第3章 汽车零件表面的加工方法

1第三章汽车零件表面的加工方法2汽车零件由不同的典型表面—外圆、内孔、平面、螺纹、花键和轮齿齿面等构成。它们都有一定的加工要求。它们中的大多数表面都需要经过机械加工来获得。由于不同表面的加工方法繁多，本教材只能介绍一些在汽车零件制造中应用较为广泛的和高生产率的加工方法，也适当介绍一些近些年来新引进的新工艺。表3.1列举了汽车零件外圆和内孔表面加工中常采用的加工方法和机床设备。345如阶梯轴加工工艺（说明）：操作者在上下料工位Ⅰ处装上工件，当该工件依次通过钻孔工位Ⅱ、扩孔工位Ⅲ后，即可在一次装夹后把四个阶梯孔在两个位置加工完毕。这样，既减少了装夹次数，又因各工位的加工与装卸是同时进行的，从而节约安装时间使生产率可以大提高。67如曲轴的加工过程：89第一节车削、钻削和铰削第二节铣削、拉削和镗削第三节磨削第四节精整、光整加工第五节齿面的加工10第一节车削、钻削和铰削一、车削(一)普通车削汽车发动机、变速器、转向机、主减速器等总成中诸多零件—各种传动轴、齿轮轴、曲轴和凸轮轴等的回转体都需要进行车削加工。车削：是以工件的旋转作为主运动，车刀的移动作为进给运动的切削加工方法。11121314数控车削加工15图3.1车削时的切削运动16图3.2切削时合成切削速度17图3.3典型外圆车刀切削部分的构成18切削用量或切削三要素：切削速度vc、进给量f、背吃刀量ap1)切削速度vc:车削加工时，工件以一定的旋转速度旋转，车刀切削刃选定点（如B点）相对与工件主动运动的瞬时速度。dw——切削刃选定点的回转直径(mm)；nw——工件（或刀具）转速(r/min)。2)进给量f：车刀在进给方向上相(mm/r)对于工件的位移量。进给量速度Vffvfn1000wwcdnv193)背吃刀量ap：在外圆车削时，车刀切削刃与工件接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值称为背吃刀量。即工件以加工表面和待加工表面间的垂直距离。20如图所示，在汽车零件回转体表面的车削加工中，广泛进行外圆、内孔、端面、螺纹和内、外回转体成形等表面的加工。21按加工精度和表面粗糙度。车削加工可分为粗车、半精车、精车和精细车。①粗车时的经济精度为:IT12级~IT11级，表面粗糙度为Ra12.5~6.3µm②半精车时的经济精度为:IT10级~IT8级，表面粗糙度为Ra6.3~3.2µm③精车时的经济精度为:IT7级~IT8级，表面粗糙度为Ra3.2~0.8µm④精细车时的经济精度为:IT6级~IT7级，表面粗糙度为Ra0.8~0.2µm22汽车零件切削加工中使用的刀具材料有高速钢、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷和金刚石等。目前车刀材料主要有硬质合金和硬质合金涂层刀片。车削时使用的车刀结构主要整体式、焊接式和机械夹固不重磨的可转位硬质合金车刀等。23二、钻削、铰削(一)钻削钻削：是用钻孔刀具在实体材料上加工孔的切削加工方法。24最常用的钻削刀具为麻花钻头，简称为钻头。小直径钻头为直柄钻头，较大直径钻头为锥柄钻头。切削部分有两个主切削刃、两个副切削刃和一个横刃。25钻孔刀具除了麻花钻头外，还有扁钻、中心钻、深孔钻和复合钻等。在大批大量生产时，为了提高钻削阶梯孔和钻孔及孔口倒角的生产率，经常采用复合钻头。26使用钻头钻孔时，有两种切削运动方式：a）钻头旋转和轴向进给。如在立式钻床、摇臂钻床、组合钻床和加工中心上钻孔。b)工件旋转，钻头轴向进给。卧式车床和转塔车床上钻孔钻削精度较低，一般为IT12级——IT11级，表面粗糙度为Ra50~12.5µm。27(二)扩削(扩孔)扩孔：是使用扩孔钻对已钻孔、铸孔和锻孔进行孔径扩大的切削加工方法。如图3-11所示，扩孔钻也由三部分组成。与麻花钻头相比：扩孔钻没有横刃，主切削刃(或称刀齿)较多。一般为3~4主切削刃28扩孔特点：1）生产率比钻孔高。因无横刃，可避免横刃对切削的不利影响，可采用较大的进给量。2）加工精度比钻孔高。