工艺路线过程分析

1、7.4 7.4 工艺路线、过程分析 内容提要：内容提要：轴类零件加工箱体类零件加工盘套类零件加工1 1、轴类零件加工工艺 一、轴类零件的功用、结构特点一、轴类零件的功用、结构特点 轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。 轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。 轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。 以下以CA6140卧式机床主轴为例，分析轴类零件的加工工艺。主轴的功用 主轴是车床的关键零件

2、之一,其前端直接与夹具(卡盘、顶尖等)相连接,用以夹持并带动工件旋转,以完成表面成形运动。为保证机床的加工精度,要求主轴有很高的回转精度,工作时要承受弯矩和转矩作用。又要求主轴有足够的刚性、耐磨性和抗振性。所以,主轴的加工质量对机床的工作精度有很大影响。对主轴的技术要求 (1)支承轴颈。 轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，主轴的两支承轴颈A、B与相应轴承的内孔配合。尺寸精度按IT5级制造；两支承轴颈的圆度公差为0.004mm，两支承轴颈的径向跳动公差为0.005mm，表面粗糙度值Ra为0.4m。对主轴的技术要求 (2)装夹表面 主轴前

3、端锥孔是用于安装顶尖或心轴的莫氏锥孔,其中心线必须与支承轴颈中心线严格同轴,否则会使工件产生圆度、同轴度误差。 主轴前端短圆锥面是安装卡盘的定心表面。为了保证卡盘的定心精度,短圆锥面必须与轴承轴颈同轴,端面必须与主轴回转中心垂直。对主轴的技术要求 (3)螺纹表面主轴的螺纹表面用于锁紧螺母的配合:当螺纹表面中心线与支承轴颈中心线歪斜时,会引起主轴组件上锁紧螺母的端面跳动,导致滚动轴承内圈中心线倾斜，引起主轴径向跳动,所以加工主轴上的螺纹表面,必须控制其中心线与支承轴颈中心线的同轴度。对主轴的技术要求 (4)轴向定位面 主轴轴向定位面与主轴回转轴线要保证垂直,否则会使主轴周期性轴向窜动,影响被加工

4、工件的端面平面度,加工螺纹时则会造成螺距误差。（5）其他技术要求 为了提高零件的综合力学性能和使用寿命,除以上对各表面的加工要求外,还制订了有关的材料选用、热处理等要求。 二、轴类零件的毛坯和材料 (一)轴类零件的毛坯 轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。 （1）对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主； （2）对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。 根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。 （1）中小批生产多采用自由锻； （2）大批大量生产时采用模锻。 ( (二) )轴类

5、零件的材料 45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达4552HRC。 40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。 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5058HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。 精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAlA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。与渗碳淬

6、火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性主轴的机械加工工艺过程主轴的机械加工工艺过程轴类零件典型工艺路线 轴类零件一般采用中心孔作为定位基准，以实现基准统一的方案。在单件小批生产中钻中心孔工序常在普通车床上进行。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的定位基准，其质量对加工精度有着重大影响。所以必须安排修研中心孔工序。修研中心孔一般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，一般均采用带顶尖孔的锥套心轴或锥堵(P265图7-20)。若外圆和锥孔需反复多次、互为基准进行加工，则在重装锥堵或心轴时，必须按

7、外圆找正或重新修磨中心孔。 轴类零件典型工艺路线 轴上的花键、键槽等次要表面的加工，一般安排在外圆精车之后，磨削之前进行。 原因：如果在精车之前就铣出键槽，在精车时由于断续切削而易产生振动，影响加工质量，又容易损坏刀具，也难以控制键槽的尺寸。但也不应安排在外圆精磨之后进行，以免破坏外圆表面的加工精度和表面质量。 在轴类零件的加工过程中，应当安排必要的热处理工序，以保证其机械性能和加工精度，并改善工件的切削加工性。一般毛坯锻造后安排正火工序，而调质则安排在粗加工后进行，以便消除粗加工后产生的应力及获得良好的综合机械性能。淬火工序则安排在磨削工序之前。 2 2、箱体零件加工工艺 ( (一一) )箱

8、体零件的功用箱体零件的功用 箱体类零件是机器及其部件的基础件，它将机器及其部件中的轴、轴承、套和齿轮等零件按一定的相互位置关系装配成一个整体，并按预定传动关系协调其运动。因此，箱体的加工质量不仅影响其装配精度及运动精度，而且影响到机器的工作精度、使用性能和寿命。 ( (二) )箱体类零件的结构特点 箱体的种类很多，其尺寸大小和结构形式随着机器的结构和箱体在机器中功用的不同有着较大的差异。但从工艺上分析它们仍有许多共同之处，其结构特点是：1外形：基本上是由六个或五个平面组成的封闭式多面体，又分成整体式和组合式两种；2结构形状：比较复杂。内部常为空腔形，某些部位有“隔墙”，箱体壁薄且厚薄不均。3箱

