第二章轴类零件的加工

1、机械制造技术机械制造技术 主编：魏康民第二章轴类零件的加工第二章轴类零件的加工第一节概述第二节金属切削基础知识第三节 轴类零件外圆表面的车削加工第四节 金属切削机床的基本知识第五节 车床第一节概述第一节概述一、轴类零件的功用和结构特点图2-1轴的类型二、轴类零件的技术要求(1)尺寸精度和形状精度轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度。(2)位置精度为保证轴上传动件的传动精度，必须规定支承轴颈与配合轴径的位置精度。(3)表面粗糙度轴上的表面以支承轴颈的表面质量要求最高，其次是配合轴颈或工作表面。三、轴类零件的材料、毛坯和热处理四、轴类零件的典型工艺路线第一节概述第一节概述(1)轴类零件的主要加

2、工表面是外圆表面应针对各种公差等级和表面粗糙度要求的外圆表面，按经济精度选择加工方法。(2)定位基准的选择所选的定位基准不同，各表面的加工顺序就不同。(3)对中心孔的要求由于中心孔是轴类零件加工时最常用的定位基准，为保证中心孔不钻偏斜，一般应先切端面后钻中心孔，并应钻在毛坯的中心轴线上，以保证整个外圆加工余量均匀。第一节概述第一节概述第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-2外圆切削运动及形成的表面(1)主运动主运动是切下切屑的基本运动。一、切削运动和切削用量1.切削运动(2)进给运动进给运动是使金属层不断投入切削，从而配合主运动加工出理想表面的运动。(1)待加工表面工件有待切除的表

3、面，即将被切除余量层的表面。(2)已加工表面经刀具切削形成的新表面。(3)过渡表面切削刃正在切削着的表面。2.切削用量(1)切削速度vc切削速度是刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的线速度。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-3进给量和背吃刀量a)车外圆b)车槽(2)进给量f当主运动旋转一周时，刀具(或工件)沿进给方向移动的距离，称为进给量，如图2-3所示。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(3)背吃刀量ap车削时，ap(mm)是工件上待加工表面与已加工表面间的垂直距离。3.切削层横截面参数(1)切削层公称厚度hD在切削层横截面内，垂直于过渡表面度量的切削层尺寸，单位是

4、mm。(2)切削层公称宽度bD在切削层横剖面内，平行于过渡表面度量的切削层尺寸，单位是mm。(3)切削层公称横截面积AD第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-4车外圆的切削层横截面参数第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识二、刀具切削部分的组成及几何角度(一) 刀具切削部分的组成(1)前面A刀具上切屑流经的表面。(2)主后面A与工件上过渡表面相对的表面。(3)副后面A与工件上已加工表面相对的表面。(4)主切削刃S前面与主后面的交线。(5)副切削刃S前面与副后面的交线。(6)刀尖主切削刃与副切削刃的连接处的一小段切削刃。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-5车刀切

5、削部分的组成第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-6刀尖形状a)切削刃的实际交点b)倒角刀尖c)修圆刀尖图2-7刀具标注角度参考系1.参考坐标平面第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(二)刀具的标注角度及参考系(1)基面pr通过切削刃上的选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。(2)切削平面ps通过切削刃上的选定点，与该切削刃相切并垂直于基面的平面(图2-7)(选定点在主切削刃上者为主切削平面ps，选定点在副切削刃上者为副切削平面ps)。(3)正交平面po通过切削刃上选定点并同时垂直于该点基面和切削平面的平面(选定点在主切削刃上者为

6、正交平面po，选定点在副切削刃上者为副正交平面po)。2.正交平面参考系及标注角度第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-8正交平面参考系内的刀具标注角度第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(1)前角o前面与基面间的夹角。(2)后角o主后面与切削平面间的夹角。(3)主偏角r主切削刃与进给运动方向的夹角。(4)副偏角r副切削刃与进给运动反方向的夹角。(5)刃倾角s主切削刃与基面之间的夹角。(6)副后角o 副后面与副切削平面之间的夹角。三、金属切削过程(一)切削变形第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识1.三个变形区域图2-9切削过程中的三个变形区第二节金属切削基础知识第二

