簡單的直線進給運動。

1.曲面車削

用成形車刀可加工內(nèi)、外回轉(zhuǎn)曲面。成形車刀的主切削刃與形成回轉(zhuǎn)曲面的母線形狀一致。

2.曲面銑削

用成形銑刀銑削曲面,一般在臥式銑床上用盤狀銑刀進行,常用來加工直線曲面。

3.曲面刨削

成形刨刀的結(jié)構(gòu)與成形車刀結(jié)構(gòu)相似。由于刨削的主運動為直線運動,刨削時有較大的沖擊力,故一般用來加工形狀簡單的直線曲面。

4.曲面拉削

拉削可加工多種內(nèi)、外直線曲面。加工質(zhì)量好、生產(chǎn)率高,但拉削曲面的拉刀結(jié)構(gòu)復雜,成本高,故宜用于成批大量生產(chǎn)。

5.曲面磨削

利用修整好的成形砂輪,在外圓磨床上可以磨削回轉(zhuǎn)曲面,如圖2－33(a)所示;在平面磨床上可以磨削外直線曲面,如圖2－33(b)所示。

利用砂帶的柔性較好的特點很容易實施曲面的成形磨削,而且只需簡單地更換砂帶就可達到粗磨、精磨在一臺裝置上完成,而且磨削寬度可以很大,如圖2－34所示。砂帶磨削磨削異形面常用結(jié)構(gòu)布局見表2－7。

圖2－33成形砂輪磨削

(a)成形砂輪磨削外球面;(b)成形砂輪磨削外曲面

圖2－34砂帶成型磨削

表2－7異形(曲)面砂帶磨削的方案與結(jié)構(gòu)布局

表2－7異形(曲)面砂帶磨削的方案與結(jié)構(gòu)布局2.4.2用簡單刀具加工

1)用手動控制進給加工曲面

加工時由人工操縱機床進給,使刀具相對工件按一定的軌跡運動,從而加工出曲面。這種方法不需要特殊的設備和復雜的專用刀具,曲面的形狀和大小不受限制,但要求操作工人有較高的技術(shù)水平。由于加工質(zhì)量不高,勞動強度大,生產(chǎn)率低,此方法只適宜在單件小批生產(chǎn)中加工精度不高的工件,或作為曲面的粗加工。

(1)回轉(zhuǎn)曲面。對回轉(zhuǎn)曲面,需要按曲面的輪廓制一套(一塊或幾塊)樣板。加工過程中不斷用樣板進行檢驗,以便作相應的修正,直到曲面各部分完全與樣板吻合為止。此法一般在臥式車床上進行,如圖2－35所示。

圖2－35雙手操作加工曲面

(2)直線曲面。將曲面輪廓形狀劃在工件相應的端面,人工操縱機床進給,使刀具沿劃線進行加工。一般在立式銑床上進行加工。

(3)立體曲面。對于立體曲面,隨著數(shù)控技術(shù)的日益普及,目前很少采用手動控制進給加工,故不作介紹。

2)用靠模裝置加工曲面

(1)機械靠模裝置。如圖2－36所示為車床上用靠模法加工手柄,將車床中滑板上的絲杠拆去,將拉桿固定在中滑板上,其另一端與滾柱連接,當大滑板作縱向移動時,滾柱沿著靠模的曲線槽移動,使車刀作相應的移動,車出手柄曲面。

圖2－36用靠模車削曲面

(2)隨動系統(tǒng)靠模裝置。隨動系統(tǒng)靠模裝置是以發(fā)送器的觸點(靠模銷)接收靠模外形輪廓曲線的變化作為信號,通過放大裝置將信號放大后,再由驅(qū)動裝置控制刀具作相應的仿形運動。

按觸發(fā)器的作用原理不同,仿形裝置可分為液壓式、電感式仿形等多種;按機床類型不同,主要有仿形車床和仿形銑床。仿形車床一般用來加工回轉(zhuǎn)曲面,仿形銑床可用來加工直線曲面和立體曲面。

3)用數(shù)控機床加工

數(shù)控機床是通過數(shù)控裝置來控制刀具與工件之間特定的相對運動來完成切削加工的。用切削方法來加工曲面的數(shù)控機床主要有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床和加工中心等。按機床數(shù)控裝置所能控制機床坐標系聯(lián)動插補的坐標軸數(shù)量,可分為:

(1)兩坐標聯(lián)動加工。圖2－37(a)所示為兩坐標聯(lián)動加工手柄示意圖。這種方式適宜加工精度要求較高的回轉(zhuǎn)曲面,常被數(shù)控車床所采用,一般控制X、Z坐標作聯(lián)動插補。

圖2－37數(shù)控機床加工

(a)數(shù)控車床加工;(b)數(shù)控銑床加工

(2)兩軸半加工。所謂兩軸半加工,是指X、Y、Z三軸中任意兩軸作聯(lián)動插補,第三軸作單獨的周期進刀,常稱二軸半坐標聯(lián)動。

兩軸半聯(lián)動加工適宜加工平面曲線輪廓,它是由一條直母線沿平面曲線平行移動而成,是直線曲面中較為簡單的一種,如凸輪輪廓。圖2－37(b)所示為兩軸半數(shù)控機床加工凸輪輪廓示意圖。

(3)三坐標聯(lián)動加工。三坐標聯(lián)動是指X、Y、Z三軸可同時插補聯(lián)動。用三坐標聯(lián)動加工曲面在立式銑床上用球頭銑刀進行,如圖2－38所示。

圖2－38三坐標聯(lián)動加工

(4)四、五坐標聯(lián)動加工。四坐標聯(lián)動加工除了X、Y、Z三軸聯(lián)動插補外,還能同時有一個旋轉(zhuǎn)坐標(可以是A、B、C中任意一個)聯(lián)動。五坐標數(shù)控機床的五個坐標則一般是X、Y、Z和A、B、C中的任意兩個。

四、五坐標數(shù)控加工主要有側(cè)銑加工和端銑加工兩類。

如圖2－39所示,(a)圖為四坐標側(cè)銑加工直紋面。刀具除三個直角坐標系運動外,還繞X軸作擺角聯(lián)動,保證刀具與工件型面在全長始終貼合。(b)圖為五坐標加工。

圖2－39四、五坐標數(shù)控加工

2.4.3曲面加工方法的選擇

曲面的加工方法很多,常用的加工方法詳見表2－8。對于具體零件的曲面應根據(jù)零件的尺寸、形狀、精度及生產(chǎn)批量等來選擇加工方案。

小型回轉(zhuǎn)體零件上形狀不太復雜的曲面,在大批大量生產(chǎn)時常用成形車刀在自動車床或者半自動車床上加工;批量較小時,可用成形車刀在臥式車床上加工。直槽和螺旋槽等,一般可用成形銑刀在萬能銑床上加工。大批大量生產(chǎn)中,為了加工一些直線曲面和立體曲面,常常設計和制造專用的拉刀或?qū)ｉT化機床,例如加工凸輪軸上的凸輪用凸輪軸車床、凸輪軸磨床等。

對于淬硬的曲面,如要求精度高、表面粗糙度小,其精加工則要采用磨削,甚至要用光整加工。

對于通用機床難加工,質(zhì)量也難以保證,甚至對于曲面無法加工的缺點,宜采用數(shù)控機床加工或其他特種加工。

表2－8曲面的常用加工方法

2.5螺紋加工

2.5.1車削螺紋

1.單齒形車刀車削內(nèi)、外螺紋

在臥式車床和絲杠車床上用螺紋車刀車削螺紋時,螺紋的廓形由車刀的刃形所決定,而螺距則是依靠調(diào)整機床的運動來保證的。這種方法刀具簡單、適應性廣、無需專用設備,但生產(chǎn)率不高,主要用于單件小批生產(chǎn)。

圖2－40螺紋梳刀的刀齒

2.多齒形車刀(梳刀)車削螺紋

在成批生產(chǎn)中,常采用各種螺紋梳刀車削螺紋。梳刀實質(zhì)上是多齒的螺紋車刀,一般有6～8個刀齒,分為車削和校準兩部分,如圖2－40所示。切削部分有切削錐,擔負主要切削工作,校準部分廓形完整,起校準作用。由于有了切削錐,切削負荷均勻地分配在幾個齒上,刀具磨損均勻,一般一次進給便能成形,生產(chǎn)率較高,但加工不同螺距、頭數(shù)、牙形角的螺紋時,必須更換相應的梳刀,因此只適于成批生產(chǎn)。螺紋梳刀分平體、棱體和圓體三種形式,見圖2－41,其中以圓體螺紋梳刀用得最多。

