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轴类零件加工概述
轴类零件的功用与结构特点：
功用——支承传动件、传递扭矩或运动、承受载荷，一定的回转精度。结构——回转体零件，长度大于直径。组成：圆柱面、圆锥面、端面、沟槽、圆弧、螺纹、键槽、花键、其他表面（如横向孔等)。分类：光轴、阶梯轴、空心轴、异形轴（曲轴、凸轮轴、偏心轴和花键轴等）如图所示。刚性轴（L/d≤12），挠性轴（L/d＞12）
轴的种类
轴类零件的主要技术要求
轴类零件的重要表面是轴颈和轴肩，包括配合轴颈(装配传动件)和支承轴颈(装配轴承)。根据零件的使用性能要求，其主要技术要求有：
尺寸精度和几何形状精度直径精度通常为IT6～IT9,有时可达IT5。
几何形状精度(圆度、圆柱度)应限制在直径公差范围之内。要求较高时,则应在零件图上专门标注形状公差，取公差的1/2，1/4。
位置精度普通精度的轴,配合轴颈相对支承轴颈的径向圆跳动一般为 0.01～0.03mm,
高精度的轴为0.001～0.005mm。
端面圆跳动为0.005～0.01mm。
表面粗糙度一般说来,轴类零件的各加工表面均有表面粗糙度的要求。
支承轴颈的表面粗糙度要求为Ra0.16～0.8μm。
配合轴颈的表面粗糙度Ra为0.63～3.2μm。
其他技术要求热处理（表面淬火、渗碳淬火等），动平衡，探伤，过渡圆角等。
轴类零件的材料、毛坯及热处理
轴类零件的材料不重要的轴：普通碳素钢Q235Ａ、Q255Ａ、Q275Ａ等，不经热处理；
一般轴类零件：35、40、45、50钢等，正火、调质、淬火
中等精度而转速较高的轴：40Cr等合金结构钢，调质和表面淬火
精度较高的轴：可选用轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn等，也可选用球墨铸铁，调质和表面淬火
对于高转速、重载荷条件下工作的轴,选用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金钢或38CrMoAl氮化钢，渗碳淬火或氮化。
结构复杂（曲轴）——HT400、QT600、QT450、QT400
轴类零件的毛坯轴类零件最常用的毛坯是圆棒料和锻件
光轴、直径相差不大的阶梯轴，采用圆钢作为毛坯；
直径相差较大的阶梯轴．比较重要的轴，应采用锻件;
只有某些大型、结构复杂的异形轴，可采用球墨铸铁铸件；
毛坯经过加热锻造后,可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布,从而获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度,故一般比较重要的轴,多采用锻件。
自由锻造多用于中小批生产,模锻适用于大批大量生产。
轴类零件的热处理
锻造毛坯在加工前,均需安排正火或退火处理(含碳量大于ω(C)=0.5％的碳钢和合金钢),以使钢材内部晶粒细化,消除锻造应力,降低材料硬度,改善切削加工性能。
为了获得较好的综合力学性能，常要求调质处理，一般分两种情况：
(1)毛坯余量大时，调质安排在粗车之后、半精车之前,以便消除粗车时产生的残余应力。
(2)毛坯余量小时，调质可安排在粗车之前进行。
表面淬火一般安排在精加工之前，这样可纠正因淬火引起的局部变形。对精度要求高的轴，在局部淬火后或粗磨之后,还需进行低温时效处理(在160℃油中进行长时间的低温时效)，以保证尺寸的稳定。
对于氮化钢(如38GrMoAl)，需在渗氮之前进行调质和低温时效处理。对调质的质量要求也很严格，不仅要求调质后索氏体组织要均匀细化，而且要求离表面0.8～0.10mm层内铁素体含量不超过ω(C)＝5％，否则会造成氮化脆性而影响其质量。