7、节金属切削基础知识2.切屑类型图2-10切屑类型a)带状切屑b)挤裂切屑c)单元切屑d)崩碎切屑(1)带状切屑当切屑内切应力小于材料的抗剪极限时，剪切滑移变形较小，切屑连绵不断，没有裂纹，外观呈延绵的长带状，靠近刀具前面的一面很光滑，另一面呈毛茸状。(2)挤裂切屑又称节状切屑。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(3)单元切屑切削塑性材料时，如果在挤裂切屑的整个剪切面上的切应力都超过材料的抗剪强度，则裂纹就扩展到整个面上。(4)崩碎切屑切削脆性材料时，由于材料的塑性很小且抗拉强度低，切削刃前方金属在塑性变形很小时就被挤裂或在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状的切屑。(二)积屑瘤1.积

8、屑瘤现象第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-11积屑瘤第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识2.积屑瘤对切削的影响(1)增大前角当积屑瘤粘附在前面上时，使刀具在切削时的实际工作前角增大,因而减小了切削变形，降低了切削力。(2)增大切削厚度积屑瘤的前端伸出切削刃之外，导致切削厚度增大，因而影响了工件的加工尺寸。(3)增大已加工表面粗糙度值积屑瘤形成后，代替刀具切削。(4)对刀具寿命的影响积屑瘤粘附在前面上，在相对稳定时，可代替切削刃切削，从而减少刀具磨损，提高了刀具寿命。3.影响积屑瘤的因素(1)工件材料的塑性工件材料的塑性越大，刀-屑间的平均摩擦因数和接触长度越大，切削温度

9、越高，就越容易产生粘结，易产生积屑瘤。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-12切削速度对积屑瘤的影响加工条件：工件材料：中碳钢=0.49GPa切削用量：=4.5mm f=0.65mm/r第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(2)切削速度当工件材料一定时，切削速度是影响积屑瘤的首要因素。图2-13切削力的分解第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(3)刀具前角前角越大，刀具和切屑之间的接触长度就越小，摩擦也小，切削温度低，所以不易产生积屑瘤。(4)进给量进给量减小使切削厚度减小，切屑与刀具前面接触长度减小，摩擦因数也减小，切削温度降低，不易产生积屑瘤。(三)切削力1.

10、切削力的来源和分解(1)变形抗力三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力。(2)摩擦阻力切屑和刀具前面间的摩擦阻力及工件和刀具后面间的摩擦阻力。(1)切削力Fc总切削力F在主运动方向的正投影。(2)背向力Fp总切削力F在垂直于进给运动方向的分力。(3)进给力Ff总切削力F在进给方向的正投影。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识2.工作功率(Pe)3.影响切削力的主要因素(1)工件材料工件材料性能对切削力影响最大的是强度、硬度和塑性。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(2)切削用量背吃刀量ap增加一倍，切削力增加一倍；进给量f增加一倍，其切削力增幅约为70%80%；在切削塑

11、性金属时，切削速度vc增高，切削力往往可达到负增长，这是因为切削区温度升高，软化切削层，另外切削层金属内部剪切来不及充分滑移变形即被切下；切削脆性材料时，由于形成崩碎切屑，切削层金属内部的塑性变形极小，切屑与刀具前面之间的摩擦很小，故切削速度vc的增减对切削力Fc的影响很小。(3)刀具几何参数前角o对切削力影响最大，当o增大时，切屑排出阻力减小，切屑变形减小，使切削力减小。(四)切削热和切削温度1.切削热的来源与传导2.切削温度的分布第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-14切屑、工件和刀具上各点的温度分布第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识3.影响切削温度的因素(1)工件