IT10级~IT11级，表面粗糙度为Ra6.3~3.2µm。扩孔钻常用于扩孔外，还可使用图3-13所示不同结构的锪钻。29为提高生产率和加工精度还经常采用多阶复合扩孔钻、带导向的扩孔钻和硬质合金扩孔钻。30（三）铰削铰削：是使用铰削刀具从孔壁上切除较小金属层的切削加工方法。铰削的刀具称为铰刀，铰刀主要用于对中、小孔的半精加工和精加工。也可以加工锥孔。铰刀齿数较多。铰刀的校准部分在铰孔中起修光加工表面和导向的作用。31图3-16a所示铰刀为立式钻床和组合钻床上常使用的机用铰刀；b所示的锥度铰刀可以加工锥孔。c为手用铰刀铰孔精度可达到IT7级~IT8级，表面粗糙度为Ra1.6~0.14µm。32铰孔特点：1）加工质量较高。IT7级~IT8级，表面粗糙度为Ra1.6~0.14µm。2）切削速度低，以避免在铰削时切削刃上产生积屑瘤而影响表面粗糙度。铰削时进给量较大，是钻孔的3~5倍。33第二节铣削、拉削和镗削一、铣削：以铣刀旋转作为主运动，工件或铣刀作为进给运动的切削加工方法。343536图3-18为铣削的典型实例，其中铣削平面在汽车零件的铣削中占有很大比重。371.平面的铣削在成批大量生产中，箱体零件的加工，主要是用硬质合金焊接夹固式面铣刀和硬质合金机夹可转位面铣刀进行平面的铣削。38在汽车箱壳体零件的平面铣削加工中使用的机床，主要有立式和卧式升降台铣床、立式单轴及双轴转台式平面铣床、组合铣床和专用铣床。铣削加工特点：1）加工质量较好。粗精铣后尺寸精度可达IT9级~IT8级，表面粗糙度为Ra6.3~1.6µm。2）生产率也较高。392.曲轴轴颈的铣削目前，曲轴主轴颈和连杆轴颈的粗加工已广泛采用数控(CNC)曲轴铣床使用硬质合金铣刀进行铣削加工。220cos()(sin)YARRA40二、拉削：是使用拉削刀具进行加工的一种高生产率的加工方法。以加工圆孔为例，如图所示。拉刀：拉削的刀具。是一种可加工内、外表面的多齿高效刀具。41拉削圆孔是相邻两刀齿的高度差(半径方向)，即每个刀齿的切削厚度，亦称齿升量。思考：分析齿坯定位？zf42拉刀的结构有整体式、装配式、和镶齿式。43拉削的工艺特点及其应用。拉削是一种能够保证一定的加工质量和高生产率的加工方法。高的加工质量：拉削时，在拉刀一次工作行程中完成了粗切、半精切和精切加工；拉削时切削速度一般不高，所以切削时发热少，切削温度低。加上拉刀有修光刀齿、机床传动简单等原因，均有利于获得高的加工质量。高的生产率:拉削时，拉刀作轴向移动，刀刃切削轨迹只等于被加工面的长度，虽然速度低，但比铰、镗时刀刃的螺旋线切削轨迹要短得多，所以拉削加工的生产率高。因此，拉削是一种能保证良好质量和高生产率的加工方法。它能达到的公差等级为IT7~IT8，粗糙度达Ra1.6~0.4μm，因此在大批大量生产中被广泛应用。44除了拉削圆柱孔外，不同结构的拉刀还可拉削不同形状的孔(如花键孔、多边形孔等)。在汽车拖拉机制造业中，拉削还广泛用来加工平面，如发动机缸体、连杆和转向节等零件的平面。拉刀制造成本较高，不适用于大直径孔的加工，一般以孔直径为Ø10~Ø80mm为宜。拉削适于孔深不大于5倍孔径的中小零件加工。45三、镗削镗削：是以镗刀的旋转运动作为主运动，对工件预制孔扩大的切削加工。在汽车零件孔的扩大加工中，镗孔占有较大比例。镗削可以在组合镗床、金刚（细）镗床和铣镗加工中心上进行。（一）组合镗床上镗孔根据组合镗床上镗孔可按镗杆与机床主轴的联结方式：可分为刚性主轴镗孔和浮动联接的导向镗孔两类。464748特点：一般在组合镗床上镗孔时，孔的尺寸精度可保证IT7~IT8，单导向镗孔时的同轴度精度可达0.02~0.05mm;孔中心距精度达（0.02~0.05）mm;粗糙度达Ra1.6~0.8μm。±49（二)细(金刚)镗1.细镗：是使用经过仔细刃磨，几何角度合适的金刚石或硬质合金镗刀，在高切削速度和细小进给量进行镗孔的加工方法。细镗镗刀的材料：目前普遍采用硬质合金、人工合成金刚石、CBN、和陶瓷等超硬材料502.细镗的工艺特点1）切削用量特点是高切削速度、小的背吃刀量和进给量。2）加工质量高。