传动轴加工工艺及其分析
如图为减速箱传动轴工作图样。
如图为减速箱传动轴工作图样。
技术要求 ：
公差都是以轴颈M和N的公共轴线为基准。
外圆Q和P径向圆跳动公差为0.02，
轴肩H、G和I端面圆跳动公差为0.02。
1．传动轴工艺分析
1) 传动轴的主要表面及其技术要求
①轴颈M、N、P、Q：IT6;Ra0.8 mm ；P,Q对M,N轴线径 向圆跳动公差为0.02mm。
②轴肩G、H、I：Ra0.8 mm ；均对M,N轴线端面圆跳动 公差为0.02mm。
③螺纹M24×1-6g：6级精度。
④键槽8和12：IT9；侧面 Ra3.2 mm。
⑤材料40Cr，调质220～240HBS。
2) 工艺方案分析
传动轴大多是回转表面，主要是采用车削和外圆磨削。由于该轴主要表面M,N,P,Q的公差等级较高（IT6），表面粗糙度值较小（Ra0.8µm），最终加工应采用磨削。其加工方案：
① 轴颈M、N、P、Q和轴肩G、H、I等主要表面应先车后磨，主要工艺路线为：粗车—®调质—®半精车—®磨削。
② 车、磨均以两端中心孔为定位精基准。两端中心孔可在粗车之前加工出。
③ 两段螺纹在半精车阶段车出。
④ 两个键槽在磨削之前铣出。
⑤毛坯选用Ø60热轧圆钢料。
3) 工艺过程
下料—®粗车—®调质—®修研中心孔—®铣键槽—®修研中心孔—®磨削—®检验。
传动轴工艺卡
2、划分加工阶段
该轴加工划分为三个加工阶段，即粗车（粗车外圆、钻中心孔），半精车（半精车各处外圆、台肩和修研中心孔等），粗精磨各处外圆。各加工阶段大致以热处理为界。
3、选择定位基准
轴类零件的定位基面，最常用的是两中心孔。因为轴类零件各外圆表面、螺纹表面的同轴度及端面对轴线的垂直度是相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，采用两中心孔定位就能符合基准重合原则。而且由于多数工序都采用中心孔作为定位基面，能最大限度地加工出多个外圆和端面，这也符合基准统一原则。
但下列情况不能用两中心孔作为定位基面：
（1）粗加工外圆时，为提高工件刚度，则采用轴外圆表面为定位基面，或以外圆和中心孔同作定位基面，即一夹一顶。
（2）当轴为通孔零件时，在加工过程中，作为定位基面的中心孔因钻出通孔而消失。为了在通孔加工后还能用中心孔作为定位基面，工艺上常采用三种方法。
①当中心通孔直径较小时，可直接在孔口倒出宽度不大于2mm的60º内锥面来代替中心孔；
②当轴有圆柱孔时，可采用图右所示的锥堵，取1∶500锥度；当轴孔锥度较小时，取锥堵锥度与工件两端定位孔锥度相同；
③当轴通孔的锥度较大时，可采用带锥堵的心轴，简称锥堵心轴，如右图b所示。使用锥堵或锥堵心轴时应注意，一般中途不得更换或拆卸，直到精加工完各处加工面，不再使用中心孔时方能拆卸。
4、热处理工序的安排
该轴需进行调质处理。它应放在粗加工后，半精加工前进行。如采用锻件毛坯，必须首先安排退火或正火处理。该轴毛坯为热轧钢，可不必进行正火处理。
5、加工顺序安排
除了应遵循加工顺序安排的一般原则，如先粗后精、先主后次等，还应注意：
（1）外圆表面加工顺序应为，先加工大直径外圆，然后再加工小直径外圆，以免一开始就降低了工件的刚度。
（2）轴上的花键、键槽等表面的加工应在外圆精车或粗磨之后，精磨外圆之前。
轴上矩形花键的加工，通常采用铣削和磨削加工，产量大时常用花键滚刀在花键铣床上加工。以外径定心的花键轴，通常只磨削外径键侧，而内径铣出后不必进行磨削，但如经过淬火而使花键扭曲变形过大时，也要对侧面进行磨削加工。以内径定心的花键，其内径和键侧均需进行磨削加工。