12、材料工件材料是通过强度、硬度和热导率等性能的不同对切削温度产生影响的。(2)切削用量背吃刀量ap增大，切削层宽度也增大，增大了刀具、工件、切屑传散热面积，切削温度的升高甚微；进给量f增大，切屑的变形和卷曲也发生变化，同样刀屑间接触面积略有增加，可见切削温度随f的增加而升高，但上升幅度较小；切削速度vc增大，其中摩擦功转化生成的热量增加尤为明显，因此，切削温度将随vc的增加而明显升高。(3)刀具几何参数1)前角o：前角o增大，变形和摩擦减小，因此产生的热量少，切削温度下降。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识2)主偏角r：主偏角r增大时，切削变形减小，对降低切削温度有利，但是刀尖角r和切

13、削层宽度同时减小，刀具的散热能力减小，对降低切削温度的不利影响更大。(五)刀具磨损和刀具寿命1.刀具磨损的形式第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-15刀具磨损的形式a)前面磨损b)后面磨损c)前、后面磨损第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(1)前面磨损刀具前面磨损的典型形式是月牙洼磨损。(2)后面磨损在切削脆性金属，或用较低的切削速度和较小的切削厚度切削塑性金属时，在前面上只有轻微的磨损，还未形成月牙洼磨损时，却在后面上磨出了明显的痕迹，形成一个小棱面的磨损，如图2-15b所示。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识图2-16刀具磨损过程第二节金属切削基础知识第二

14、节金属切削基础知识(3)前、后面同时磨损在切削塑性金属时，经常出现的是图2-15c所示的前、后面同时磨损。2.刀具磨损过程和刀具磨钝标准(1)初期磨损阶段(AB段)在开始切削的短时间内，由于新刃磨的刀具主后面与过渡表面之间的实际接触面积很小，表面压力很大，因此磨损较快。(2)正常磨损阶段(BC段)随着切削时间增长，磨损量以较均匀的速度加大。(3)急剧磨损阶段(CD段)磨损量达到一定数值后，切削刃变钝，切削力增大，切削温度升高，刀具强度、硬度降低，磨损急剧加速，继而刀具损坏。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识表2-1硬质合金车刀的磨钝标准3.刀具寿命(六)刀具材料的选择1.对刀具材料的

15、基本要求(1)硬度高且耐磨损刀具要顺利地从工件上切除车削余量，其硬度必须高于工件材料，常温硬度一般要求超过60HRC；刀具材料的耐磨性与其硬度有关，硬度越高，其耐磨性越好。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(2)强度高且抗弯曲切削过程中作用于刀具前、后面上的切削力都由刀具材料承受，其内部产生较大的弯曲应力。(3)韧性好且耐冲击切削过程中大都伴有不同程度的冲击和振动，会造成刀具“崩刃”失效，冲击韧度的好坏，与延长刀具寿命有着密切关系。(4)热硬性好热硬性是指刀具材料在高温下仍能保持高硬度、高强度基本不变的能力，一般用保持刀具切削性能的最高温度来表示。(5)工艺性好为了便于刀具的制造，要

16、求刀具材料具有良好的工艺性能和高温塑性。2.常用刀具材料及其选用第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识(1)高速钢高速钢是以钨(W)、铬(Cr)、钒(V)、钼(Mo)为主要合金元素的高合金含量的合金工具钢，它允许的切削速度比碳素工具钢(T10A、T12A)及合金工具钢(9SiCr、CrWMn)高13倍，故称为高速钢。(2)硬质合金硬质合金是由高强度的难熔金属碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金属粘结剂(如Co、Ni等)按粉末冶金工艺制成的。1)钨钴类硬质合金，它由碳化钨(WC)和钴(Co)烧结而成，代号为YG。2)钨钛钴类硬质合金，它由碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)和钴(Co

17、)组成，代号为YT。(3)其他刀具材料第二节金属切削基础知识第二节金属切削基础知识1)陶瓷：常用的陶瓷刀具材料是以Al2O3或Si3N4为基体成分在高温下烧结而成的。2)人造金刚石：人造金刚石是在高温高压下由金刚石微粒烧结而成的，其硬度很高，耐磨性极好，但强度低、脆性大，在一定温度下与铁族金属亲和力大，一般不适宜加工钢铁材料，多用于对非铁金属及非金属材料的超精加工以及作磨具磨料用。3)立方氮化硼：立方氮化硼(CBN)刀具材料是由氮化硼在高温高压作用下转变而成的，其硬度和耐磨性仅次于金刚石，化学稳定性好，但它的焊接性能差，一般用于高硬度、难加工材料的精加工。第二节金属切削基础知识第二节金属切削基

