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第二节典型零件加工工艺过程 机械制造工程 第五章 1 1 轴类零件的分类 技术要求 轴类零件的作用支撑传动零件 承受载荷 传递扭矩 一 轴 杆 类零件的加工 2 轴类零件的特点长度大于直径 加工表面为内外圆柱面 圆锥面 螺纹 花键 沟槽等 有一定的回转精度 3 轴类零件的分类光滑轴阶梯轴空心轴异形轴 曲轴 齿轮轴 偏心轴 十字轴 凸轮轴 花键轴 4 常见轴类的类型 5 轴类零件的技术要求尺寸精度 支承轴颈为IT5 IT7 配合轴颈为IT6 IT9几何形状精度 轴颈表面 外圆锥面 锥孔等的圆度 圆柱度相互位置精度 同轴度 径向跳动 重要端面对轴心线垂直度 端面间平行度表面粗糙度 支承轴颈为Ra0 2 1 6 m 配合轴颈为Ra0 4 3 2 m其他 热处理 倒角 倒棱 外观修饰 6 2 轴类零件的材料 毛坯及热处理 轴类零件材料45钢 40Cr GCr15 65Mn 球墨铸铁 20CrMnTi 20Mn2B 20Cr轴类毛坯圆棒料 锻件 铸件 7 轴类零件的热处理正火或退火处理锻造毛坯加工前 细化晶粒 消除锻造应力 降低硬度 改善切削性能调质粗车后半精车前 改善物理力学性能表面淬火精加工前 提高硬度低温时效局部淬火或粗磨后 稳定性能 8 3 轴类零件的安装方式 采用两中心孔定位装夹以重要外圆表面为粗基准定位加工出中心孔 再以轴两端的中心孔为定位精基准尽可能基准重合 基准统一 互为基准采用外圆表面定位装夹采用三爪自定心卡盘 四爪单动卡盘采用各种堵头或拉杆心轴定位装夹加工空心轴用带中心孔的堵头或拉杆心轴 9 堵头 拉杆心轴 10 4 轴类零件工艺过程示例 11 CA6140车床主轴的结构特点既是阶梯轴 又是空心轴 是长径比小于12的刚性轴不但传递旋转运动和扭矩 而且是工件或刀具回转精度的基础主要加工表面有内外圆柱面 圆锥面 次要表面有螺纹 花键 沟槽 端面结合孔等机械加工工艺主要是车削 磨削 其次是铣削和钻削 12 特别值得注意的工艺问题有 1 定位基准的选择2 加工顺序的安排3 深孔加工4 热处理变形 CA6140车床主轴的功用承受扭转力矩承受弯曲力矩保证回转运动精度 13 CA6140车床主轴的设计要求扭转和弯曲刚度高回转精度高 径向圆跳动 端面圆跳动 回转轴线稳定 制造精度高1 结构尺寸及动态特性要好2 主轴本身及其轴承精度高3 轴承的结构和润滑4 齿轮的布置5 固定件的平衡等 14 CA6140主轴结构的设计要求 合理的结构设计足够的刚度有具有一定的尺寸 形状 位置精度和表面质量足够的耐磨性 抗振性及尺寸稳定性足够的抗疲劳强度 15 CA6140车床主轴技术条件的分析主轴支承轴颈的技术要求支承轴颈是主轴的装配基准 其精度直接影响主轴的回转精度 主轴上各重要表面又以支承轴颈为设计基准 有严格的位置要求支承轴颈为三支承结构 并且跨度大支承轴颈采用锥面 1 12 结构 接触率 70 可用来调整轴承间隙 16 中间支承为IT5 IT6 粗糙度为 支承轴颈圆度误差为0 005mm 径向跳动为0 005mm其他外圆的圆度要求 误差小于50 尺寸公差 高精度者为5 10 轴颈与有关表面的同轴度误差应很小 17 主轴工作表面 锥孔 