孔径尺寸精度达IT6~IT7和表面粗糙度Ra0.8~1.6μm)其原因：①由切削用量特点决定。②金刚镗床的传动精度高。51细镗对振动的影响很敏感，当附近有重载荷机床工作时，振动会通过地面传来，增大加工表面的粗糙度。细镗时镗杆悬伸，刚性差，为减少振动，常采用消振镗杆，其结构如图4-8所示。52第三节磨削磨削：在磨床上用砂轮切削金属的过程。磨削是精加工的主要方法之一，在汽车制造业中，磨床约占25%。因此，对淬硬材料的精加工，磨削是常用的方法。此外，磨削容易实现自动化，有利于高效率的生产。535455一、磨削工艺方法（一）磨削加工特点1）砂轮的磨料硬度高，耐热性好，所以磨削可以加工金属刀具所不能加工的硬材料。2）磨削加工能切除极薄极细的切屑，切屑厚度一般只有几微米，因此，有较强的修正能力，加工精度可达IT6级~IT5级，表面粗糙度为Ra0.1µm。3）磨削速度高。4）切削温度高，瞬时最高可达1000C0，因此，磨削表面容易产生残余应力，容易造成烧伤和产生裂纹。56（二）磨削加工的分类按加工对象的几何形状可分为：外圆、内圆、平面及成形表面。按工件被夹紧和被驱动的方法可分为：定心磨削和无心磨削。按进给方向可分为：纵向进给和横向进给。按砂轮的工作表面类型可分为：周边磨削、端面磨削和周边-端面磨削。（三）磨床的种类汽车制造业常用的磨床有普通磨床和专用磨床。普通磨床包括：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床等。专用磨床包括：凸轮轴磨床、曲轴磨床、十字轴磨床等。57一、普通磨床磨削工件(一)磨外圆1.纵向进给磨外圆(如图4-9)工艺特点：纵向进给磨外圆，因每次往复运动后的切削深度小，切削力小，而且还有光磨，所以加工精度较高，表面粗糙度较小;但由于工作行程次数多，所以生产率较低。应用：主要用来磨削轴类零件的较长外圆表面。图4-9纵向进给磨外圆582.横向进给磨外圆(图4-10)工艺特点：横向进给磨外圆时，工件除了旋转外，没有纵向往复运动。这种方法生产率高。将砂轮修整成一定形状，则可以磨削成形表面。应用：横向进给磨外圆主要用于加工短而刚性好的零件表面。如果采用宽砂轮，也可以磨较长的轴颈。目前我国已有宽砂轮专用外圆磨床，砂轮宽度达300mm。大量生产中为了缩短辅助时间、提高生产率，外圆磨削常实现自动化。图4-12为自动化磨削外圆的工作简图。图4-10横向进给磨外圆59图4-12外圆磨削自动工作循环示意图1-工件2-储料器3-推料杆4-回转送料器5-顶尖6-气缸7-棘轮8-棘爪9-滑道60(二)磨平面1.周面磨法磨平面(图4-13a,b)周面磨法:是用砂轮的圆周表面进行磨削。工艺特点：砂轮与工件的接触面小，因此发热少，散热快，排屑和冷却情况良好，可达到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，但效率较低。应用：主要用于成批生产中加工薄片小件。612.端面磨法磨平面(图4-13c,d)端面磨法：是用砂轮的端面进行磨削。工艺特点：1)磨头刚度好，采用较大的磨削用量。又因磨削面积大，故生产率高。2)因砂轮与工件接触面积大，散热及冷却困难，且砂轮端面各点的圆周速度不同，使砂轮磨损不均匀，故加工精度低，表面粗糙度大。应用：大量生产中，对于毛坯制造比较精确的零件，也有用此法代替铣削进行粗加工，如连杆两端面、活塞环两端面的粗加工。62(三)磨内孔磨孔一般在内圆磨床上进行。工艺特点：1)磨孔时，砂轮直径受孔径尺寸的限制,虽然内圆磨削砂轮转速一般比外圆磨削的高，但磨孔时的磨削速度却比磨外圆时低得多。2)由于磨削速度低，表面粗糙度就大，生产率也不如外圆磨削。3)此外，内圆砂轮轴径受孔径的限制，刚性差，也影响了内圆磨的质量和生产率。应用：内圆磨削尽管有上述缺点，但对于淬硬零件，磨孔仍然是内孔精加工的主要方法。断续的内圆表面(如花键孔)以及不通孔，也常采用磨孔作为精加工。63三、无心磨削工作原理及应用无心磨削：即工件不需顶尖夹持，只靠工件加工面放在砂轮和导轮中间的支承板上就可进