（3）轴上的螺纹一般有较高的精度，如安排在局部淬火之前进行加工，则淬火后产生的变形会影响螺纹的精度。因此螺纹加工宜安排在工件局部淬火之后进行。
机床主轴加工工艺及其分析
1.主轴的主要技术条件
支承轴颈Ａ、Ｂ是主轴部件的装配基准,它的制造精度直接影响主轴部件的回转精度,故对它提出的要求很高。
主轴锥孔安装顶尖和工具锥柄,其中心线必须与支承轴颈的中心线严格同轴,否则会使工件产生圆度和同轴度误差。
主轴前端圆锥面、端面是安装卡盘的定位表面。为保证卡盘的定心精度,主轴前端圆锥面与支承轴颈同轴,端面与主轴的回转中心线垂直。
主轴上的螺纹是固定与调节轴承间隙的。当螺纹中径对支承轴颈歪斜时会引起锁紧螺母的端面跳动,轴承位置发生变动,引起主轴径向圆跳动。因此对螺纹的要求高。
2.加工工艺过程
通过对主轴的技术要求和结构特点进行深入分析,根据生产批量、设备条件、工人技术水平等因素,就可以拟定其机械加工工艺过程。下表为CA6140型车床主轴加工工艺过程简表。
CA6140型车床主轴加工工艺过程简表
3.加工工艺过程分析
1)加工阶段的划分
由于主轴是多阶梯带通孔的零件,切除大量金属后,会引起残余应力重新分布而变形,故安排工序时,一定要粗精分开,先粗后精。
（1)粗加工阶段:切端面钻中心孔、粗车外圆等。
毛坯处理:备料,锻造,热处理(正火),工序1～3。粗加工:工序4～6。目的:切除大部分余量,接近最终尺寸,只留少量余量,及时发现缺陷。（2)半精加工阶段:半精车外圆，各辅助表面(键槽、花键、螺纹等)的加工与表面淬火。
半精加工前热处理:工序7。半精加工:工序8～13。目的:为精加工作准备,次要表面达到图纸要求。（3)精加工阶段:主要表面(外圆表面与锥孔)的精加工。
精加工前热处理:工序14。精加工前各种加工:工序15～20。精加工:工序21～23。目的:各表面都加工到图纸要求。2)定位基准的选择
轴类零件的定位基准,最常用的是两中心孔。因为轴类零件各外圆表面、锥孔、螺纹等表面的设计基准都是轴的中心线,采用两中心孔定位,既符合基准重合原则又符合基准统一原则。
不能用中心孔或粗加工时,采用轴的外圆表面或外圆表面与中心孔组合作为定位基准。磨、车锥孔时采用主轴的装配基准——前后支承轴颈定位,符合基准重合原则。
由于主轴是带通孔的零件,作为定位基准的中心孔,因钻出通孔而消失。为了在通孔加工之后还能使用中心孔作为定位基准,常采用带有中心孔的锥堵或锥套心轴,当主轴孔的锥度较小时(如车床主轴锥孔,锥度为MorseNo.6)，可使用锥堵，;当主轴孔的锥度较大(如铣床主轴)或为圆柱孔时,则用锥套心轴。
采用锥堵应注意以下几点:锥堵应具有较高的精度,其中心孔既是锥堵本身制造的定位基准,又是磨削主轴的精基准,因而必须保证锥堵的锥面与中心孔有较高的同轴度。另外,在使用锥堵时,应尽量减少锥堵装夹次数。这是因为工件锥孔与锥堵的锥角不可能完全一样,重新装夹势必引起安装误差,故中、小批生产时,锥堵安装后一般不中途更换。
综上所述,空心主轴零件定位基准的使用与转换,大致采用这样的方式:开始时以外圆作粗基准铣端面钻中心孔,为粗车外圆准备好定位基准。粗车外圆又为深孔加工准备好定位基准,钻深孔时采用一夹(夹一头外圆)一托(托一头外圆)的装夹方式。之后即加工好前后锥孔,以便安装锥堵,为半精加工和精加工外圆准备好定位基准。终磨锥孔之前,必须磨好轴颈表面,以便用支承轴颈定位来磨锥孔,从而保证锥孔的精度。
3)工序顺序的安排
安排主轴加工工序的顺序时应注意以下几点:
（1)基准先行。在安排机械加工工艺时,总是先加工好定位基准面,即基准先行。主轴加工也总是首先安排铣端面钻中心孔,以便为后续工序准备好定位基准。
