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轴类零件加工工艺

轴类零件加工工艺
1 轴类零件功用、结构特点及技术要求
轴类零件是机器中常常碰到经典零件之一。它在机械中关键用于支承齿轮、带轮、凸轮和连杆等传动件，以传输扭矩。按结构形式不一样，轴能够分为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、多种丝杠等
轴长径比小于5称为短轴，大于20称为细长轴，大多数轴介于二者之间。
轴用轴承支承，和轴承配合轴段称为轴颈。轴颈是轴装配基准，它们精度和表面质量通常要求较高，其技术要求通常依据轴关键功用和工作条件制订，通常有以下几项：
1.1 尺寸精度
起支承作用轴颈为了确定轴位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5～IT7）。装配传动件轴颈尺寸精度通常要求较低（IT6～IT9）。
1.2 几何形状精度
轴类零件几何形状精度关键是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等圆度、圆柱度等，通常应将其公差限制在尺寸公差范围内。对精度要求较高内外圆表面，应在图纸上标注其许可偏差。
1.3 相互位置精度
轴类零件位置精度要求关键是由轴在机械中位置和功用决定。通常应确保装配传动件轴颈对支承轴颈同轴度要求，不然会影响传动件（齿轮等）传动精度，并产生噪声。一般精度轴，其配合轴段对支承轴颈径向跳动通常为0.01～　0.03mm　，高精度轴（如主轴）通常为0.001～　0.005mm　。
1.4 表面粗糙度
通常和传动件相配合轴径表面粗糙度为Ra2.5～0.63μm，和轴承相配合支承轴径表面粗糙度为Ra0.63～0.16μm。
2 轴类零件毛坯和材料
2.1 轴类零件毛坯
轴类零件可依据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选择棒料、锻件等毛坯形式。对于外圆直径相差不大轴，通常以棒料为主；而对于外圆直径相差大阶梯轴或关键轴，常选择锻件，这么既节省材料又降低机械加工工作量，还可改善机械性能。
依据生产规模不一样，毛坯铸造方法有自由锻和模锻两种。中小批生产多采取自由锻，大批大量生产时采取模锻。
2.2 轴类零件材料
轴类零件应依据不一样工作条件和使用要求选择不一样材料并采取不一样热处理规范（如调质、正火、淬火等），以取得一定强度、韧性和耐磨性。
45钢是轴类零件常见材料，它价格廉价经过调质（或正火）后，可得到很好切削性能，而且能取得较高强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45～52HRC。
40Cr等合金结构钢适适用于中等精度而转速较高轴类零件，这类钢经调质和淬火后，含有很好综合机械性能。
轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50～58HRC，并含有较高耐疲惫性能和很好耐磨性能，可制造较高精度轴。
精密机床主轴（比如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选择38CrMoAIA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能取得很高表面硬度，而且能保持较软芯部，所以耐冲击韧性好。和渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高特征。
3 轴类零件通常加工要求及方法
3.1 轴类零件加工工艺规程注意点
在学校机械加工实习课中，轴类零件加工是学生练习车削技能最基础也最关键项目，但学生最终完工工件质量总是很不理想，经过分析关键是学生对轴类零件工艺分析工艺规程制订不够合理。
轴类零件中工艺规程制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。一零件能够有多个不一样加工方法，但只有某一个较合理，在制订机械加工工艺规程中，须注意以下几点。
1）零件图工艺分析中，需了解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求，且要研究产品装配图，部件装配图及验收标准。
2）渗碳件加工工艺路线通常为：下料→铸造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工（对不需提升硬度部分）→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。
