機械制造基礎(chǔ) 課件 第3章　軸類零件的加工

3.1軸類零件的工藝特點

01軸類零件的技術(shù)要求02軸類零件的材料、毛坯與熱處理03軸類零件的加工工藝路線04提高軸類零件加工生產(chǎn)效率的措施

軸類零件是機械加工中常見的典型零件之一。在機器中，它主要用來支承傳動件和傳遞轉(zhuǎn)矩，并保證裝在其上面的零件具有一定的回轉(zhuǎn)精度。軸類零件是旋轉(zhuǎn)體零件，其長度大于直徑。按軸類零件的結(jié)構(gòu)、形狀通?？蓪⑵浞譃楣廨S、階梯軸、花鍵軸、空心軸、曲軸等，如下圖所示。3.1.1軸類零件的技術(shù)要求1.尺寸精度和形狀精度

通常軸類零件的支承軸頸或配合軸頸是軸上精度要求較高的表面，其公差等級般為IT6~IT9級，高精度軸頸要求

IT5級。軸頸的幾何精度，一般應(yīng)控制在直徑公差范圍之內(nèi)，對于高精度主軸，由于支承軸頸幾何精度直接影響軸的回轉(zhuǎn)精度，所以要求控制在0.

005~0

008mm范圍之內(nèi)。2.相互位置精度

保證配合軸頸相對支承軸頸的同軸度，是軸類零件相互位置精度的普遍要求。為便于檢查，常采用圓跳動公差，普通精度的軸，配合軸頸對支承軸頸的圓跳動一般為0.01~0.03mm；高精度軸一般為0.001~0.005mm。軸向定位端面或工作端面的端面圓跳動一般為0.008~0.001mm。3.表面粗糙度

支承軸頸和重要工作表面的表面粗糙度一般要求較高，其表面粗糙度值為Ra(1.6~0.2)

μm，一般非配合表面的表面的表面粗糙度值約Ra

(6.3~1.6)

μm。3.1.2軸類零件的材料、毛坯與熱處理

不同使用要求的軸類零件選擇不同的材料及熱處理規(guī)范，軸類零件常用材料與熱處理方式見下表。軸的種類材料預(yù)備熱處理最終熱處理達到效果一般軸類零件中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如45正火或調(diào)制局部淬火獲得一定強度、韌性和耐磨性中等精度、轉(zhuǎn)速較高的軸中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，如40Cr調(diào)質(zhì)局部淬火有較好的綜合力學(xué)性能精度較高的軸類零件彈簧鋼、軸承鋼，如GCr15、65Mn調(diào)質(zhì)表面淬火較高的耐磨性和抗疲勞強度高轉(zhuǎn)速重載荷的軸低碳合金鋼、如20CrMnTi正火滲碳淬火表層有很高的硬度耐磨性、心部有較高的強度和韌性特別重要的軸滲氮鋼，如38CrMoAI調(diào)質(zhì)、除應(yīng)力處理氮化處理有較好的心部強度和表層硬度、耐磨性和康疲勞強度

軸類零件常用的毛坯是鍛件和圓棒料，毛坯經(jīng)鍛造后，金屬形成沿表面均勻分布的內(nèi)部纖維組織，可得到較高的抗拉、抗彎強度。比較重要的軸，大都采用鍛件。中、小批生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單的軸一般采用自由鍛造，

大批量生產(chǎn)采用模鍛。光軸或直徑相差不多且力學(xué)性能要求不高的階梯軸常用熱軋和冷拉棒料，某些大型或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸采用鑄鋼件，曲軸常采用球墨鑄鐵件。3.1.3軸類零件加工工藝過程

加工軸類工件主要是加工外圓表面及相關(guān)端面，軸線為設(shè)計基準，兩端中心孔為定位基面。一般軸類零件的加工工藝路線如下:

毛坯準備—退火（正火）——加工端面和中心孔——粗加工——調(diào)質(zhì)——半精加工——花鍵、鍵槽等加工——表面淬火——粗磨——精磨。3.1.4提高軸類零件加工生產(chǎn)率的措施