圖2－41螺紋梳刀的刀體形式

(a)平體螺紋梳刀；(b)棱體螺紋梳刀；(c)原體螺紋梳刀

2.5.2銑削螺紋

1.盤形銑刀銑削螺紋

圖2－42所示為在普通萬能銑床上用盤形螺紋銑刀銑削梯形螺紋。工件安裝在分度頭與頂尖上,調(diào)整刀軸使其處于水平位置,并與工件軸線成螺紋升角ψ角。銑刀高速旋轉(zhuǎn),工件在沿軸向移動一個導程的同時需旋轉(zhuǎn)一周。這一運動關(guān)系通過工作臺縱向進給絲杠和分度頭之間的掛輪得以保證。若銑削多線螺紋,可利用分度頭分線依次銑削各條螺紋。

圖2－42盤銑刀銑削螺紋

2.旋風法銑削螺紋

旋風法銑削螺紋,常在改裝的車床上進行。如圖2－43所示,工件裝在車床的卡盤或頂尖上,作低速轉(zhuǎn)動(4～25r／min)。裝有1～4個刀頭的旋風刀盤安裝在車床的橫向滑板上,靠專用電動機帶動,以1000～1600r／min的高速旋轉(zhuǎn)。工件旋轉(zhuǎn)一周時,刀盤縱向移動一個導程。刀盤軸線與工件軸線成螺紋升角ψ,兩者旋轉(zhuǎn)中心有一偏心距,使刀頭只在A-A圓周上接觸工件,每個刀頭僅切去一小片金屬,刀刃在工作時得到充分的冷卻。因此,一般都為一次進給完成加工,生產(chǎn)率較盤銑刀銑削高3～8倍。但銑頭調(diào)整較麻煩,加工精度不太高,主要用于大批量生產(chǎn)螺桿或作為精密絲杠的粗加工。

圖2－43旋風法銑削螺紋示意

2.5.3攻螺紋和套螺紋

內(nèi)螺紋加工常用絲錐攻制,外螺紋用板牙加工，多用于手工操作,亦可利用螺紋夾頭在車床或鉆床及專用機床上進行加工。與套螺紋相比,攻螺紋的應用更為普遍。對于小尺寸的內(nèi)螺紋,攻螺紋幾乎是唯一有效的方法。

在車床上使用的攻螺紋夾頭如圖2－44所示。將其裝在車床尾架套筒的錐孔中,絲錐由壓緊螺母通過四粒鋼珠壓緊在摩擦桿上,摩擦桿右端臺肩的兩端面分別墊有尼龍墊片。適當調(diào)節(jié)螺塞,摩擦桿即受到一定的壓緊力,可防止摩擦桿隨工件轉(zhuǎn)動。但當切削力過大時,又可以隨工件轉(zhuǎn)動而在尼龍墊之間打滑,從而防止亂扣和折斷絲錐。攻螺紋時工件低速旋轉(zhuǎn),絲錐只軸向移動而不轉(zhuǎn)動。工具體與柄部為間隙配合,軸向槽中插入螺釘,以使工具體不隨工件轉(zhuǎn)動,而只隨絲錐沿工件軸向自由進給。在車床上使用這種攻螺紋夾頭,主要用來對盤套類零件軸線上的小螺孔進行攻螺紋。

圖2－44攻螺紋夾頭

2.5.4螺紋無屑加工

1.搓削螺紋

如圖2－45所示,搓削螺紋時,工件放在固定搓螺紋板(靜板)與活動搓螺紋板(動板)之間。兩搓螺紋板的平面上均有斜槽,其截面形狀與待搓螺紋的牙形相符。當活動搓螺紋板移動時,即在工件表面擠壓出螺紋。搓螺紋的最大直徑為25mm,精度可達5級,表面粗糙度Ra值為1.6～0.8μm。