3）粗基准选择：有非加工表面，应选非加工表面作为粗基准。对全部表面全部需加工铸件轴，依据加工余量最小表面找正。且选择平整光滑表面，让开浇口处。选牢靠可靠表面为粗基准，同时，粗基准不可反复使用。
4）精基准选择：要符合基准重合标准，尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。符合基准统一标准。尽可能在多数工序中用同一个定位基准。尽可能使定位基准和测量基准重合。选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。
3.2 轴类零件加工技术要求
1）尺寸精度轴类零件关键表面常为两类，一类是和轴承内圈配合外圆轴颈，即支承轴颈，用于确定轴位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为IT5～IT7；另一类为和各类传动件配合轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，通常为IT6~IT9。
2）几何形状精度关键指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等关键表面圆度、圆柱度。其误差通常应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行要求其几何形状精度。
3）相互位置精度包含内、外表面，关键轴面同轴度、圆径向跳动、关键端面对轴心线垂直度、端面间平行度等。
4）表面粗糙度轴加工表面全部有粗糙度要求，通常依据加工可能性和经济性来确定。
3.3 轴类零件热处理
1）铸造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除铸造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。
2）调质通常安排在粗车以后、半精车之前，以取得良好物理力学性能。
3）表面淬火通常安排在精加工之前，这么能够纠正因淬火引发局部变形。
4）精度要求高轴，在局部淬火或粗磨以后，还需进行低温时效处理。
4 轴类零件经典工艺路线
轴类零件是常见经典零件之一。按轴类零件结构形式不一样，通常可分为光轴、阶梯轴和异形轴三类；或分为实心轴、空心轴等。它们在机器中用来支承齿轮、带轮等传动零件，以传输转矩或运动。
对于7级精度、表面粗糙度Ra0.8～0.4μm通常传动轴，其经典工艺路线是：正火－车端面钻中心孔－粗车各表面－精车各表面－铣花键、键槽－热处理－修研中心孔－粗磨外圆－精磨外圆－检验。
轴类零件通常采取中心孔作为定位基准，以实现基准统一方案。在单件小批生产中钻中心孔工序常在一般车床上进行。在大批量生产中常在铣端面钻中心孔专用机床上进行。
中心孔是轴类零件加工全过程中使用定位基准，其质量对加工精度有着重大影响。所以必需安排修研中心孔工序。修研中心孔通常在车床上用金刚石或硬质合金顶尖加压进行。
对于空心轴（如机床主轴），为了能使用顶尖孔定位，通常均采取带顶尖孔锥套心轴或锥堵。若外圆和锥孔需反复数次、互为基准进行加工，则在重装锥堵或心轴时，必需按外圆找正或重新修磨中心孔。
轴上花键、键槽等次要表面加工，通常安排在外圆精车以后，磨削之前进行。因为假如在精车之前就铣出键槽，在精车时因为断续切削而易产生振动，影响加工质量，又轻易损坏刀具，也难以控制键槽尺寸。但也不应安排在外圆精磨以后进行，以免破坏外圆表面加工精度和表面质量。
在轴类零件加工过程中，应该安排必需热处理工序，以确保其机械性能和加工精度，并改善工件切削加工性。通常毛坯铸造后安排正火工序，而调质则安排在粗加工后进行，方便消除粗加工后产生应力及取得良好综合机械性能。淬火工序则安排在磨削工序之前。
台阶轴加工工艺较为经典，反应了轴类零件加工大部分内容和基础规律。下面就以减速箱中传动轴为例，介绍通常台阶轴加工工艺。
4.1 零件图样分析
图4.1 传动轴
图4.1所表示零件是减速器中传动轴。它属于台阶轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、砂轮越程槽和键槽等组成。轴肩通常见来确定安装在轴上零件轴向位置，各环槽作用是使零件装配时有一个正确位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传输转矩；螺纹用于安装多种锁紧螺母和调整螺母。
依据工作性能和条件，该传动轴图样(图4.1)要求了关键轴颈M，N，外圆P、Q和轴肩G、H、I有较高尺寸、位置精度和较小表面粗糙度值，并有热处理要求。这些技术要求必需在加工中给确保。所以，该传动轴关键工序是轴颈M、N和外圆P、Q加工。