9、壁上通常都布置有平行孔系或垂直孔系；4箱体上的加工面，主要是大量的平面，此外还有许多精度要求较高的轴承支承孔和精度要求较低的紧固用孔。 ( (三) ) 箱体类零件的技术要求 1)各孔的孔径精度 箱体上的孔大都是轴承支承孔，其加工质量(包括尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度等)要求较高。孔径的尺寸误差和几何形状误差会造成轴承与孔的配合不良。孔径过大,配合过松,使轴回转轴线不稳定:并降低了支承刚度,易产生振动和噪声;孔径过小,会使配合过紧,轴承将因外环变形而不能正常运转,缩短寿命。装轴承的孔不圆,也使轴承外环变形而引起主轴径向跳动。主轴支承孔的尺寸精度为I6级,表面粗糙度值Ra为0.40.8m,2

10、)主要平面的精度 装配基面的平面度影响主轴箱与床身连接时的接触刚度,加工过程中作为定位基面则会影响主要孔的加工精度。因此,规定底面和导向面必须平直。主要平面(箱体底面、顶面及侧面)的平面度公差为0.04mm,表面粗糙度值等于或小于1.6um,主要平面间的垂直度公差为0.1mm/300mm。( (三) ) 箱体类零件的技术要求 3)各支承孔的相互位置精度 同一轴线上各孔的同轴度误差和孔端面对轴线的垂直度误差,会使轴和轴承装配到箱体内出现歪斜,从而造成主轴径向跳动和轴向窜动,也加剧了轴承磨损。孔系之间的平行度误差及中心距偏差,会影响齿轮的啮合精度,工作时将出现噪声、冲击振动,使齿轮寿命降低。各支承

11、孔的孔距公差为0.0250.06mm,中心线的平行度公差为0.0120.021mm。4)孔和平面的位置精度 如果主轴中心线与箱体装配基面在水平面内有偏斜,则总装后主轴中心线与床身导轨就会在水平面内产生偏斜,使加工工件产生圆柱度误差。如果主轴中心线与箱体装配基面在垂直面内有偏斜,则会引起加工工件的双曲线误差。主轴孔对装配基面的平行度公差为0.1mm/600mm。(四)箱体类零件的材料和毛坯 箱体类零件的材料一般用灰口铸铁，常用的牌号有HT100HT400。 毛坯为铸铁件，其铸造方法视铸件精度和生产批量而定。单件小批生产多用木模手工造型，毛坯精度低，加工余量大。有时也采用钢板焊接方式。大批生产常用

12、金属模机器造型，毛坯精度较高，加工余量可适当减小。 为了消除铸造时形成的内应力，减少变形，保证其加工精度的稳定性，毛坯铸造后要安排人工时效处理（人工时效是将铸件加热到550650进行去应力退火）。精度要求高或形状复杂的箱体还应在粗加工后多加一次人工时效处理，以消除粗加工造成的内应力，进一步提高加工精度的稳定性。二、箱体零件加工工艺分析 (一) 工艺路线的安排 车床主轴箱要求加工的表面很多。在这些加工表面中，平面加工精度比孔的加工精度容易保证，于是，箱体中主轴孔（主要孔）的加工精度、孔系加工精度就成为工艺关键问题。因此，在工艺路线的安排中应注意三个问题： 1工件的时效处理 2安排加工工艺的顺序时

13、应先面后孔 3粗、精加工阶段要分开 工件的时效处理 箱体结构复杂壁厚不均匀，铸造内应力较大。由于内应力会引起变形，因此铸造后应安排人工时效处理以消除内应力减少变形。一般精度要求的箱体，可利用粗、精加工工序之间的自然停放和运输时间，得到自然时效的效果。但自然时效需要的时间较长，否则会影响箱体精度的稳定性。 对于特别精密的箱体，在粗加工和精加工工序间还应安排一次人工时效，迅速充分地消除内应力，提高精度的稳定性。 安排加工工艺的顺序时应先面后孔 由于平面面积较大定位稳定可靠，有利与简化夹具结构减少安装变形。从加工难度来看，平面比孔加工容易。先加工平面，把铸件表面的凹凸不平和夹砂等缺陷切除，在加工分布