（2)深孔加工的安排。为了使中心孔能够在多道工序中使用,希望深孔加工安排在最后。但是,深孔加工属粗加工,余量大,发热多,变形也大,会使得加工精度难以保持,故不能放到最后。一般深孔加工安排在外圆粗车之后,以便有一个较为精确的轴颈作定位基准用来搭中心架,这样加工出的孔容易保证主轴壁厚均匀。
（3)先外后内与先大后小。先加工外圆,再以外圆定位加工内孔。如上述主轴锥孔安排在轴颈精磨之后再进行精磨;加工阶梯外圆时,先加工直径较大的,后加工直径较小的,这样可避免过早地削弱工件的刚度。加工阶梯深孔时,先加工直径较大的,后加工直径较小的,这样便于使用刚度较大的孔加工工具。
（4)次要表面加工的安排。主轴上的花键、键槽、螺纹等次要表面加工,通常均安排在外圆精车或粗磨之后、精磨外圆之前进行。如果精车前就铣出键槽,精车时因断续切削而易产生振动,既影响加工质量,又容易损坏刀具,也难控制键槽的深度。这些加工也不能放到主要表面精磨之后,否则会破坏主要表面已获得的精度。
4)主要工序加工方法
（1)外圆表面的加工。外圆表面粗加工和半精加工应用车削的方法。成批生产时采用转塔车床、数控车床;大批量生产时,采用多刀半自动车床、液压仿形半自动车床等。
外圆表面的精加工应用磨削方法,放在热处理工序后进行,用来纠正在热处理中产生的变形,最后达到所需的精度和表面粗糙度。当生产批量较大时,常采用组合磨削、成形砂轮磨削及无心磨削等高效磨削方法。
（2)精磨锥孔。主轴锥孔对主轴支承轴颈的径向圆跳动,是一项重要的精度指标,因此锥孔加工是关键工序。主轴锥孔磨削通常均采用专用夹具。
夹具由底座、支架及浮动夹头三部分组成。支架固定在底座上,支承前后各有一个V形块,其上镶有硬质合金(提高耐磨性),工件放在V形块上,工件中心与磨头中心必须等高,否则会出现双曲线误差,影响其接触精度。后端的浮动夹头锥柄装在磨床主轴锥孔内,工件尾部插入弹性套内,用弹簧将夹头外壳连同主轴向左拉,通过钢球压向带有硬质合金的锥柄端面,限制工件轴向窜动。这种磨削方式,可使主轴锥孔磨削精度不受内圆磨床头架主轴回转误差的影响。
（3)主轴中心通孔的加工。主轴的中心通孔一般都是深孔(长度与直径之比大于5)。深孔比一般孔的加工要困难和复杂得多。针对深孔加工的不利条件,要解决好刀具引导、顺利排屑和充分润滑三个关键问题。一般采取下列措施:
①采用工件旋转、刀具送进的加工方式,使钻头有自定中心能力,防止孔中心线偏斜;
②采用特殊结构的刀具——深孔钻,以增加其导向的稳定性和断屑性能;
③在工件上预先加工出一段精确的导向孔,保证钻头从一开始就不引偏;
④采用压力输送的冷却润滑液,利用压力将冷却润滑液送入切削区域,对钻头起冷却润滑作用,并带着切屑排出。
精密机床主轴零件的加工工艺特点
对于精密机床主轴,不仅一些主要表面的精度和表面质量要求很高,而且精度也要求稳定。这就使得精密主轴在材料选择、工艺安排、热处理等方面具有一些特点。
下面以高精度磨床砂轮主轴的加工为例来讨论精密主轴加工的工艺特点。图为某高精度磨床砂轮主轴的简图。
主要技术要求如下:
(1)支承轴颈60-0.025-0.035mm表面的圆度和圆柱度均
为0.001mm,两轴颈相对径向圆跳动为0.001mm;
(2)安装砂轮的1∶5锥面相对支承轴颈的径向圆跳动为0.001mm;锥面涂色检验时,应均匀着色,接触面积不得小于80%;
(3)前轴肩的端面圆跳动为0.001mm;
(4)两端螺纹应直接磨出;
(5)材料为38CrMoAlA,渗氮处理后的硬度为HRC65。
为满足以上技术要求,采取以下加工工艺路线:
(1)锻造毛坯;
(2)毛坯退火处理;
(3)粗车外圆(外圆径向圆跳动应小于0.2mm);
(4)调质(外圆径向圆跳动应小于1mm);
(5)割试样(在M36×3左端割取),并在零件端一面和试样外圆作相同编号;
(6)在试样任意位置钻出￠3mm的孔;