的技术要求用来安装顶尖或刀具锥柄 定心表面对锥面的尺寸精度 形状精度 粗糙度 接触精度都要求高轴心线应与支承轴颈同轴锥孔对轴颈的径向圆跳动近轴端为0 005 离轴端300处为0 01 锥面接触率 70 粗糙度 硬度为HRC48 50 18 主轴轴端外锥 短锥 的技术要求用来安装卡盘或花盘的 也是定心表面对锥面的尺寸精度 形状精度 粗糙度 接触精度都要求高轴心线应与支承轴颈同轴对支承轴颈的径向圆跳动为0 008 端面圆跳动为0 008粗糙度 硬度为HRC45 50 19 空套齿轮轴颈的技术要求影响传动的平稳性 可能导致噪声有同轴度要求 对支承轴颈的径向圆跳动为0 01 0 015尺寸精度要求为IT5 IT6 20 螺纹的技术要求用来固定零件或调整轴承间隙螺母的端面圆跳动 应 0 05 会影响轴承的内环轴线倾斜螺母与轴颈的同轴度误差 0 025螺纹精度为6h 21 主轴各表面的表面层要求要有较高的耐磨性要有适当的硬度 HRC45以上 以改善其装配工艺性和装配精度表面粗糙度 22 CA6140车床主轴图 23 主轴的机械加工工艺过程 主轴加工工艺过程制订的依据主轴的结构 技术要求 生产批量 设备条件主轴加工工艺过程批量 大批 材料 45钢 毛坯 模锻件 24 工艺过程 分为三个阶段 参见表5 5 粗加工 工序1 6半精加工 工序7 13 7为预备 精加工 工序14 26 14为预备 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 主轴加工工艺过程分析主轴毛坯的制造方法自由锻件 小批量或单件生产模锻件 大批量生产 35 主轴的材料和热处理热处理工序的安排毛坯热处理 去锻造应力 细化晶粒切削前正火 预备热处理 改善切削加工性能和机械 物理性能 去锻造应力半精加工前调质 去应力 改善切削加工性能 提高综合机械性能精加工前局部高频淬火 提高运动表面耐磨性精加工后定性处理 低温时效和冰冷处理 36 加工阶段的划分如前所述 分为三个阶段 主轴的技术要求高 毛坯为模锻件 加工余量大 精度高 故应分阶段加工分粗 精加工阶段有利于去应力并可加入热处理多次切削有利于消除复映误差粗 精加工二阶段应间隔一定时间粗 精加工二阶段应分粗 精加工机床进行 合理利用设备 保护机床 37 定位基准的选择应使定位基准与装配基准重合一次安装应多加工几个面注意零件的主要精度指标 同轴度 圆度 径向跳动主轴的定位过程较复杂 有顶尖 锥堵 支承表面等作为定位基准 38 加工顺序的安排和工序的确定三种方案粗加工外圆 钻深孔 精加工外圆 粗加工锥孔 精加工锥孔粗加工外圆 钻深孔 粗加工锥孔 精加工锥孔 精加工外圆粗加工外圆 钻深孔 粗加工锥孔 精加工外圆 精加工锥孔 39 工序确定的两个原则工序中所用的基准应在该工序前加工各表面要粗 精基准分开 先粗后精 多次加工 逐步提高精度淬硬表面的键槽 螺纹应在淬火前加工非淬硬表面的键槽 螺纹应在精车后 精磨前加工检验工序应安排在适当工序之后 必要还应探伤 40 主轴加工中的几个工艺问题 锥堵和锥堵心轴的使用锥堵和锥堵心轴的功用 空心轴加工通孔后 定位基准 顶尖孔被破坏 通孔直径小时 可直接在孔口倒出一60 锥面代替中心孔 当通孔直径较大时 要采用锥堵或锥堵心轴设计锥堵和锥堵心轴时应注意的问题不中途更换或拆装 