14、在平面上的孔时，对便于孔的加工和保证孔的加工精度都是有利的。因此，一般均应先加工平面。 粗、精加工阶段要分开 箱体均为铸件，加工余量较大，而在粗加工中切除的金属较多，因而夹紧力、切削力都较大，切削热也较多。加之粗加工后，工件内应力重新分布也会引起工件变形，因此，对加工精度影响较大。为此，把粗精加工分开进行，有利于把已加工后由于各种原因引起的工件变形充分暴露出来，然后在精加工中将其消除。 (二) 定位基准的选择 箱体定位基准的选择，直接关系到箱体上各个平面与平面之间，孔与平面之间，孔与孔之间的尺寸精度和位置精度要求是否能够保证。在选择基准时，首先要遵守“基准重合”和“基准统一”的原则，同时必须考

15、虑生产批量的大小，生产设备、特别是夹具的选用等因素。 精基准的选择 箱体零件精基准的选择一般有两种方案：（1）中小批量生产：以装配面（箱体底面）为精基准（三平面）。以车床主轴箱镗孔夹具为例，该夹具如图所示。它的优点是对于孔与底面的距离和平行度要求，基准是重合的，没有基准不重合误差，而且箱口向上，观察和测量、调刀都比较方便。但是在镗削中间壁上的孔时，由于无法安装中间导向支承，而不得不采用吊架的形式（见图中件3）。这种吊架刚性差，操作不方便，安装误差大，不易实现自动化，故此方案一般只能适用于无中间孔壁的简单箱体或批量不大的场合。 1 1夹具底座；夹具底座；2 2、4 4镗模支架；镗模支架；3 3吊

16、架吊架 精基准的选择（2）大批大量生产时，采用箱口向下的安装方式，以箱体顶面和顶面上的两个工艺孔为精基准。（一面两孔） 在镗孔时，由于中间导向支承直接固定在夹具上，使夹具的刚度提高，有利于保证各支承孔的尺寸和位置精度。并且工件装卸方便减少了辅助时间，有利于提高生产率。但是这种定位方式也有不足之处，如箱口向下无法观察和测量中间壁上孔的加工情况；以顶面和两个工艺孔作为定位基准，要提高顶面和孔的加工要求；加工基准与装配基准不重合需要进行尺寸链的计算或采用装配时用修刮尾座底板的办法来保证装配精度。 以顶面和两销孔定位 粗基准的选择 粗基准的作用主要是决定不加工面与加工面的位置关系，以及保证加工面的余量

17、均匀。 箱体零件上一般有一个（或几个）主要的大孔，为了保证孔的加工余量均匀，应以该毛坯孔为粗基准（如主轴箱上的主轴孔）。 实际生产中常以孔为主要粗基准，限制四个自由度，而辅之以内腔或其它毛坯孔为次要基准面，以达到完全定位的目的。 3、盘套类零件加工 圆柱齿轮加工工艺分析 齿轮的功用与结构特点。 齿轮传动在现代机器和仪器中应用极广,齿轮是齿轮传动的主要元件,其功用是按规定的传动比传递运动和动力。 在各种齿轮中以盘形齿轮应用最广。单齿圈齿轮的结构工艺性最好,可采用任何一种齿形加工方法加工。对于多齿圈齿轮(多联齿轮),当各齿圈轴向尺寸较小时,除最大齿圈外,其余较小齿圈加工方法通常只能选择插齿。 圆柱

18、齿轮的技术要求： 齿轮传动的一般要求是,传递运动准确、平稳,齿面接触均匀,传动侧隙合理。 合理的侧隙,是指在齿轮传动的过程中,非工作齿面间应有齿侧间隙,用于储存润滑油润滑齿面、补偿齿轮的制造与安装误差及因温升所造成的轮齿变形。 为了保证这些传动要求,齿轮制造应符合一定的精度标准,国家标准渐开线圆柱齿轮精度(GB.10095-2001)对齿轮及齿轮副规定了12个精度等级。 齿轮的材料 齿轮的材料根据使用时的工作条件和失效形式进行选择,常用以下材料制造: 1)中碳结构钢。如45钢等进行调质或表面淬火,综合力学性能较好,适用于制造低速、载荷不大的齿轮。 2)中碳合金结构钢。当速度、载荷较大时,可选用

19、40Cr钢,经调质或表面淬火后,力学性能较45钢好。对高速传动齿轮,齿面易产生疲劳点蚀,应选择齿面硬度高的材料,如38CrMoAlA氮化钢。 3)渗碳钢。低速、重载、有冲击环境下工作的齿轮,齿面受压产生塑性变形或磨损,且轮齿易被折断,应选择强度大,齿面硬度高,芯部韧性好的材料。如20Cr、20CrMoTi、18CrMnTi等,经渗碳淬火,芯部具有良好的韧性,齿面硬度可达5863HRC. 4）轻扭或非抟力齿轮可选用不淬火钢、铸铁、夹布胶木及尼龙等非金属材料。 齿轮的机械加工工艺过程齿轮的机械加工工艺过程工艺工程分析 1)定位基准的选择。 对于直径较小的轴齿轮，一般采用顶尖孔定位； 对空心轴，则在