(7)平磨试样两面,将试样送淬火车间进行金相检查,待检查合格后,零件方可转下道工序加工,试样由淬火车间保存,备渗氮检查;
(8)精车外圆(外圆径向圆跳动小于0.1mm),留磨削加工余量0.7～0.8mm;
(9)铣键槽至尺寸深度;
(10)除应力处理;
(11)研磨顶尖孔,表面粗糙度为Ra0.63μm以下,用标准顶尖着色检查,接触面积为60％;
(12)粗磨外圆,留精磨加工余量0.06~0.08mm;
(13)渗氮处理硬度:HRC65,深度0.3mm,渗氮后进行磁力探伤。各外圆径向圆跳动不大于0.03mm。键槽应加保护,不使渗氮;
(14)研磨顶尖孔,表面粗糙度为Ra0.32μm,接触面积为65％;
(15)半精磨外圆,加工余量不大于0.01mm;
(16)磨螺纹;
(17)精研顶尖孔,表面粗糙度为Ra0.32μm,接触面积为75％;
(18)精磨外圆(在恒温室内进行),尺寸达公差上限;
(19)研顶尖孔,表面粗糙度为Ra0.32μm,接触面积为80％(用磨床顶尖检查);
(20)终磨外圆(磨削过程中允许研顶尖孔),在恒温室内进行,室温20℃±1℃,充分冷却,表面粗糙度和精度达到图样要求。
从上面工艺路线可以看出精密主轴加工有以下特点:
(1)主要表面的加工工序分得很细。如支承轴颈￠60-0.025-0.035mm表面经过粗车、精车、粗磨、精磨和终磨多道加工工序,其中还穿插一些热处理工序,以减少由内应力所引起的变形。
(2)顶尖孔要多次修研。先后安排了四次修研顶尖孔工序,而且逐步使顶尖孔的表面粗糙度值减小,以提高接触精度,最后一次以终磨外圆的磨床顶尖来检验顶尖孔的接触精度。
(3) 合理安排热处理工序。为保证渗氮处理的质量和主轴精度的稳定,渗氮处理前需安排调质和消除应力两道热处理工序。调质处理对渗氮主轴非常重要,因为对渗氮主轴,不仅要求调质后获得均匀细致的索氏体组织,而且要求离表面0.8～0.10mm的表面层内的铁素体含量不得超过5％。表层铁素体的存在,会造成渗氮脆性,引起渗氮质量下降。故渗氮主轴在调质后,必须每件割试样进行金相组织的检查,不合格者不得转入下道工序加工。
渗氮主轴由于渗氮层很薄,渗氮前如果主轴内应力消除不好,渗氮后会出现较大的弯曲变形,以至渗氮层的厚度不够抵消磨削加工时纠正弯曲变形的余量,所以精密主轴渗氮处理前,都要安排除应力工序。对于非渗氮精密主轴,虽然表面淬火前不必安排除应力处理,但是在淬火及粗磨后,为了稳定淬硬钢中的残余奥氏体组织。使工件尺寸稳定和消除加工应力,需要安排低温人工时效。时效的次数视零件的精度和结构特点而定。
(4)精密主轴上的螺纹在螺纹磨床上直接磨出。为了避免装卸砂轮和带轮时将螺纹碰伤,一般要求对螺纹部分进行淬火处理。但若对已车好的螺纹进行淬火,则会因应力集中而产生裂纹,故精密主轴上的螺纹多不采用车削,而在淬火、粗磨外圆后用螺纹磨床直接磨出。
细长轴和丝杠加工
1. 细长轴加工
长度与直径之比大于20(L/D>20)的轴称为细长轴。细长轴零件由于长径比大,刚性差,切削时间长,刀具磨损量大,不易获得良好的加工精度和表面质量。
车削细长轴对刀具、机床精度、辅助工具的精度、切削用量的选择,以及工艺安排、具体操作技能等都应有较高的要求。可以说细长轴加工是一项工艺性较强的综合技术。为了保证加工质量,通常在车削细长轴外圆时采取以下措施：
(1)减少受热变形对加工的影响
A、改进工件的装夹方法。在车削细长轴时,一般均采用一头夹和一头顶的装夹方法。同时在卡盘的卡爪下面垫入直径约4mm内的钢丝,使工件与卡爪之间为线接触,避免工件夹紧时被卡爪夹坏。尾座顶尖采用弹性活顶尖,使工件在受热变形而伸长时,顶尖能作轴向伸缩,以补偿工件的变形,减小工件的弯曲,如图4-7所示。
B、加切削液。切削中，充分浇注切削液，降低工件温度。