圖2－45搓螺紋原理

2.滾壓螺紋

如圖2－46所示,螺紋滾輪外圓周上具有與工件螺紋截面形狀完全相同,但旋向相反的螺紋。滾螺紋時工件放在兩個螺紋滾輪之間。兩螺紋滾輪同向等速旋轉(zhuǎn)時帶動工件旋轉(zhuǎn),同時一螺紋滾輪向另一螺紋滾輪作徑向進給,從而逐漸擠壓出螺紋外形。

圖2－46螺紋滾壓原理

滾螺紋的工件直徑范圍為0.3～120mm,表面粗糙度Ra值為0.8～0.2μm。滾螺紋生產(chǎn)率較搓螺紋低,可用來滾制螺釘、絲錐等。利用三個或兩個滾輪,并使工件作軸向移動,可滾制絲杠。

2.5.5螺紋磨削

精密螺紋,如螺紋量規(guī)、絲錐、精密絲杠及齒輪滾刀等,在車削或銑削之后,需在專用螺紋磨床上進行磨削。螺紋磨削有單線砂輪磨削和多線砂輪磨削兩種,前者應用較為普遍。

單線砂輪磨削如圖2－47所示,砂輪軸線相對于工件軸線傾斜一個螺紋升角ψ,經(jīng)修整后,砂輪在螺紋軸向截面上的形狀與螺紋的牙槽相吻合。磨削時,工件裝在螺紋磨床的前后頂尖之間,工件每轉(zhuǎn)一周,同時沿軸向移動一個導程。砂輪高速旋轉(zhuǎn),并在每次磨削行程之前作徑向進給,經(jīng)多次行程完成加工。對于螺距小于1.5mm的螺紋,可不經(jīng)預加工,采用較大的背吃刀量和較小的工件進給速度,經(jīng)一次或兩次行程直接磨出螺紋。

圖2－47單線砂輪磨削螺紋

2.6漸開線齒面加工

齒輪是用來傳遞運動和動力的重要零件,在各種機器和儀器中應用非常普遍。齒輪結(jié)構(gòu)形式較多,其中漸開線直齒圓柱齒輪應用最廣,本節(jié)主要介紹這類齒輪的齒面加工。

按齒面形成的原理不同,齒面加工方法可以分為兩類:一類是成形法,用與被切齒輪齒槽形狀相符的成形刀具切出齒面,如銑齒、拉齒和成型磨齒等;另一類是展成法,齒輪刀具與工件按齒輪副的嚙合關(guān)系作展成運動,工件的齒面由刀具的切削刃包絡而成,如滾齒、插齒、剃齒、磨齒和珩齒等。

2.6.1成形法

這里僅介紹銑齒。銑齒是指用齒形銑刀在銑床上加工齒面的方法,如圖2－48所示。齒形銑刀有盤狀和指狀兩種,模數(shù)m≤8mm的齒輪,一般用盤狀齒形銑刀在臥式銑床上加工;m＞8mm齒輪,通常用指狀齒形銑刀在立式銑床上加工。銑齒精度較低,僅能達到9級,表面粗糙度Ra為6.3～3.2μm,且生產(chǎn)效率低。銑齒不需專用的齒輪加工設備,而且齒輪銑刀結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜,一般用在單件或修配生產(chǎn)中,制造低速、低精度齒輪。

圖2－48銑齒

(a)盤狀銑刀;(b)指狀銑刀

2.6.2展成法

生產(chǎn)中,齒輪齒面加工常用展成法。展成法加工齒輪齒面較成形法的銑齒生產(chǎn)效率高,加工精度高。展成法加工齒輪齒面主要有插齒和滾齒兩種。對于重要場合下使用的齒輪,在進行插齒或滾齒后還必需再精加工。

常用的齒面精加工方法有剃齒、珩齒及磨齒。

1.齒面粗加工

(1)滾齒。滾齒是指用齒輪滾刀在滾齒機上加工齒輪齒面的方法。其加工精度可達8～7級,齒面粗糙度Ra為3.2～1.6μm。

滾齒加工是按照展成法的原理來加工齒輪的。用滾刀來加工齒輪相當于一對交錯軸的螺旋齒輪相嚙合,如圖2－49所示。

圖2－49滾齒原理與滾齒運動

圖2－50漸開線的包絡圖形

在齒輪滾刀按給定的切削速度作旋轉(zhuǎn)運動時,工件則按齒輪齒條的嚙合關(guān)系傳動,在齒坯上切出齒槽,形成漸開線齒面。在滾切過程中分布在滾刀螺旋線上的各刀齒相繼切出齒槽中一薄層金屬,漸開線齒廓則由切削刃的一系列瞬時位置包絡而成,如圖2－50所示。

