蜗杆轴零件的加工工艺

1蜗杆轴的加工工艺一、概述1蜗杆轴类零件的功用与结构蜗杆轴是组成机械的重要零件，也是机械加工中常见的典型零件之一。它支撑着其它转动件回转并传递扭矩，同时又通过轴承与机器的机架连接。蜗杆轴类零件是旋转零件，其长度大于直径，由外圆柱面、圆锥面、内孔、螺纹及相应端面所组成。加工表面通常除了内外圆表面、圆锥面、螺纹、端面外，还有花键、键槽、横向孔、沟槽等。根据功用和结构形状，蜗杆轴类有多种形式，如光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴等。如图1图1蜗杆轴2蜗杆轴类零件的技术要求2.1加工精度1)尺寸精度蜗杆轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。按使用要求，主要轴颈直径尺寸精度通常为IT6-IT9级，精密的轴颈也可达IT5级。轴长尺寸通常规定为公称尺寸，对于阶梯轴的各台阶长度按使用要求可相应给定公差。2)几何精度蜗杆轴类零件一般是用两个轴颈支撑在轴承上，这两个轴颈称为支撑轴颈，也是轴的装配基准。除了尺寸精度外，一般还对支撑轴颈的几何精度（圆度、圆柱度）提出要求。对于一般精度的轴颈，几何形状误差应限制在直径公差范围内，要求高时，应在零件图样上另行规定其允许的公差值。3)相互位置精度蜗杆轴类零件中的配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。通常普通精度的轴，配合精度对支撑轴颈的径向圆跳动一般为0.01-0.03mm，高精度轴为20.001-0.005mm。此外，相互位置精度还有内外圆柱面的同轴度，轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。2.2表面粗糙度根据机械的精密程度，运转速度的高低，轴类零件表面粗糙度要求也不相同。一般情况下，支撑轴颈的表面粗糙度Ra值为0.63-0.16μm；配合轴颈的表面粗糙度Ra值为2.5-0.63μm3蜗杆轴类零件的材料和毛坯3.1蜗杆轴类零件的材料蜗杆轴类零件材料的选取，主要根据轴的强度、刚度、耐磨性以及制造工艺性而决定，力求经济合理。常用的蜗杆轴类零件材料有35、45、50优质碳素钢，以45钢应用最为广泛。对于受载荷较小或不太重要的轴也可用Q235、Q255等普通碳素钢。对于受力较大，轴向尺寸、重量受限制或者某些有特殊要求的可采用合金钢。如40Cr合金钢可用于中等精度，转速较高的工作场合，该材料经调质处理后具有较好的综合力学性能；选用Cr15、65Mn等合金钢可用于精度较高，工作条件较差的情况，这些材料经调质和表面淬火后其耐磨性、耐疲劳强度性能都较好；若是在高速、重载条件下工作的蜗杆轴类零件，选用20Cr、20CrMnTi、20Mn2B等低碳钢或38CrMoA1A渗碳钢，这些港经渗碳淬火或渗氮处理后，不仅有很高的表面硬度，而且其心部强度也大大提高，因此具有良好的耐磨性、抗冲击韧性和耐疲劳强度的性能。球墨铸铁、高强度铸铁由于铸造性能好，且具有减振性能，常在制造外形结构复杂的轴中采用。特别是我国研制的稀土——镁球墨铸铁，抗冲击韧性好，同时还具有减摩、吸振，对应力集中敏感性小等优点，已被应用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件。3.2蜗杆轴类零件的毛坯蜗杆轴类零件的毛坯常见的有型材（圆棒料）和锻件。大型的，外形结构复杂的轴也可采用铸件。内燃机中的曲轴一般均采用铸件毛坯。型材毛坯分热轧或冷拉棒料，均适合于光滑轴或直径相差不大的阶梯轴。锻件毛坯经加热锻打后，金属内部纤维组织沿表面分布，因而有较高的抗拉、抗弯及抗扭转强度，一般用于重要的轴。二、蜗杆轴加工的工艺分析实例，图2所示为一蜗杆轴，材料选用40Cr钢。产品属于小批量生产。3图2蜗杆轴该蜗杆轴φ20j6，φ17k5两外圆表面为支撑轴颈；锥体部分是装配离合器的表面；M18×1处装配圆螺母来固定轴承的轴向位置。根据外形结构其毛坯选用φ50mm的圆钢（棒料），在锯床上按240mm长度下料。1、蜗杆轴加工的工艺路线1.1基本加工路线外圆加工的方法很多，基本加工路线可归纳为四条。