以免增加安装误差锥堵和锥堵心轴要求两个锥面同轴 41 堵头 拉杆心轴 42 顶尖孔的研磨研磨的必要性顶尖孔是定位基准 对精度和质量有直接影响顶尖孔的深度 影响定位轴向位置 因而影响余量分布 批量生产时 两顶尖孔同轴度 影响同轴度 影响位置精度 43 顶尖孔锥角和圆度误差 直接反映到工件的圆度上热处理 切削力 重力等的影响 会损坏顶尖孔的精度热处理后和磨削加工前需要消除误差 44 研磨方法用铸铁顶尖研磨用油石或橡胶砂轮夹在车床的卡盘上 用金刚钻研磨用硬质合金顶尖刮研 45 铸铁顶尖研磨中心孔 研磨中心孔的硬质合金顶尖 46 外圆表面的车削加工车削加工的工艺作用粗加工 切除大部分余量半精加工 修整预备热处理后的变形精加工 使磨削前各表面具有一定的同轴度和合理的磨削余量 精加工螺纹及各端面等 47 车削加工值得考虑的问题生产效率 工序精度 复映误差 劳动强度 车削加工的设备单件 小批 普通车床成批生产 液压仿形车床批量生产 液压仿形 多刀半自动车床 48 主轴深孔的加工深孔加工的难点刀具细长 刚性差 易振动 易引偏排屑困难钻头散热条件差 冷却困难 易失去切削能力 49 采取措施采用工件旋转 刀具进给的加工方法 使钻头自定中心采用特殊结构的深孔钻预先加工一导向孔 防止引偏采用压力输送切削润滑液 既使冷却充分 又使切屑排出 50 主轴锥孔的加工主轴锥孔的作用及要求主轴锥孔是安装顶尖的定位面主轴支承轴颈及主轴前端短锥的同轴度要求较高 51 磨削主轴锥孔一般以支承轴颈作为定位基准 有三种安装方式 前支承装于中心架 后支承用卡盘装夹前 后支承装于两个中心架 用万向节与主轴相联采用专用夹具 52 磨主轴锥孔夹具 53 剖分轴承 V型夹具 浮动卡头等 使磨头误差及机床振动不影响工件 由底座 支承架及浮动卡头三部分组成 前 后两支架与底座连成一体作为工件定位的V形架镶有硬质合金 以提高耐磨性工件的中心高应与磨头砂轮轴中心等高后端的浮动卡头装在磨床主轴的锥孔内 54 工件尾部插入弹性套内通过弹簧将弹性套 浮动卡头外壳 连同工件向后拉钢球1压向镶有硬质合金的锥柄3端面 依靠弹簧2的涨力限制工件的轴向窜动该联接方式只传递扭矩 排除磨头和机床误差对加工精度的干扰 55 主轴各外圆表面的精加工和光整加工主轴的精加工主要采用磨削加工应在热处理之后进行 纠正热处理后的变形磨削加工能达到的精度为IT6 表面粗糙度为 56 光整加工的作用及特点用于精密主轴上尺寸公差等级为IT5以上或表面粗糙度的加工表面采用很小的切削用量和单位切削力 变形小对上道工序要求高 一般要求 表面无较深的加工痕迹采用浮动的加工方法 自定心 加工余量很小 一般不超过0 02mm 57 5 轴类零件的检验检验项目表面粗糙度表面硬度尺寸精度相互位置精度表面几何形状精度检验分类加工中的检验加工后的检验 58 检验顺序几何精度 尺寸精度 位置精度检验方法硬度 硬度计表面粗糙度 触针式表面粗糙度轮廓仪或样板比较法锥孔 着色法尺寸精度 常规检验仪器 万能量具 位置精度 专用检验装置 59 轴类零件的检验 60 1 箱体类零件概述箱体类零件的功用将机器和部件中的轴 套 齿轮等有关零件连接成一个整体 并使之保持正确的相互位置 以传递转矩或改变转速来实现规定的运动 二 箱体类零件的加工 61 