零件表面的加工余量主要是靠車削切除的，因此，車削的勞動量占零件加工總勞動量的大部分，尤其是多階臺軸類的零件加工，主要可以從以下幾個方面進行提升：1.刀具材料選用硬度高、耐磨性和熱穩(wěn)定性好的新型材料

如采用陶瓷、金剛石、立方氮化硼等材料的刀片，進行高速車削。2.采用多切削刃切削

在一次進給中同時車削幾個不同的外圓表面，可縮短機動時間和輔助時間，大大提高了生產(chǎn)率。此法可在臥式車床或多刀半自動車床上進行，但只使用于成批生產(chǎn)。3.采用機械夾固式車刀、多角形可轉(zhuǎn)位車刀等

以充分發(fā)揮硬質(zhì)合金的作用，縮短刃磨刀具和更換刀具的輔助時間。4.應(yīng)用強力切削

加大背吃刀量和進給量來提高切削效率。在工件、機床、刀具系統(tǒng)剛性足夠的情況下，強力切削可用于粗加工和半精車。粗車余量大，應(yīng)盡量增大背吃刀量；半精車余量小，則用大的進給量。5.采用液壓仿形。

仿形加工可以車削外圓柱表面、外圓錐面、成形表面等，是一種較先進的加工工藝，能大大減輕勞動強度，減少測量工件的輔助時間，提高生產(chǎn)率。1）機械靠模仿形

機械靠模仿形是利用靠模進行直接仿形，也就是說刀架的切削力直接作用于靠模，它易于在臥式車床上使用。2）液壓仿形

刀架的切削力由液壓傳動裝置承受。液壓傳動裝置利用油液作介質(zhì)，通過執(zhí)行機構(gòu)來傳遞動力。課后練習(xí)

1.軸類零件的工藝特點是什么？2.加工軸類零件有什么技術(shù)要求？3.提高軸類零件加工生產(chǎn)率的措施有哪些？3.1軸類零件的加工準備工作

和加工步驟

01車刀的裝夾02車刀的刃磨03工件的裝夾04切屑液的使用05軸類零件的加工步驟

軸類零件是機械加工中常見的典型零件之一。在機器中，它主要用來支承傳動件和傳遞轉(zhuǎn)矩，并保證裝在其上面的零件具有一定的回轉(zhuǎn)精度。軸類零件是旋轉(zhuǎn)體零件，其長度大于直徑。按軸類零件的結(jié)構(gòu)、形狀通?？蓪⑵浞譃楣廨S、階梯軸、花鍵軸、空心軸、曲軸等，如下圖所示。3.2.1車刀的裝夾1.車刀裝夾在刀架上的伸出部分應(yīng)盡量短些，以增強其剛性

伸出長度約為刀柄厚度的1~1.5倍。在刀下面的墊片數(shù)量盡可能少些(一般為1~2片)，并與刀架邊緣對齊且至少用兩個螺釘平整壓緊，防止振動的發(fā)生。如下圖所示為外圓車刀的裝夾示意圖。2.車刀刀尖應(yīng)與工件中心等高

車刀刀尖低于工件軸線(圖(c))，車刀的實際前角減小，切削阻力加大；車刀刀尖高于工件軸線(圖(a))，則車刀的實際后角減小，車刀后面與工件間的摩擦加大。又若刀尖不對中心，在車至端面中心時會留有凸頭(圖(d)),而且在使用硬質(zhì)合金車刀車到中心處時會發(fā)生刀尖崩裂現(xiàn)象(圖(e))。

裝夾車刀時，刀桿中心線應(yīng)當與進給方向垂直，否則會使主偏角和副偏角產(chǎn)生誤差。3.2.2車刀的刃磨

正確刃磨車刀是車工必須掌握的基本功之一。車刀的刃磨主要有機械刃磨和手工刃磨兩種。機械刃磨應(yīng)用較多，其效率高、質(zhì)量好、操作方便，而手工刃磨對于車工來說是必須掌握的基本技能，手工刃磨靈活，對設(shè)備要求低。目前中小企業(yè)普遍采用手工刃磨。