C、保持车刀锐利，减少切削中的摩擦发热。
(2)中心架和跟刀架的使用
A、用中心架支承：
a）当工件可以进行分段切削时，中心架支承在工件中间。先在毛坯中部车出一段支承中心架支承爪的沟槽（其直径比最终尺寸略大），其表面粗糙及圆柱误差要小，并在支承爪与工件接触处经常加润滑油。为提高工件精度，车削前应将工件轴线调整到与机床主轴回转中心同轴。
b）当车削支承中心架的沟槽比较困难或一些中段不需加工的细长轴时，可用过渡套筒，使支承爪与过渡套筒的外表面接触，如图所示，过渡套筒的两端各装有四个螺钉，用这些螺钉夹住毛坯表面，并调整套筒外圆的轴线与主轴旋转轴线相重合。
c）一端用卡盘夹持，一端用中心架支承：用于加工细长轴端面、钻中心孔和车削较长端内孔、内螺纹等。
a）、b）一般用于粗加工。
B、采用跟刀架。
对不适宜调头车削的细长轴，不能用中心架支承，而要用跟刀架支承进行车削，以增加工件的刚性。跟刀架固定在床鞍上。
跟刀架一般有两个支承爪，它可以跟随车刀移动，抵消径向切削力，提高车削细长轴的形状精度和减小表面粗糙度，
如图a所示为两爪跟刀架，因为车刀给工件的切削抗力F’r，使工件贴在跟刀架的两个支承爪上，但由于工件本身的向下重力，以及偶然的弯曲，车削时会瞬时离开支承爪、接触支承爪时产生振动。Ø所以比较理想的中心架需要用三爪中心架，如图b所示。此时，由三爪和车刀抵住工件，使之上下、左右都不能移动，车削时稳定，不易产生振动。使用三爪支承的跟刀架车削细长轴能大大提高工件刚性,防止工件弯曲变形和抵消加工时径向切削分力的影响,减少振动和工件变形。
使用跟刀架必须注意仔细调整,保证跟刀架的支承爪与工件表面保持良好的接触,跟刀架中心高与机床顶尖中心须保持一致,若跟刀架的支承爪在加工中磨损,则应及时调整。
C、采用反向进给。车削细长轴时改变进给方向,使中滑板由车头向尾座移动(如图4-8所示),这样,刀具施加于工件上的轴向力方向朝向尾座,工件已加工部位受轴向拉伸,轴向变形则可由尾座弹性顶尖来补偿,减少了工件弯曲变形。
D、合理选择车刀的几何形状和角度。在不影响刀具强度的情况下,为减少切削力和降低切削热,车削细长轴的车刀前角应选择大些,一般取γ0～15°～30°;尽量增大主偏角,一般取κr=80°～93°,车刀前刀面应开有断屑槽,以便断屑;刃倾角选择1°30′～3°为好,这样能使切屑流向待加工表面,卷屑效果良好。
切削刃表面粗糙度要求在Ra0.4μm以下,并应保持锋利。
E 、合理选择切削用量。工件刚性较差，切削用量比车削普通工件时要小些。
2. 丝杠加工
(1)丝杠结构的工艺特点与技术要求。丝杠是细而长的柔性轴,它的长径比为20～50,刚性很差。其结构形状较复杂,既有要求很高的螺纹表面,又有阶梯及沟槽。在加工过程中易变形,这是影响丝杠精度的主要问题。
按JB2884-81规定,丝杠及螺母的精度根据使用要求分为六级:4、5、6、7、8、9(精度依次降低)。
各级精度的丝杠,除规定有螺纹大径、中径和小径的公差外,还规定了螺距公差、牙形半角的极限偏差、表面粗糙度、全长中径尺寸变动量的公差、中径跳动公差等。
(2)丝杠的材料。为保证丝杠的质量,其材料应有足够的强度、较高的稳定性和良好的加工性。
丝杠有淬硬丝杠和不淬硬丝杠之分,前者耐磨性较好,能较长时间保持精度。
不淬硬丝杠材料有45钢,Y40Mn易切削钢和具有珠光体组织的优质碳素工具钢T10A、T12A等。淬硬丝杠常用中碳合金钢和微变形钢,如9Mn2V,CrWMn,GCr15(用于小于50mm的丝杠)及GCr15SiMn(用于大于￠50mm的丝杠)等。它们淬火变形小、磨削时组织比较稳定,淬硬性好,硬度可达HRC58～62。