箱体类零件的结构特点结构复杂 壁薄且不均匀加工部位多 加工难度大 减速箱体结构简图 62 箱体零件的主要技术要求孔径精度影响回转精度 引起噪声 振动 径向跳动 影响寿命孔的尺寸精度和几何形状误差会使轴承与孔配合不良 松 紧 不圆 主轴孔尺寸精度为IT6级 其余孔为IT6 IT7级 63 箱孔与孔的位置精度引起轴安装歪斜 致使主轴径向跳动和轴向窜动 加剧轴承磨损同一轴线上各孔的同轴度误差孔端面对轴线垂直度误差 64 孔和平面的位置精度主要是规定主要孔和主轴箱安装基面的平行度主要平面的精度影响主轴箱与床身的连接刚度规定底面和导向面必须平直和相互垂直平面度 垂直度公差等级为5级 65 装配基准面和定位基准面为 其它平面则为 表面粗糙度影响连接面的配合性质或接触刚度主轴孔为 其它各纵向孔为 孔的端面为 66 箱体的材料及毛坯材料一般选HT200 400 因为灰铸铁成本低 耐磨性 可铸性 可切削性和阻尼特性好毛坯为铸件 毛坯余量视生产批量和铸造方法等而定 浇铸后应退火 67 箱体结构的工艺性基本孔可分为通孔 阶梯孔 盲孔 交叉孔等通孔工艺性最好 深孔 阶梯孔 相贯通的交叉孔工艺性较差 盲孔工艺性最差 应尽量避免 68 同轴孔同一轴线方向孔径向一个方向递减镗孔时镗杆可从一端伸入 逐个加工或同时加工同一轴线上的几个孔应避免中间隔壁上孔径大于外壁上孔径 69 装配基面为便于加工 装配和检验 尺寸应尽可能大 形状应尽可能简单凸台应尽可能在同一平面上紧固孔和螺孔尺寸和规格应尽可能一致肋板 肋条 圆角等保证箱体的动刚度和抗振性 70 不同批量箱体生产的共性加工顺序为先面后孔提供基准的需要切去毛坯上的缺陷 方便后面的加工使孔加工余量均匀保护刀具 有利于对刀 调整 2 箱体类零件机械加工工艺过程及其特点分析 71 加工阶段粗 精分开精加工夹紧力可小一点 粗加工后将工件松开点 可使弹性变形得到恢复工序间安排时效消除内应力 减少变形 保证精度稳定铸造后安排人工时效精度高的箱体有时粗加工之后还需要人工时效一般都用箱体上的重要孔作粗基准 72 不同批量箱体生产的特殊性粗基准的选择中小批量生产时 毛坯精度低 一般采用划线装夹大批大量生产时 毛坯精度高 可采用专用夹具安装精基准的选择单件小批量用装配基准作定位基准大批量生产则采用一面双孔作定位基准 73 所用设备依批量不同而异单件小批量生产用通用设备大批量生产广泛使用组合加工机床如 多轴龙门铣床 组合磨床 多工位组合机床 专用镗床等 74 箱体平面的加工方法常用方法有刨 铣 磨三种 刨削加工的特点 刀具简单 调整方便 通用性好铣削加工的特点 多刀同时加工 可保证平面间的相互位置精度 生产效率高 适用于中批量以上的生产平面磨削的特点 比刨削 铣削的质量都高 适用于大批量生产 为提高效率和相互位置精度 常用组合磨削 75 箱体孔系加工方法孔系 箱体上一系列有相互位置精度要求的孔的组合孔系分类 平行孔系 同轴孔系 交叉孔系平行孔系的加工平行孔系 轴线互相平行且孔距也有精度要求的一系列孔 76 找正法工人在通用机床上利用辅助工具来找正要加工孔的正确位置的加工方法划线找正法 加工前按照零件图在毛坯上划出各孔的位置轮廓线 然后按划线 进行加工 77 心轴和块规找正法 将心轴插入有关轴孔内 或直接利用镗床主轴 然后根据孔和定位基准的距离组合一定尺寸的块规来校正各轴位置样板找正法 