1.砂輪的選用

常用砂輪有氧化鋁和碳化硅兩類，刃磨時應(yīng)根據(jù)刀具材料選定。1)氧化鋁砂輪一般呈白色，砂粒韌性好，鋒利，但硬度較低，適用于刃磨高速鋼車刀和硬質(zhì)合金車刀的刀柄部分。2)碳化硅砂輪一般呈綠色，砂粒硬度高，切削性能好，但較脆，適用于刃磨硬質(zhì)合金車刀。

2.刃磨材料為YT15、主偏角為90°的車刀的步驟1）采用氧化鋁砂輪先把車刀前刀面、后刀面上的焊渣磨去，并磨平車刀的底平面。2）用氧化鋁砂輪相磨主后刀面和副后刀面的刀柄部分，刃磨時，在略高于砂輪中心。

水平位置將車刀底平面向砂輪方向傾斜一個比刀體后角大2°~83°的角度。同樣方法粗磨副后刀面的刀柄部分。3）用碳化硅砂輪粗磨刀體上的主后刀面、副后刀面和前刀面。刃磨主后刀面時，刀柄應(yīng)與砂輪軸線保持平行，同時刀體底平面向砂輪方向傾斜一個比主后角大2°的角度。刃磨時，先把車刀已磨好的刀柄上的主后刀面靠在砂輪的外圓上，以接近砂輪中心的水平位置為刃磨的起始位置，然后使刃磨位置繼續(xù)向砂輪靠近，并作左右緩慢移動，當砂輪磨至刀刃處時結(jié)束。粗磨過程如圖3-4所示，磨出的主后角為正2°，主偏角為90°。用同樣方法粗磨副后刀面和前刀面。

2.刃磨材料為YT15、主偏角為90°的車刀的步驟4）磨斷屑槽斷屑槽一般有圓弧形和直線形兩種。刃磨圓弧形斷屑槽時，在已粗磨好前刀面的基礎(chǔ)上，將砂輪的外圓和端面的交角處用修砂輪的金剛石筆修磨成相應(yīng)的圓??；刃磨直線型斷屑槽時，砂輪的交角就必須修整出清角。刃磨時，刀尖可向下磨或向上磨，如圖3-5所示。刃磨斷屑槽的部位時，應(yīng)留出車刀倒棱的寬度。3.2.3工件的裝夾

1.在三爪卡盤上安裝工件

三爪自定心卡盤是車床上應(yīng)用最為廣泛的一種通用夾具（如圖3-6所示），其規(guī)格主要有150mm、200mm、250mm三種?？ūP扳手方孔卡爪圖3-6三爪卡盤用三爪卡盤裝夾工件的具體步驟為:1）工件放在卡爪間放正，先輕輕夾緊。2）開動機床，使主軸低速旋轉(zhuǎn)，檢查工件有無偏擺，若有偏擺則應(yīng)當停車，用小錘輕輕找正，然后夾緊工件。夾緊后必須立即取下扳手，以免開車時飛出造成事故。3）移動車刀到車削行程的左端，用手轉(zhuǎn)動卡盤檢查刀架等是否與卡盤或工件碰撞。

2.在兩頂尖間安裝工件

對于較長的或必須經(jīng)過多次裝夾才能完成的工件，如長軸、長絲桿的車削或工序較多，在車削后還要進行各種后續(xù)加工如銑、磨的工件，為使每次裝夾都能保證其裝夾精度，應(yīng)當采用兩頂尖的安裝方式，如圖3-7所示。工件裝夾在前后兩頂尖之間，由撥盤、卡箍帶動旋轉(zhuǎn)。前頂尖裝在車床主軸上旋轉(zhuǎn)，后頂尖則裝在尾座上固定不轉(zhuǎn)。圖3-7兩頂尖間安裝工件