(3)丝杠加工工艺分析。下表列出了成批生产卧式车床母丝杠和小批生产万能螺纹磨床母丝杠(的工艺过程,在编制丝杠工艺规程时,要考虑如何防止弯曲、减少内应力和提高螺距精度等问题。
从表中可见,对丝杠外圆及螺纹分阶段分多次加工,以逐步减少切削量。对不淬硬丝杠一般采用车削加工;对淬硬丝杠,则采用“先车后磨,或“全磨”两种不同的工艺。后者是从淬硬后的光杠上先直接用单片或多片砂轮粗磨出螺纹,然后用单片砂轮精磨螺纹。
在丝杠加工过程中,中心孔为主要定位基准,但因丝杠为细长轴,刚度很差,加工时需用跟刀架。为了使外圆表面与跟刀架的爪或套有良好的接触,丝杠外圆表面的圆度及与套的配合精度均应严格控制。每次时效后都修磨或重钻中心孔,以消除时效产生的变形,使下道工序加工有可靠的、精确的定位基面。每次加工螺纹时,都要先加工丝杠外圆,然后以两端中心孔和外圆作为定位基准加工螺纹,逐步提高螺纹的加工精度。
为了纠正丝杆加工过程中的弯曲变形,在丝杠工艺过程中常常安排校直工序。热校直是把丝杠毛坯加热到正火温度860～900℃,保温45～60分钟,然后放在三个滚筒之间进行的。对于普通机床丝杠,在粗加工及半精加工阶段都安排了冷校直工序。粗加工阶段工件弯曲较大,采用压高点的方法,但在螺纹半精加工以后,工件的弯曲己变小,可采用砸凹点的方法。此法是将丝杠置于两V形铁间,使弯曲部分凸点向下,凹点向上,下垫硬木或黄铜块,如图4-11所示,用锤及扁錾敲击丝杠凹点螺纹内径,使锤击面凹下处金属向两边伸展,以达到校直目的。
丝杠工艺过程中的热处理可以分为以下几类:
(1)毛坯的热处理。对45钢材料的普通丝杠,用正火处理;对于T10A或9Mn2V材料的丝杠,采用球化退火,以获得稳定的球状珠光体组织。毛坯热处理的目的是消除锻造或轧制时毛坯中产生的内应力,细化晶粒,改善切削性能。
(2)机械加工中的时效处理。丝杠精度的不同,时效处理次数也不同。精度要求高的丝杠,时效次数多。一般在每次加工外圆及螺纹后均安排时效处理。机械加工中安排时效处理的目的是消除内应力,以便丝杠精度能长期保持稳定。
(3)淬火、回火及冰冷处理。对于要求高的丝杠经精车外圆或粗磨外圆(未车螺纹)后进行淬火处理,待丝杠均匀冷至180℃左右,若检查弯曲度大于0.3mm,则应进行校直,并进行中温回火,再进行-60℃冰冷处理2小时,自然升温到室温后,再中温回火4小时,使丝杠硬度达到所需值,从而使丝杠具有良好的耐磨性、尺寸稳定性和好的磨削性能。
丝杠螺纹的加工有车削、铣削和磨削几种方法
(1)车削螺纹。车削是加工不淬硬丝杠螺纹的主要方法。车削螺纹时切削稳定,加工精度好,但生产率较低,适于单件小批生产。切削时,余量分次逐渐切除。如切削梯形螺纹时,生产中采用较多的有四种余量分次切除方法。图4-12是这四种方法的切削图形。图(a)适用于螺距小于8mm,材料切削性能较好的工件;图 (b)适用于螺距小于8mm,材料强度、硬度较高,切削性能差的工件;图(c)适用于螺距大于8mm的大多数工件;图(d)适用于螺距大于12mm,牙槽大而深,材料硬度高的工件。
车削螺纹的设备是丝杠车床。对7级以上不淬硬丝杠的精车工序,都在精密丝杠车床上进行,该车床刚性好、精度高。加工时用导套式跟刀架提高工件刚度。
(2)铣削螺纹。铣削螺纹为断续切削,振动大,但是刀具冷却好,切削速度高,生产效率高。故批量较大的生产,多采用旋风铣削螺纹或采用螺纹铣床。铣削螺纹质量比车削螺纹差,只适于螺纹的粗加工。
(3)磨削螺纹。对于淬硬丝杠的精加工,通常采用螺纹磨床磨螺纹。
(4）螺纹滚扎（压）：一般传递运动的批量较大的丝杆，可用硬质合金滚轮在扎丝机上扎制。
一般螺纹加工：用成形滚压模具使工件产生塑性变形以获得螺纹的加工方法。螺纹滚压一般在滚丝机。搓丝机或在附装自动开合螺纹滚压头的自动车床上进行,适用于大批量生产标准紧固件和其它螺纹联接件的外螺纹。