①粗车—半精车—精车对于一般常用材料，这是外圆表面加工采用的最主要的工艺路线。②粗车—半精车—粗磨—精磨对于黑色金属材料，精度要求高和表面粗糙度值要求较小、零件需要淬硬时，其后续工序只能用磨削而采用的加工路线。③粗车—半精车—精车—金刚石车对于有色金属，用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度，因为有色金属一般比较软，容易堵塞沙粒间的空隙，因此其最终工序多用精车和金刚石车。④粗车—半精—粗磨—精磨—光整加工对于黑色金属材料的淬硬零件，精度要求高和表面粗糙度值要求很小，常用此加工路线。1.2典型加工工艺路线蜗杆轴的主要加工表面是外圆表面，也还有常见的特特形表面，因此针对各种精度等级和表面粗糙度要求，按经济精度选择加工方法。对普通精度的蜗杆轴加工，其典型的工艺路线如下：毛坯及其热处理—预加工—车削外圆—铣键槽—（花键槽、沟槽）—热处理—磨削—终检。1）蜗杆轴的预加工轴类零件的预加工是指加工的准备工序，即车削外圆之前的工艺。校直毛坯在制造、运输和保管过程中，常会发生弯曲变形，为保证加工余量均匀及装夹可靠，一般冷态下在各种压力机或校值机上进行校直。2）蜗杆轴加工的定位基准和装夹4①以工件的中心孔定位在轴的加工中，零件各外圆表面，锥孔、螺纹表面的同轴度，端面对旋转轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目，这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，若用两中心孔定位，符合基准重合的原则。中心孔不仅是车削时的定为基准，也是其它加工工序的定位基准和检验基准，又符合基准统一原则。当采用两中心孔定位时，还能够最大限度地在一次装夹中加工出多个外圆和端面。②以外圆和中心孔作为定位基准（一夹一顶）用两中心孔定位虽然定心精度高，但刚性差，尤其是加工较重的工件时不够稳固，切削用量也不能太大。粗加工时，为了提高零件的刚度，可采用轴的外圆表面和一中心孔作为定位基准来加工。这种定位方法能承受较大的切削力矩，是轴类零件最常见的一种定位方法。③以两外圆表面作为定位基准在加工空心轴的内孔时，（例如：机床上莫氏锥度的内孔加工），不能采用中心孔作为定位基准，可用轴的两外圆表面作为定位基准。当工件是机床主轴时，常以两支撑轴颈（装配基准）为定位基准，可保证锥孔相对支撑轴颈的同轴度要求，消除基准不重合而引起的误差。④以带有中心孔的锥堵作为定位基准在加工空心轴的外圆表面时，往往还采用代中心孔的锥堵或锥套心轴作为定位基准。2、蜗杆轴的加工工艺过程2.1外圆表面的加工方法和加工精度轴类、套类和盘类零件是具有外圆表面的典型零件。外圆表面常用的机械加工方法有车削、磨削和各种光整加工方法。车削加工是外圆表面最经济有效的加工方法，但就其经济精度来说，一般适于作为外圆表面粗加工和半精加工方法；磨削加工是外圆表面主要精加工方法，特别适用于各种高硬度和淬火后的零件精加工；光整加工是精加工后进行的超精密加工方法（如滚压、抛光、研磨等），适用于某些精度和表面质量要求很高的零件。由于各种加工方法所能达到的经济加工精度、表面粗糙度、生产率和生产成本各不相同，因此必须根据具体情况，选用合理的加工方法，从而加工出满足零件图纸上要求的合格零件。表1为外圆表面各种加工方案和经济加工精度。序号加工方法经济精度（公差等级）经济粗糙度Ra值/μm适用范围1粗车IT13-IT1150-12.5适用于淬火钢以外的各种金属2粗车-半精车IT10-IT86.3-3.23粗车-半精车-精车IT8-IT71.6-0.84粗车-半精车-精车-滚压IT8-IT70.2-0.0255粗车-半精车-磨削IT8-IT70.8-0.4主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢6粗车-半精车-粗磨-精磨IT7-IT60.4-0.17粗车-半精车-粗磨-精磨-超精加工（或轮式超精磨）IT50.1-0.0128粗车-半精车-精车-精细车IT7-IT60.4-0.025主要用于要求较5（金刚车）高的有色金属9粗车-半精车-粗磨-精磨-超精磨（或镜面磨）IT5以上0.025-0.006极高精度的外圆加工10粗车-半精车-粗磨-精磨-研磨IT5以上Rz0.1表12.2外圆表面的车削加工(1)外圆车削的形式轴类零件外圆表面的主要加工方法是车削加工。