利用精度很高的样板确定孔的加工位置定心套找正法 先划线加工好螺钉孔 然后装上形状精度高而且光洁的定心套 78 镗模法利用镗模夹具加工孔系 工件装在镗模上 镗杆支承在镗模的导套里孔距精度可达 0 05mm适用于中 大批量生产 79 坐标法适用于普通卧式镗床 坐标镗床或数控镗铣床等设备孔距精度主要取决于坐标测量装置精度关键在于基准孔和镗孔顺序的选择适用于小批量生产 80 同轴孔系的加工成批生产采用镗模加工单件小批量依靠以下方法 利用已加工孔作支承导向利用镗床后立柱上的导向套支承镗杆采用调头镗 81 交叉孔系的加工关键在于控制孔的垂直度主要靠机床工作台上的90 对准装置常用设备为坐标镗床换位时接触的松紧程度对位置精度都很关键 有时需借助百分表找正 82 箱体零件的高效自动化加工单件小批量生产箱体 通常用普通机床 产品加工质量主要取决于机床精度和操作者的技术熟练程度 并且工序分散 占用设备多 生产周期长 生产效率低 成本高 83 现代化技术采用功率大 功能多的加工中心 加工中心 就是多工序自动换刀数控镗铣床 不仅生产效率高 加工精度高 而且适用范围广 设备利用率高箱体大量生产中 还广泛采用由组合机床与输送装置组成的自动线进行加工 提高生产效率 降低成本 减轻劳动强度 稳定产品质量 降低对工人技术水平的要求 84 3 分离式减速箱体加工的工艺过程 分离式减速箱体加工的工艺过程教材中的举例 请参照表5 6 85 4 箱体零件的检验 箱体零件的主要检验项目和方法表面粗糙度 通常用目测法或样板比较法 Ra值很小也用粗糙度仪孔的尺寸精度 通常用极限塞规 单件小批量可用内径千分尺平面直线度 通常用平尺 厚薄规 桥尺 86 平面的平面度 通常用自准直仪或水平仪 桥板 也可涂色检验同轴度 通常用检验棒孔间距今孔轴线平行度 通常用游标卡尺或千分尺 也可用块规测量三坐标测量机可同时对零件的尺寸 形状和位置等进行高精度的测量 87 三 圆柱齿轮加工 1 齿轮概述直齿圆柱齿轮结构特点和分类齿轮的结构形状按使用场合和要求不同而不同 分为 盘形齿轮 内齿轮 联轴齿轮 套筒齿轮 扇形齿轮 齿条 装配齿轮 88 直齿圆柱齿轮的结构形式 89 直齿圆柱齿轮的精度要求运动精度 确保齿轮准确的传递运动和恒定的传动比工作平稳性 要求传动平稳 振动 冲击 噪声小齿面接触精度 保证传动中载荷分布均匀 齿面接触要求均匀齿侧间隙 要求传动中的非工作面留有间隙 90 齿轮材料 毛坯和热处理材料选择 普通齿轮选用中碳钢和中碳合金钢 如40 45 50 40MnB 40Cr 45Cr 42SiMn 35SiMn2MoV等 要求高的齿轮可选取20Mn2B 18CrMnTi 30CrMnTi 20Cr等低碳合金钢 对于低速轻载的开式传动可选取ZG40 ZG45等铸钢材料或灰口铸铁 非传力齿轮可选取尼龙 夹布胶木或塑料 91 齿轮毛坯 铸铁件 用于受力小 无冲击 低速的齿轮棒料 用于尺寸小 结构简单 受力不大的齿轮锻坯 用于高速重载齿轮铸钢坯 用于结构复杂 尺寸较大不宜锻造的齿轮 92 齿轮热处理毛坯的热处理 消除锻造和粗加工造成的残余应力 改善齿轮材料内部的金相组织和切削加工性能 在齿轮毛坯加工前后通常安排正火或调质等预热处理齿面的热处理 提高齿面硬度 增加齿轮的承载