2.在兩頂尖間安裝工件

這種安裝方式裝夾方便，不需找正，裝夾精度高，適用于加工長徑比4~15的實心軸，兩頂夾裝夾的具體操作步驟為:1)用卡盤裝夾好工件，開動機床先車平工件的端面。2)緩慢均勻地搖動尾座手輪，使中心鉆鉆入工件端面，注意中心孔的軸線應(yīng)與工件毛坯的軸線相重合。3)鉆到尺寸后，讓中心鉆原地不動數(shù)秒鐘，讓中心孔圓整后再退出。重復(fù)步驟(1)、(2)加工另一端的中心孔。4)在工件的一端安裝卡箍，如圖3-8所示。先擰緊卡箍螺釘，再在工件的另一端中心孔里涂上潤滑油(黃油)。

5)將工件置于頂尖間，根據(jù)工件尺寸調(diào)整尾座位置，保證刀架能移動到車削行程的最右端，同時盡量使尾座上的套筒伸到最短，再將尾座固定。6)轉(zhuǎn)動尾座手輪，調(diào)節(jié)工件在頂尖間的松緊，做到工件能自由旋轉(zhuǎn)又不能有軸向竄動，最后夾緊尾座套筒。7)將刀架移動到車削行程的最左端，用手轉(zhuǎn)動撥盤及卡箍，檢查這些部件均不能與刀架相碰撞。8)擰緊卡箍螺釘。

3.一夾一頂安裝工件

采用一夾一頂安裝就是選用一端用卡盤夾住，另一端用頂尖支撐來安裝工件的加工方式。如圖3-9所示。（a）用限位支撐

（b）用工件階臺限位圖3-9一夾一頂安裝工件

這種一夾一頂安裝方式安全、可靠，能承受較大的軸向切削力，常用于長徑比大于15的細長軸工件的半精加工、精加工，也適用于車削較重的工件。

安裝工件時，為防止工件的軸向竄動，可在卡盤內(nèi)裝有一個軸向限位支撐(圖3-9(a)),也可在工件的被夾持部位車削一個10~12mm的臺階作為軸向限位支撐(圖3-9(b))。

操作過程中應(yīng)及時調(diào)整尾座及校正車削過程中產(chǎn)生的錐度。3.2.4切屑液的使用

1.切削液的作用

1）冷卻作用

切削液能吸收并帶走切削區(qū)大量的熱量，改善散熱條件，降低刀具和工件的溫度，因而延長了刀具的使用壽命，防止工件因熱變形產(chǎn)生的尺寸誤差，為提高生產(chǎn)率創(chuàng)造有利條件。2）潤滑作用

切削液能滲透到工件與刀具、切屑之間，并能黏附在金屬表面形成一層極薄的潤滑膜，減少切屑、刀具與工件間的摩擦，降低切削力和切削熱，減少刀具磨損，排屑順利，提高工件的表面質(zhì)量，對于精加工加注切削液至關(guān)重要。3）清洗作用

車削過程中加注有一定壓力和充分流量的切削液，能有效沖走黏附在零件加工表面及刀具上的微小切屑，使切削能順利進行。4）防銹作用

切削液能減輕工件、機床、刀具受周圍介質(zhì)的腐蝕作用，尤其對氣候濕潤的環(huán)境更為重要。

2.切削液的種類

1）乳化液

它是水和乳化油經(jīng)攪拌后形成的乳白色液體，而乳化油則是一種由礦物油和表面活性乳化劑配制而成的油膏。這類切削液能冷卻刀具和工件，延長刀具壽命，減少熱變形，但由于水的成分較多，潤滑和防銹性能較差。在乳化液中加入一定的油性劑、極壓添加劑和防銹劑能提高其潤滑和防銹性能，低濃度乳化液冷卻效果好，主要用于粗加工；高濃度乳化液潤滑效果好，主要用于精加工。2）切削油

它的主要成分為礦物油，少數(shù)采用植物油和動物油。這類切削液比熱小，黏度較大，散熱效果較差，但潤滑效果比乳化液好。常用的切削油有10號、20號機械油、輕柴油、煤油等，黏度較低。一般切削油使用時要加入一定量的添加劑和防銹劑以提高潤滑性能和防銹性能。動、植物油易變質(zhì)，應(yīng)盡量少用或不用。