主要的加工形式有：1）荒车自由锻件和大型铸件的毛坯，加工余量很大，为了减少毛坯外圆形状误差和位置偏差，使后续工序加工余量均匀，以去除外表面的氧化皮为主的外圆加工，一般切除余量为单面1-3mm。2）粗车中小型锻、铸件毛坯一般直接进行粗车。粗车主要切去毛坯大部分余量（一般车出阶梯轮廓），在工艺系统刚度容许的情况下，应选用较大的切削用量以提高生产效率。3）半精车一般作为中等精度表面的最终加工工序，也可作为磨削和其它加工工序的预加工。对于精度较高的毛坯，可不经粗车，直接半精车。4）精车外圆表面加工的最终加工工序和光整加工前的预加工。5）精细车高精度、细粗糙度表面的最终加工工序。适用于有色金属零件的外圆表面加工，但由于有色金属不宜磨削，所以可采用精细车代替磨削加工。但是，精细车要求机床精度高，刚性好，传动平稳，能微量进给，无爬行现象。车削中采用金刚石或硬质合金刀具，刀具主偏角选大些（45o-90o）,刀具的刀尖圆弧半径小于0.1-1.0mm，以减少工艺系统中弹性变形及振动。(2)车削方法的应用1）普通车削适用于各种批量的轴类零件外圆加工，应用十分广泛。单件小批量常采用卧室车床完成车削加工；中批、大批生产则采用自动、半自动车床和专用车床完成车削加工。2)数控车削适用于单件小批和中批生产。近年来应用愈来愈普遍，其主要优点为柔性好，更换加工零件时设备调整和准备时间短；加工时辅助时间少，可通过优化切削参数和适应控制等提高效率；加工质量好，专用工夹具少，相应生产准备成本低；机床操作技术要求低，不受操作工人的技能、视觉、精神、体力等因素的影响。对于轴类零件，具有以下特征适宜选用数控车削。结构或形状复杂，普通加工操作难度大，工时长，加工效率低的零件。加工精度一致性要求较高的零件。切削条件多变的零件，如零件由于形状特点需要切槽，车孔，车螺纹等，加工中要多次改变切削用量。批量不大，但每批品种多变并有一定复杂程度的零件。对带有键槽，径向孔（含螺钉孔）、端面有分布的孔（含螺钉孔）系的蜗杆轴类零件，如带法兰的轴，带键槽或方头的轴，还可以在车削加工中心上加工，除了能进行普通数控车削外，零件上的各种槽、孔（含螺钉孔）、面等加工表面也可一并能加工完毕。工序高度集中，其加工效率较普通数控车削更高，加工精度也更为稳定可靠。2.3外圆表面的磨削加工(1)外圆表面磨削的工艺范围用磨具以较高的线速度对工件表面进行加工的方法称为磨削。磨削加工是一种多刀多刃的高速切削方法，它使用于零件精加工和硬表面的加工。6磨削的工艺范围很广，可以划分为粗磨、精磨、细磨及镜面磨。磨削加工采用的磨具（或磨料）具有颗粒小，硬度高，耐热性好等特点，因此可以加工较硬的金属材料和非金属材料，如淬硬钢、硬质合金道具、陶瓷等；加工过程中同时参与切削运动的颗粒多，能切除极薄极细的切屑，因而加工精度高，表面粗糙度值小。磨削加工作为一种精加工方法，在生产中得到广泛的应用。目前，由于强力磨削的发展，也可直接将毛坯磨削到所需要的尺寸和精度，从而获得了较高的生产率。(2)外圆表面磨削的常用方法1)纵磨法砂轮高速旋转起切削作用，工件旋转作圆周进给运动，并和工作台一起作纵向往复直线进给运动。工作台每往复一次，砂轮沿磨削深度方向完成一次横向进给，每次进给（吃刀深度）都很小，全部磨削余量是在多次往复行程中完成的。当工件磨削接近最终尺寸时（尚有余量0.005-0.01mm），应无横向进给光磨几次，直到火花消失为止。纵磨法加工精度和表面质量较高，适应性强，用同一砂轮可磨削直径和长度不同的工件，但生产率低。在单件、小批量生产及精磨中应用广泛，特别适用于磨削细长轴等刚性差的工件。2)横磨法（切入法）工件不作纵向往复运动，砂轮以缓慢的速度连续或间断地向工件作横向进给运动，直到磨去全部余量。横磨时，工件与砂轮的接触面积大，磨削力大，发热量大而集中，所以易发生工件变形、烧刀和退火。横磨法生产效率高，适用于成批或大量生产中，磨削长度