18、础知识第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工图2-17车刀按结构型式分类a)焊接车刀b)整体车刀c)机夹式车刀一、常用车刀的种类第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工图2-18车刀按用途分类1、2成形车刀3、15车槽、切断刀490左偏直头外圆车刀5直头车刀6、11弯头车刀7、990偏刀8、14螺纹车刀10端面车刀12、13内孔车刀(1)直头车刀这种车刀只用来车削外圆柱表面。(2)弯头车刀这是一种多用途的车刀，既可以加工外圆柱面，也可以加工端面，还能加工内、外倒角。(3)90偏刀这种车刀的主偏角为90，主要用来车削外圆柱表面以及台阶轴的轴肩端面

19、，也分左、右偏刀两种(图2-18)。(4)螺纹车刀螺纹车刀实质上是一种成形车刀，其切削刃与被加工螺纹的轮廓母线相符合。第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工(5)端面车刀这种车刀只用来加工端平面，两切削刃与端面、工件轴线的夹角分别为1520与5，它也分为左、右偏刀两种。(6)内孔车刀这是一种在车床上加工内孔的刀具。(7)成形车刀这是一种加工回转成形面的车刀，其主切削刃与回转成形面的轮廓母线完全一致。(8)车槽、切断刀它主要用来切断工件或加工零件上的圆环形沟槽(退刀槽等)。二、提高外圆表面车削生产率的措施1)提高切削用量，采用高速切削、强力切削，以提高金属切除率，缩短机

20、动时间。2)选用先进刀具材料和合理刀具结构，缩短磨刀、换刀辅助时间，如采用机夹可转位车刀。第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工3)选用半自动或自动化车床，如液压多刀半自动或仿形车床，使机动时间与辅助时间都缩短。4)在中小批量多品种的现代生产组织方式中，使用具有多刀位回转架的车削加工中心和数控车床是提高生产率的有效途径。三、刀具几何参数的合理选择1.前角的选择1)根据刀具材料与工件材料的强弱对比来考虑。2)根据加工情况来考虑。3)根据工艺系统刚性和加工工艺要求来考虑。2.前面的形状及其选择第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工(1)正前角平面

21、形(图2-19a)这种形式的特点是结构简单、制造方便、刃口锋利，但强度低、传热能力差，多用于精加工刀具、复杂刀具和加工脆性材料的刀具。图2-19刀具前面形式a)正前角平面形b)正前角曲面带倒棱形c)负前角单面形d)负前角双面形(2)正前角曲面带倒棱形(图2-19b)这种形式是在平面带倒棱的基础上，在前面上又磨出一个曲面，称为卷屑槽或月牙槽。第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工(3)负前角形(图2-19c、d)切削高强度、高硬度材料时，为使脆性较大的硬质合金刀片承受压应力，而采用负前角。3.后角的选择(1)后角应与前角协调当前角选大时，后角的数值应在可选择的范围内取较

22、小值，以保证刀具有合适的强度；当前角选小值甚至负值时，为便于切入，应在可选择的数值范围内取较大的后角。(2)根据加工要求选粗加工时，切削余量多，切削用量较大，刃口需要有较好的强度，后角应选小些，一般取36；精加工时，切削用量较小，工件表面质量要求高，为了减小摩擦，使刃口锋利，后角应选得大些，一般取48。第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工(3)根据工件材料选取加工塑性金属材料或强度及硬度较低的材料，后角应选得大些；加工脆性材料或强度及硬度较高的材料，后角应选得小些。(4)工艺系统刚度工件或刀具刚性较差时，应取较小的后角。4.主偏角的选择(1)工艺系统刚性在工艺系统刚