3.切削液的選用1）根據(jù)加工性質(zhì)選用（1）粗加工時，加工余量、切削用量大，產(chǎn)生大量切削熱，因而刀具磨損快，因而要選用以冷卻為主的乳化液，以降低切削溫度。（2）精加工時，主要考慮要保證工件的精度和表面質(zhì)量，延長刀具的使用壽命，應(yīng)選用極壓切削油或高濃度的極壓乳化液。（3）半封閉式加工時，如深孔加工、鉆孔、鉸孔時排屑及散熱條件均比較差，刀具磨損嚴重，刀刃硬度下降，而且切屑容易拉毛工件的已加工表面，因此應(yīng)選用黏度極小的極壓乳化液或極壓切削油，并加大切削液的壓力及流量，不但對工件加強冷卻、潤滑，還要將切屑及時地沖刷出來。

3.切削液的選用

2）根據(jù)工件材料選用（1）對于一般鋼件，粗車選用乳化液，精加工則選用極壓切削油。（2）車削鑄鐵、鑄鋁等脆性材料時，為避免細小切屑堵塞冷卻系統(tǒng)，并使機床導(dǎo)軌磨損，一般不加切削液，但在精加工時為得到較高的表面質(zhì)量可選用黏度較小的煤油或7%~10%乳化液。（3）車削有色金屬或其合金時，不宜采用含硫的切削液，以免腐蝕工件。車削鎂合金時不能使用切削液以免燃燒起火，必要時可使用壓縮空氣冷卻和排屑。（4）車削難加工材料如不銹鋼、耐熱鋼時應(yīng)選用極壓切削油或極壓乳化液。

3.切削液的選用

3）根據(jù)刀具材料選用（1）高速鋼刀具加工，在粗加工時選用乳化液，精加工時選用極壓切削油或濃度較高的極壓乳化液。（2）硬質(zhì)合金刀具加工，為避免刀片因驟冷或驟熱而產(chǎn)生崩裂現(xiàn)象，一般不使用冷卻潤滑液。

3.切削液的選用4）切削液使用時的注意事項（1）切削加工開始后，就應(yīng)及時供給切削液，并保證連續(xù)供給和控制好切削液的流量。流量太小起不到應(yīng)有的作用，流量太大則造成浪費。（2）切削液應(yīng)澆注在過渡表面、切屑和前刀面接觸的區(qū)城，此處產(chǎn)生的熱量最多，因而最需要冷卻潤滑，圖3-10所示。（3）油狀乳化液必須用水稀釋后才能使用，并盡量選用環(huán)保型切削液。（4）加注切削液可以采用澆注法和高壓冷卻法。一般普通車床都擁有冷卻系統(tǒng)因而可以采用這種簡單易行的澆注法，在半封閉加工或車削難加工材料時，則可采用高壓冷卻法，即以較高的壓力和流量將切削液噴向切削區(qū)，圖3-11所示。圖3-10車削時需冷卻的位置圖3-11加注切削液的方法3.2.5軸類零件的加工步驟

1.車外圓的步驟

將工件安裝在卡盤上隨車床主軸旋轉(zhuǎn)，車刀安裝在刀架上隨刀架縱向進給，就可車出外圓，一般操作步驟如下：1）準備

根據(jù)圖紙要求檢查工件的加工余量，大致確定縱向進給的次數(shù)。2）對刀

開動機床，工件旋轉(zhuǎn)。左手搖動床鞍手輪，右手搖動滑板手柄，使車刀刀尖靠近并輕輕接觸工件表面，以此為切削深度ɑp的零點位置。然后反向搖動床鞍手輪，使車刀向右離開工件3~5mm。3）進刀

搖動中滑板手柄，使車刀橫向進給，其進給量為切削深度。4）試切削

車刀進刀后縱向移動2mm時，縱向快退，停車測量。如尺寸符合要求，就可繼續(xù)切削；如尺寸過大，則可加大切削深度，反之則減少切削深度。這樣試切削的過程非常必要，通過有效控制切削深度來保證工件的加工尺寸。5）正常切削

通過了試切削后就可進行正需車削。切削時可選擇機動或手動縱向進給。當車削到所需部位時，退出車刀，停車測量。重復(fù)上述操作，直至尺寸加工到要求為止。6）具體步驟可參考圖所示。

