轴类零件加工工艺分析与设计

机械制造技术工作项目之一：轴类零件的加工工艺分析与设计机械制造技术工作项目之一：轴类零件的加工工艺分析与设计1.1轴类零件的功用与结构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。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。零件的技术要求一、表面粗糙度二、尺寸精度三、形状精度四、位置精度五、热处理1.2轴类零件的技术要求一、表面粗糙度指零件的表面微观不平度。在切削加工中，由于振动、刀痕以及刀具与工件之间的摩擦，在工件已加工表面上不可避免地会产生一些微小的峰谷。即使是光滑的磨削表面，放大后也会发现高低不同的微小峰谷。表面上这些微小峰谷的高低程度称为表面粗糙度，也称微观不平度。表面粗糙度共分14级：不加工符号：加工符号：表面粗糙度符号：Ra表面粗糙度单位：μm不同的加工方法可以达到不同的表面粗糙度。要合理地在图纸上标注表面粗糙度，必须掌握各种加工方法，以及详细了解零件各表面在装配体中的功能。除了外观需要外，一般情况在满足使用要求的情况下，选用较低要求的表面粗糙度，以降低成本。二、尺寸精度尺寸精度是指零件加工后的实际尺寸相对于理想尺寸的准确程度。尺寸精度是用尺寸公差来控制的。尺寸公差是切削加工中零件尺寸允许的变动量。在基本尺寸相同的情况下，尺寸公差愈小，则尺寸精度愈高。反之亦然。尺寸精度由尺寸公差等级来确定。尺寸公差等级共有20个等级。尺寸公差等级为：IT01、IT0、IT1、IT2IT3、IT4T5、IT6、IT7、IT8、IT9、IT10IT11、IT12、IT13、IT14、IT15、IT16、IT17、IT18不同的加工方法，可以达到不同的尺寸公差等级。工程技术人员要使自己的设计合理，必须掌握各种加工方法。在满足使用要求的前提下，一般选用较低的尺寸公差等级，以降低制造成本。1.标准公差系列公差等级标准公差共分20级:IT01、IT0、IT1、IT2、…到IT18。IT—国际标准公差（ISOTolerance）的缩写代号IT7表示标准公差7级。从IT01至IT18，公差等级依次降低，相应的标准公差数值依次增大。任务1：公差等级的分析与选用公差等级的选用1）IT01、IT0、IT1级公差一般用于高精度量块和其它精密标准量块的尺寸。2）IT2~IT5级公差用于特别精密的零件尺寸。3）IT5（孔到IT6）级公差用于高精度和重要表面的配合尺寸；4）IT6（孔到IT7）级公差用于零件较精密的配合尺寸；5）IT7~IT8级用于一般精度要求的配合尺寸；6）IT9~IT10级常用于一般要求的配合尺寸，或精度要求较高的与键配合的槽宽尺寸。7）IT11~IT12级公差用于不重要的配合尺寸。8）IT12~IT18级公差用于未注公差的尺寸。图12-31三、形状精度1.直线度2.平面度3.圆度4.圆柱度1.直线度直线度是指零件被测素线（如轴线母线、平面交线、平面内直线）直与不直的程度。2.平面度平面度是指零件被测平面要素平整的程度。3.圆度圆度是指零件的回转表面（圆柱面、圆锥面、球面等）横剖面上的实际轮廓圆和理想圆相差的程度。4.圆柱度圆柱度是指零件上被测圆柱轮廓表面的实际形状对理想圆柱相差的程度。四、位置精度（基准概念）1.平行度2.垂直度3.同轴度4.圆跳动5.对称度1.平行度平行度是指零件上被测要素（面或直线）相对于基准要素（面或直线）平行的程度。1.定向位置公差—平行度被测实际要素相对于基准要素的方向成0º的要求。以平面为基准的平行度公差带2.垂直度垂直度是指零件上被测要素（面或直线）相对于基准要素（面或直线）垂直的程度。定向位置公差—垂直度被测实际要素相对于基准要素的方向成90º的要求。以轴线为基准的垂直度公差带3.同轴度同轴度是指零件上被测回转表面的轴线相对于基准轴线同轴的程度。定位位置公差—同轴度要求被测实际要素与基准要素同轴。同轴度公差带4.圆跳动圆跳动是指零件上被测回转表面相对于以基准轴线为轴线的理论回转面的偏离度。5.对称度对称度常用在具有对称结构的沟或槽处，例如轴系传动中的轴径与轴上零件的配合。例如当齿轮、蜗轮、皮带轮安装在轴上时，需要靠键实现连接和传递扭矩。此时轴上的键槽和轮毂孔内的键槽必须对中心线对称，否则很难装配。（四）形位公差的选用(1)一般形状公差应比位置公差小：同一要素上给定的形状公差值应小于位置公差值。如同一平面上，平面度公差值应小于该平面对基准的平行度公差值。(2)表面粗糙度与形状公差的大概的比例关系：通常，表面粗糙度的Ra值可取为形状公差值的(20%~25%)。1.2轴类零件的技术要求(1)加工精度1)尺寸精度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。2)几何精度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。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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0.001-0.005mm。(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2.5-0.63μm任务2：分析零件图，确定支撑轴颈的公差尺寸。选择加工、测量所用的刀具和量具。零件机械加工时，哪些要素应着重保障？