4.2 确定毛坯
该传动轴材料为45钢，因其属于通常传动轴，故选45钢可满足其要求。
本例传动轴属于中、小传动轴，而且各外圆直径尺寸相差不大，故选择￠60mm热轧圆钢作毛坯。
4.3 确定关键表面加工方法
传动轴大全部是回转表面，关键采取车削和外圆磨削成形。因为该传动轴关键表面M、N、P、Q公差等级(IT6)较高，表面粗糙度Ra值(Ra=0.8 um)较小，故车削后还需磨削。外圆表面加工方案可为：
粗车→半精车→磨削。
4.4 确定定位基准
合理地选择定位基准，对于确保零件尺寸和位置精度有着决定性作用。因为该传动轴多个关键配合表面(Q、P、N、M)及轴肩面(H、G)对基准轴线A-B全部有径向圆跳动和端面圆跳动要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采取双顶尖装夹方法，以确保零件技术要求。
粗基准采取热轧圆钢毛坯外圆。中心孔加工采取三爪自定心卡盘装夹热轧圆钢毛坯外圆，车端面、钻中心孔。但必需注意，通常不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外圆作粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过外圆作基准，用三爪自定心卡盘装夹(有时在上工步已车外圆处搭中心架)，车另一端面，钻中心孔。如此加工中心孔，才能确保两中心孔同轴。
4.5 划分阶段
对精度要求较高零件，其粗、精加工应分开，以确保零件质量。
该传动轴加工划分为三个阶段：粗车(粗车外圆、钻中心孔等)，半精车(半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等)，粗、精磨(粗、精磨各处外圆)。各阶段划分大致以热处理为界。
4.6 热处理工序安排
轴热处理要依据其材料和使用要求确定。对于传动轴，正火、调质和表面淬火用得较多。该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆以后，半精车各外圆之前。
综合上述分析，传动轴工艺路线以下：
下料→车两端面，钻中心孔→粗车各外圆→调质→修研中心孔→半精车各外圆，车槽，倒角→车螺纹→划键槽加工线→铣键槽→修研中心孔→磨削→检验。
4.7 加工尺寸和切削用量
传动轴磨削余量可取0.5mm，半精车余量可选择1.5mm。加工尺寸可由此而定，见该轴加工工艺卡工序内容。
车削用量选择，单件、小批量生产时，可依据加工情况由工人确定；通常可由《机械加工工艺手册》或《切削用量手册》中选择。
4.8 确定工艺过程
定位精基准面中心孔应在粗加工之前加工，在调质以后和磨削之前各需安排一次修研中心孔工序。调质以后修研中心孔为消除中心孔热处理变形和氧化皮，磨削之前修研中心孔是为提升定位精基准面精度和减小锥面表面粗糙度值。确定传动轴工艺过程时，在考虑关键表面加工同时，还要考虑次要表面加工。在半精加工￠52mm、￠44mm及M24mm外圆时，应车到图样要求尺寸，同时加工出各退刀槽、倒角和螺纹；三个键槽应在半精车后和磨削之前铣削加工出来，这么可确保铣键槽时有较正确定位基准，又可避免在精磨后铣键槽时破坏已精加工外圆表面。
在确定工艺过程时，应考虑检验工序安排、检验项目及检验方法确实定。
总而言之，所确定该传动轴加工工艺过程见表4.1。
5 细长轴加工工艺特点
因为细长轴刚性很差，在加工中极易变形，对加工精度和加工质量影响很大。为此，生产中常采取下列方法给予处理。
1) 改善工件装夹方法
粗加工时，因为切削余量大，工件受切削力也大，通常采取卡顶法，尾座顶尖采取弹性顶尖，能够使工件在轴向自由伸长。不过，因为顶尖弹性限制，轴向伸长量也受到限制，所以顶紧力不是很大。在高速、大用量切削时，有使工件脱离顶尖危险。采取卡拉法可避免这种现象产生。
精车时，采取双顶尖法（此时尾座应采取弹性顶尖）有利于提升精度，其关键是提升中心孔精度。
2)采取跟刀架
跟刀架是车削细长轴极其关键附件。采取跟刀架能抵消加工时径向切削分力影响，从而降低切削振动和工件变形，但必需注意仔细调整，使跟刀架中心和机床顶尖中心保持一致。
3)采取反向进给
车削细长轴时，常使车刀向尾座方向作进给运动（此时应安装卡拉工具），这么刀具施加于工件上进给力方向朝向尾座，所以有使工件产生轴向伸长趋势，而卡拉工具大大降低了因为工件伸长造成弯曲变形。
4)采取车削细长轴车刀
车削细长轴车刀通常前角和主偏角较大，以使切削轻快，减小径向振动和弯曲变形。粗加工用车刀在前刀面上开有断屑槽，使断屑轻易。精车用刀常有一定负刃倾角，使切屑流向待加工面。