2.車端面的步驟

車削端面的一般步驟為:1）啟動車床

使機床主軸旋轉(zhuǎn)帶動工件回轉(zhuǎn)。2）對刀

首先作橫向?qū)Φ叮礄M向移動車刀，使車刀刀尖靠近工件并輕輕地接觸工件端面;然后再橫向進給車端面，即根據(jù)對刀數(shù)值調(diào)整切削深度，然后作橫向進給，如圖3-13(a)所示。3）鎖緊床鞍

用固定螺釘鎖緊床鞍，避免車削時產(chǎn)生振動和軸向?qū)弰樱鐖D3-13(b)所示。4）粗、精車端面

搖動中滑板手柄作橫向進給，先粗車端面，再精車端面，可采用由工件外緣向中心(圖3.13(c))也可由中心向外緣(圖3-13(d))的車削方法。圖3-13車削端面的一般步驟

3.車臺階的步驟

車削臺階時，既要車出外圓，又要車出環(huán)形的端面。除了要求保證外圓和臺階面的尺寸精度，還要保證臺階面與工件軸線的垂直度要求。1）車刀的選擇

車刀通常選用90°外圓車刀。具體為:粗車時，加工余量多，取車刀主偏角約為85°~90°。精車時，取車刀主偏角約為93°。2）臺階車削的方法

一般分為粗、精車。車削前根據(jù)臺階長度先用刀尖在工件表面刻線痕，然后按線痕進行粗車。粗車時的臺階長度均要略短些，留出一定的用于精車的余量。精車臺階時，在機動進給至近臺階處時要以手動代替機動進給。當車至平面時，變縱向進給為橫向進給，移動中滑板由里向外慢慢精車臺階平面，以保證臺階平面與垂直軸心線的垂直度。

車削低臺階時，應(yīng)選用90°偏刀，按圖3-14(a)所示進給方式車削；車削高臺階時，選用主偏角約為93°車刀，按圖3-14(b)所示進給方式分多次進給完成車削。（a）車削低臺階（b）車削高臺階圖3-14臺階的車削方法

3.車臺階的步驟

3）臺階長度的控制方法（1）刻線法。

先用鋼直尺或樣板量出臺階的長度尺寸，然后用車置處刻出一圈細線，按刻線痕車削。（2）用擋鐵控制臺階長度。成批車前臺階軸時，可用擋鐵定位來控制臺階的長度。擋鐵固定在床身導(dǎo)軌上，并與工件上臺階a3的軸向位置一致，量塊3、2的長度分別等于工件上a1、a2的長度，如圖3-15(a)所示。（a）擋鐵定位1、2、3為擋鐵（b）床鞍刻度盤圖3-15臺階長度的控制方法（3）用機床床鞍縱向進給刻度盤控制臺階長度。CA6140型車床床鞍的進給刻度1格為1mm，可利用床鞍進給時，刻度盤轉(zhuǎn)動的格數(shù)來控制臺階的長度，如圖3-15(b)所示。

3.車臺階的步驟

4)工件的調(diào)頭找正和車削先找正卡爪處工件外圓，后找正臺階處反平面。反復(fù)多次找正后再進行切削。粗車完畢后，應(yīng)再進行一次復(fù)查，防止粗車時工件的位置發(fā)生變化。5)加工時的注意事項（1）臺階平面和外圓相交處要清角，防止產(chǎn)生凹坑和出現(xiàn)小臺階。（2）一定要讓機床主軸停妥后，才能進行測量。（3）臺階工件的長度測量應(yīng)從一個基準面量起，以免產(chǎn)生累積誤差。（4）注意刀具的磨損情況。刀尖圓弧較大或刀尖磨損會使平面與外圓相交處出現(xiàn)較大圓弧。課后練習(xí)

5.車削前車刀應(yīng)如何裝夾？6.車削前工件應(yīng)如何裝夾？7.切屑液有哪些作用？8.簡述車削零件常用的加工步驟。3.3軸類零件的加工實例