23、性允许的情况下，应尽可能采用较小的主偏角。(2)工件材料当工件材料的强度、硬度较高时，刀具磨损快，为减轻单位切削刃上的载荷，改善散热条件，延长刀具寿命，宜选用较小的主偏角。(3)粗车粗车时，特别是强力切削时，常取较大的主偏角，以便获得厚而窄的切屑，使切屑平均变形和径向分力相对减小。第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工(4)考虑操作者的方便和加工表面形状主偏角选用某特殊值时，可用一把车刀车出较多的表面，以免多次换刀。5.副偏角的选择(1)工序要求粗车时，为了考虑生产效率和刀具寿命，减小副切削刃的切削作用，副偏角应选大一些；精车时，为了保证已加工面的表面粗糙度，副偏角应

24、选小一些，甚至为零。(2)工件材料当加工高硬度、高强度的材料或断续切削时，为了增加刀尖强度，副偏角应取较小值，如r46；当加工塑性和韧性较大的材料，如纯铜、铝及其合金时，为了使刀尖锐利，则副偏角可取较大值，如r=1530。(3)工艺系统刚性当工艺系统刚性较好时，副偏角应取较小值；工艺系统刚性较差时，副偏角应取较大值，以避免工件振动。第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工6.刃倾角的选择1)粗加工时，宜选负刃倾角，以增加刀具的强度。2)在断续切削时，负刃倾角有保护刀尖的作用。3)精加工时，宜选用正刃倾角，可避免切屑流向已加工表面，保护已加工表面不被切屑碰伤。4)大刃倾角

25、刀具可使排屑平面的实际前角增大，刃口圆弧半径减小，使刀刃锋利。四、切削用量的合理选择1.粗车时切削用量的选择原则2.精车时切削用量的选择原则3.切削用量的选择方法(1)背吃刀量的选择第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工1)粗车时，一般是在保留半精车和精车加工余量的前提下，尽可能用一次走刀切除全部加工余量，以使进给次数最少。2)精车时，通常取ap=0.10.4mm；半精车时，通常取ap=0.52mm。(2)进给量的选择1)粗车时，对加工表面粗糙度的要求不高，进给量的选择主要受切削力的限制。2)半精车和精车时，产生的切削力不大，进给量主要受表面粗糙度的限制。(3)切削速

26、度的选择第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工4.机床功率校验第三节轴类零件外圆表面的车削加工第三节轴类零件外圆表面的车削加工第四节金属切削机床的基本知识第四节金属切削机床的基本知识图2-20零件表面的成形1导线2母线二、机床的运动一、零件表面的切削加工成形方法1.表面成形运动2.辅助运动三、机床的分类与型号编制1.机床的分类(1)通用机床可以加工多种工件，完成多种工序，使用范围较广的机床。(2)专门化机床用于加工形状相似而尺寸不同的工件的特定工序的机床，如曲轴车床、凸轮轴车床等。(3)专用机床用于加工特定工件的特定工序的机床。2.机床的型号编制(1)型号表示方法第四

27、节金属切削机床的基本知识第四节金属切削机床的基本知识第四节金属切削机床的基本知识第四节金属切削机床的基本知识表2-2普通机床的类别代号(3)通用特性代号，结构特性代号当某类机床除有普通型式外，还有某种通用特性，则在类代号之后加通用特性代号予以区分；如某类机床仅有某种通用特性，而无普通型式时，则通用特性不予表示。第四节金属切削机床的基本知识第四节金属切削机床的基本知识(2)机床类、组、系的划分及其代号机床的类代号，用大写的汉语拼音字母表示。表2-3通用特性代号(4)主参数和第二主参数的表示方法机床的主参数表示机床的规格大小，是机床的最主要的技术参数，反映机床的加工能力。(5)机床的重大改进顺序号当机床的结构、性能有重大改进和提高，并按新产品重新设计、试制和鉴定时，按改进的先后顺序选用A、B、C等汉语拼音字母加入型号的尾部，以区别原机床型号。第四节金属切削机床的基本知识第四节金属切削机床的基本知识四、机床的传动原理及传动系统1.机床传动的基本组成(1)执行件执行件是执行机床运动的部件。(2)驱动装置驱动装置也即运动源，是为执行件提供运动和动力的装置，如交流异步电动机、步进电动机等。(3)