20、中心内孔钻出后,用孔两端孔口的斜面定位；孔径大时则采用锥堵(见图7-20)，顶尖的定位精度高,且能做到基准重合和统一。 对于直径或模数较大的轴齿轮，由于自重和切削力较大,不宜选用顶尖孔定位，而多选择轴颈和一端面跳动较小的端面定位。 对于带孔的齿轮,在加工齿面时常采用以下两种定位和夹紧方式: 以内孔和端面定位。即以工件内孔和夹具心轴之间的配合决定中心位置,再以端面作为轴向定位基准,并对着端面夹紧。这种定位方式可使定位基准、设计基准、装配基准和测量基准重合,定位精度高,适于批量生产。但对于夹具的制造精度要求较高。 以外圆和端面定位。当工件和夹具心轴的配合间隙较大时,采用千分表校正外圆以决定中心位置

21、,并以端面进行轴向定位,从另一端面夹紧。这种定位方式因每个工件都要较正,故生产效率低;同时对齿坯的内、外圆同轴度要求高,而对夹具精度要求不高,故适于单件、小批量生产。 2)齿坯加工。 齿形加工前的齿轮加工称为齿坯加工。由于齿坯的内孔、端面、外圆常作为齿形加工与测量、齿轮装配时的基准，所以齿坯的加工精度对整个齿轮的加工精度有重要的影响。此外，齿坯加工占整个齿轮加工总工时的比例较大，直接影响到齿轮加工的生产率,因此,齿坯加工在整个齿轮加工中占有很重要的地位。 齿坯加工的主要内容包括齿坯的孔加工、端面加工和中心孔加工(对于轴齿轮)以及齿圈的外圆加工。其加工方案除受齿轮的结构和尺寸影响外,主要取决于生

22、产类型。 齿坯加工工艺方案： 大批大量生产的齿坯加工。在大批大量生产中，齿坯常在高效率机床，如由拉床、多轴、多刀半自动车床、数控机床等组成的流水线上或自动线上进行加工。 成批生产的齿坯加工。成批生产加工齿坯时的方案通常采用车拉车。 单件小批生产的齿坯加工。单件小批生产加工齿坯时，一般是齿坯的孔、端面、外圆的粗、精加工都在卧式车床上完成。先车好一端，再调头车另一端。但必须注意将孔和基准端面的精加工在一次装夹内完成,以保证其相互之间的位置精度。 3)齿形加工。 齿形加工是整个齿轮加工的关键。其方案的选择主要取决于齿轮的精度等级。此外，还要考虑齿轮的结构、热处理和生产批量等因素。常用的齿形加工方案如

23、下: 8级精度以下的齿轮。调质齿轮用滚齿或插齿即可达到要求。 76级精度。不需淬硬齿轮，可用滚齿剃齿方案。对于淬硬齿轮，当批量较小或淬火后变形较大的齿轮，可采用磨齿方案。批量大时可用剃珩（ hng ）齿方案 5级精度以上的齿轮。一般采用磨齿方案,即粗滚齿精滚齿+表面淬火校正基准粗磨齿精磨齿。这种方案加工精度最高,但生产率低,成本较高。 4)齿端加工。 齿轮的齿端加工有倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺等方式,如图7-24所示。经倒圆、倒尖后的齿轮变速时容易进入啮合，减少冲挤现象。倒棱可以除去齿端锐边和毛刺。齿端倒圆应用最多。 2、套筒零件加工工艺分析 套筒零件是机械加工中经常遇到的一类零件，其应用很广泛。套筒零件在机器中主要起支承和导向作用。如支承传动轴的各种形式的轴承套、内燃机中的气缸套以及液压系统中的液压缸、机床夹具上的钻套、镗套等导向套等。 2)套筒零件的技术要求:套筒零件的主要表面是外圆和内孔，其主要技术要求有： 尺寸精度要求。套类零件的外圆表面多以过盈或过渡配合与机架或箱体孔配合起支承作用,内孔通常与运动着的轴、刀具或活塞相配合，起支承或导向作用。内孔与外圆的尺寸精度一般为IT7IT6。液压缸由于与其配合的活塞上有密封圈,其尺寸精度要求较低，一般