1.3轴类零件的材料和毛坯常用的轴类零件材料有35、45、50优质碳素钢对于受载荷较小或不太重要的轴也可用Q235、Q255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40Cr经调质处理后具有较好的综合力学性能若是在高速、重载条件下工作的轴类零件，选用20Cr、20CrMnTi、20Mn2B等低碳钢或38CrMoA1A渗碳钢(2)轴类零件的毛坯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。工件材料的切削加工性分级高锰钢、不锈钢是常用的难加工材料。改善工件材料切削加工性的途径1.进行适当的热处理将工件材料进行适当的热处理是改善材料切削加工性的主要措施。对于性质很软、塑性很高的低碳钢,加工时不易断屑、容易硬化。往往采用正火的办法,提高其强度和硬度、降低韧性,从而改善其切削加工性。对于硬度很高的高碳工具钢,加工时刀具极易磨损。可以采用球化退火的办法,降低其硬度,从而改善其切削加工性。2.改变加工条件合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量也是改善材料切削加工性的有效措施。1.4外圆表面的加工方法和加工方案1、外圆表面的加工方法及加工精度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。第二节外圆表面加工一、外圆表面的车削加工1、加工方法1)粗车主要任务：以去除余量为目的，以提高生产率为目标。切削用量：背吃刀量和进给量较大，切削速度较低；刀具参数：主偏角较大，前、后角较小，刃倾角为负值加工精度：IT12-11，Ra50-12.5返回2)精车主要任务：保证加工精度和表面质量。切削用量：背吃刀量和进给量较小，切削速度较高；刀具参数：前、后角较大，刃倾角为正值；加工精度：IT8-7(6)，Ra1.6-0.8返回3)精细车主要任务：以提高加工精度和表面质量为主要任务。切削用量：背吃刀量和进给量极小，切削速度很高；刀具参数：一般采用立方氮化硼、金刚石等超硬材料刀具进行加工。加工精度：IT6级以上，Ra0.4-0.05用途：多用于有色金属工件的精密加工。返回二、外圆表面的磨削加工1、加工方法1)工件有中心支承的外圆磨削纵向进给磨削特点：磨削精度较高，表面粗糙度较小，生产率较低适用：单件小批量生产中磨削较长的外圆表面横向进给磨削(切入磨法)特点：加工精度低，表面粗糙度较大，生产率较高适用：大批大量生产中加工刚性较好的工件外圆表面成形表面。返回2)工件无中心支承的外圆磨削（无心磨削）返回2、外圆磨削的尺寸控制：加工过程中主动测量。3、外圆磨削加工的工艺特点及应用范围工艺特点：磨粒硬度高，能加工一般金属切削刀具所不能加工的工件表面；能切除极薄极细的切屑，修正误差的能力强，加工精度高，表面粗糙度较小。应用范围：广泛用于精加工，但不适于加工塑性较大的材料。新形高速磨削和高效磨削得到发展。返回三、外圆表面的精整、光整加工定义：精加工后，从工件表面上不切除或切除极薄金属层，用以提高加工表面的尺寸和形状精度、减小表面粗糙度或用以强化表面的加工方法。目的：减小表面粗糙度。（提高尺寸精度和形状精度）分类：研磨、超精加工、滚压、抛光返回1、研磨1）原理2)研具：比工件材料软，常用硬度为120-160HBS的铸铁3)研磨剂：磨料、研磨液、表面活性物质磨料：刚玉、碳化硅、碳化硼等。研磨液：煤油、汽油、机油、工业甘油等；表面活性物质：油酸、硬脂酸返回4)分类：手工研磨、机械研磨5)工艺特点：设备和研具简单、成本低、容易保证质量。具有较强的对误差与缺陷的修正能力，能提高加工表面的尺寸精度、形状精度和减小表面粗糙度。但不能提高位置精度，生产率较低。6)应用：可加工钢、铸铁、硬质合金、光学玻璃、陶瓷等多种材料。返回2、超精加工1)原理：2）工艺特点：设备简单、自动化程度高、操作简便、生产效率高。能减小表面粗糙度，但不能提高工件的加工精度。返回任务3：分析确定下列轴零件的加工方案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，但不适用于有色金属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）IT50.1-0.012（或Rz0.1）8粗车-半精车-精车-精细车（金刚车）IT7-IT60.4-0.025主要用于要求较高的有色金属9粗车-半精车-粗磨-精磨-超精磨（或镜面磨）IT5以上0.025-0.006（或Rz0.1）极高精度的外圆加工10粗车-半精车-粗磨-精磨-研磨IT5以上012（或Rz0.1）外圆表面加工方案车削加工方案的确定一般根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸及生产类型确定零件表面的车削加工方法及加工方案。(1)加工精度为IT7~IT8级、Ra0.8~1.6μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控\车床，按粗车、半精车、精车的方案加工。(2)加工精度为IT5~IT6级、Ra0.2~0.63μm的除淬火钢以外的常用金属，按粗车、半精车、精车、细车的方案加工。(3)加工精度高于IT5级、Ra0.08μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用高档精密型车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案加工。(4)对淬火钢等难车削材料，其淬火前可采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工。刀具选择切削加工的基本知识项目任务3：金属切削刀具分析与选择机械加工