螺纹滚压的优点是﹕表面粗糙度小于车削﹑铣削和磨削;滚压后的螺纹表面因冷作硬化而能提高强度和硬度;材料利用率高;生产率比切削加工成倍增长,且易于实现自动化;滚压模具寿命很长。但滚压螺纹要求工件材料的硬度不超过HRC40;对毛坯尺寸精度要求较高
按滚压模具的不同,螺纹滚压可分搓丝和滚丝两类。
3、偏心轴的加工
采用工艺搭子，打多组中心孔；如曲轴加工。
在三爪卡盘上加垫片或四爪卡盘加工；用于单件或形状复杂但精度不高的工件。
垫片厚度
采用花盘夹持；
用于加工较短、偏心距较大而精度不高的工件
采用偏心卡盘夹持；
用于短轴、盘套类较精密的偏心工件
采用双层卡盘夹持；
用于偏心距较小而尺寸不大的批量不大的工件
双顶尖；先加工偏心的中心孔；
用于加工较长、偏心距较小的工件
采用专用夹具加工。
长度较短，批量较大的工件
1. 多刀半自动车削和仿形车削
轴类零件批量较大时,多采用多刀切削和仿形加工。图为多刀切削和仿形加工。
多刀切削是指用两把或两把以上刀具同时加工工件上的几个表面。多刀切削可以把几个工步合并起来,使机动时间重叠。要指出的是,这种加工方法调整刀具时间较多,且切削力较大,要求机床的刚性及功率要大。
多刀切削
仿形加工
仿形加工是指按照预制的仿形靠模顺序将工件外形加工出来的方法。它有机械靠模仿形和液压随动靠模仿形两种。
液压仿形加工可在液压半自动车床上进行,也能在卧式车床上采用液压仿形刀架来实现。液压仿形加工不仅能大大减少零件加工的辅助时间,而且产品质量稳定,调整方便,减轻了工人的劳动强度,因此已成为提高轴类零件外圆车削生产率的重要方法。
2.高速磨削、强力磨削和砂带磨削
1)高速磨削
砂轮线速度高于60～80m/s的磨削,称为高速磨削。高速磨削有以下特点:
(1)提高了生产率。砂轮速度提高后,单位时间进入磨削的磨粒数成比例增加,如果还保持每颗磨粒切屑厚度与普通磨削相同,则进给量可以成比例加大,磨削时间相应缩短。
(2)提高砂轮耐用度。砂轮速度提高后,若进给量仍与普通磨削相同,则每颗磨粒切去的切屑厚度减小,每颗磨粒承受的切削负荷也就小了。磨粒切削能力相对提高,每次修整砂轮后可以磨去更多的金属。
(3)减小表面粗糙度值。因为每颗磨粒切削厚度变小,表面切痕深度浅,表面粗糙度值小,作用在工件上的法向磨削力也相应减小,所以又可提高加工精度。
但高速磨削对砂轮、机床均有一些特殊要求,应予充分注意。
(1)必须提高砂轮的强度,以免砂轮因离心力而破裂,按切削速度规范选用砂轮。
(2)砂轮主轴的轴承间隙要适当加大,冷态间隙为0.04～0.05mm,热态间隙为0.03mm左右。
(3)砂轮防护罩应加厚,开口角度减少,以确保安全。
(4)改善切削液供给方式。高速磨削区温度极高,而砂轮周围因高速回转形成一股强大气流,切削液不易进入磨削区,须采用特殊喷嘴且增加切削液流量和压力。
2)强力磨削
强力磨削采用较高的砂轮速度,较大的磨削深度,一次切深可达6mm以上。进给量较小,直接从毛坯上磨出加工表面。它可“以磨代车”、“以磨代铣”,而且效率比车削、铣削高。强力磨削力及磨削热比高速磨削显著增加,因此除提高电动机功率外,还要加强砂轮防护罩的强度和加大切削液的供应量,而且还需合理选择砂轮和加强机床刚度等措施,以免发生危险。
3)砂带磨削
砂带磨削是用涂满砂料的环形带状布(即砂带)作为切削工具的一种加工方法。它是多刀多刃连续切削,因而砂带磨床加工效率超过车、铣、刨等通用机床加工效率,几乎领先于所有金属切削机床。砂带磨削时,砂带和工件是弹性接触,砂带不能修整,故其加工精度要低于砂轮磨削。图4-15为砂带磨削的三种方式。
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