為了得到漸開線齒廊和齒輪齒數(shù),滾齒時,滾刀和工件之間必須保持嚴格的相對運動關(guān)系,即當滾刀轉(zhuǎn)過1轉(zhuǎn)時,工件相應地轉(zhuǎn)過K個齒(K為滾刀頭數(shù))。

滾齒加工適于加工直齒、斜齒圓柱齒輪和蝸輪,但不能加工內(nèi)齒輪、扇形齒輪和相距很近的多聯(lián)齒輪。

(2)插齒。插齒是指用插齒刀在插齒機上加工齒輪齒面的方法,插齒過程相當于一對圓柱齒輪的嚙合,插齒刀相當于一個端面磨有前角、齒頂及齒端磨有后角的變位齒輪,如圖2－51所示。

圖2－51插齒加工原理及其成形運動

插齒的主要運動有:主運動,展成運動(分齒運動),徑向進給運動,讓刀運動。在加工過程中,須保持插齒刀和工件的正確嚙合關(guān)系,即刀具轉(zhuǎn)過一個齒,工件也應準確地轉(zhuǎn)過1個齒。插齒刀每往復一次,僅切出工件齒槽很小一部分,工件齒槽的齒面曲線由插齒刀切削刃多次切削的包絡線所形成。其加工精度可達8～7級,齒面粗糙度Ra可達1.6μm。

插齒主運動是往復運動,提高插齒速度受到插齒刀主軸往復運動慣性的限制。目前常用的插齒刀每分鐘往復行程數(shù)一般只有幾百次。插齒有空程損失,實際進行切削的行程長度只有總行程長度的1／3左右,故生產(chǎn)率較低。插齒可以加工內(nèi)齒輪,可以加工齒條,可以加工扇形齒,還可以加工齒圈相距很近的雙聯(lián)齒輪、三聯(lián)齒輪等。

2.齒面的精加工

對于6級精度以上的齒輪,或者淬火后的硬齒面的加工,往往需要在滾齒、插齒之后,經(jīng)熱處理再進行精加工,常用的齒面精加工的方法有剃齒、珩齒、磨齒。以下簡述這三種加工方法及應用。

(1)剃齒。剃齒常用于未淬火圓柱齒輪的精加工,是軟齒面精加工最常見的加工方法。剃齒是用剃齒刀在剃齒機上進行,如圖2－52所示。

圖2－52剃齒刀及其剃齒工作原理

剃齒刀形狀如螺旋圓柱齒輪,但齒形做得非常準確,并在每個齒的齒側(cè)沿漸開線方向開出許多小溝槽,形成切削刃,見圖2－52(a),剃齒在原理上屬于一對螺旋齒輪作無側(cè)隙雙面嚙合,并由剃齒刀帶動工件作自由轉(zhuǎn)動的過程,見圖2－52(b)。剃齒應具備以下運動(見圖2－52(c)):

①剃齒刀的正反旋轉(zhuǎn)運動(工件由剃齒刀帶動旋轉(zhuǎn))。

②工件沿其軸線的縱向作往復進給運動。

③工件每往復運動一次后的徑向進給運動。

剃齒時刀具與工件之間沒有強制性運動關(guān)系,不能保證分齒均勻,因此剃齒對糾正運動誤差的能力較差。但是,剃齒刀的精度高,剃齒加工精度主要取決于刀具。一般情況下,切向誤差糾正能力差,故其前道工序一般為滾齒。

剃齒主要用于加工滾齒或插齒后未經(jīng)淬火(齒面硬度35HRC以下)的直齒和斜齒圓柱齒輪,精度可達7～6級,齒面粗糙度Ra可達0.8～0.4μm。

(2)珩齒。珩齒是用珩磨輪(見圖2－53(