机床主轴
　　机床主轴是经典受扭转—弯曲复合作用轴件，它受应力不大（中等载荷），承受冲击载荷也不大，假如使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。所以大多采取45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。 车床主轴选材结果以下：

　　材料：45钢。

　　热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。

　　性能要求：整体硬度NB220～HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。

　　工艺路线：铸造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削。

　　该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经能够用球墨铸铁制造。
拖拉机半轴
　　汽车半轴是经典受扭矩轴件，但工作应力较大，且受相当大冲击载荷，其结构图5所表示。最大直径达50mm左右，用45钢制造时，即使水淬也只能使表面淬透深度为10%半径。为了提升淬透性，并在油中淬火预防变形和开裂，中、小型汽车半轴通常见40Cr制造，重型车用40CrMnMo等淬透性很高钢制造。

　　例：铁牛45半轴 材料：40Cr。

　　热处理：整体调质。

　　性能要求：杆部HRC37～HRC44；盘部外圆HRC24～HRC34。

　　工艺路线：下料→铸造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。
机床齿轮
　　机床齿轮工作条件很好，工作中受力不大，转速中等，工作平稳无强烈冲击，所以其齿面强度、心部强度和韧性要求均不太高，通常见45钢制造，采取高频淬火表面强化，齿面硬度可达HRC52左右，这对弯曲疲惫或表面疲惫是足够了。齿轮调质后，心部可确保有HB220左右硬度及大于4kg?m/cm2冲击韧性，能满足工作要求。对于一部分要求较高齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造。这时心部强度及韧性全部有所提升，弯曲疲惫及表面疲惫抗力也全部增大。

　　例：一般车床床头箱传动齿轮。

　　材料：45钢。

　　热处理：正火或调质，齿部高频淬火和低温回火。

　　性能要求：齿轮心部硬度为HB220～HB250；齿面硬度HRC52。

　　工艺路线：下料→铸造→正火或退火→粗加工→调质或正火→精加工→高频淬火→低温回火 （拉花键孔）→精磨。
拖拉机齿轮
　　拖拉机齿轮工作条件远比机床齿轮恶劣，尤其是主传动系统中齿轮，它们受力较大，超载和受冲击频繁，所以对材料要求更高。因为弯曲和接触应力全部很大，用高频淬火强化表面不能确保要求，所以拖拉机关键齿轮全部用渗碳、淬火进行强化处理。所以这类齿轮通常全部用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，尤其是后者在中国拖拉机齿轮生产中应用最广。为了深入提升齿轮耐用性，除了渗碳、淬火外，还能够采取喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提升HRC1～3单位，耐用性可提升7～11倍。

　　例：拖拉机后桥圆锥主动齿轮。

　　材料：20CrMnTi钢。

　　热处理：渗碳、淬火、低温回火，渗碳层深1.2mm～1.6mm。

　　性能要求：齿面硬度HRC58～HRC62，心部硬度HRC33～HRC48。

　　工艺路线：下料→铸造→正火→切削加工→渗碳、淬火、低温回火→磨加工。

　　以上各类零件选材，只能作为机械零件选材时进行类比参考。其中不少是长久经验积累结果。经验当然很关键，但若只凭经验是不能得到最好效果。在具体选材时，还要参考相关机械设计手册、工程材料手册，结合实际情况进行初选，关键零件在初选后，需进行强度计算校核，确定零件尺寸后，还需审查所选材料淬透性是否符合要求，并确定热处理技术条件。现在比很好方法是，依据零件工作条件和失效方法，对零件可选择材料进行定量分析，然后参考相关经验作出选材最终决定