《机械设备制造技术》课件第6章

第6章典型零件加工6.1轴类零件加工6.2套筒类零件加工6.3箱体零件加工6.4圆柱齿轮加工6.5连杆加工6.1轴类零件加工6.1.1概述

1.轴类零件的功用与结构特点轴类零件是机械加工中最常见的典型零件之一。它主要起支承传动件和传递转矩的作用。轴类零件是旋转体零件,长度大于直径,主要由内外圆柱面、内外圆锥面、螺纹、花键、键槽、沟槽及横向孔等组成。根据结构形状的不同可分为光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、十字轴、偏心轴、曲轴及凸轮轴等,如图6-1所示。

图6-1轴的种类

2.轴类零件的主要技术要求

1)尺寸精度和几何形状精度轴颈是轴类零件的重要表面,它的直径精度根据使用要求通常为IT6～IT9,有时可达IT5。轴颈的几何形状精度(圆度、圆柱度)应限制在直径公差范围之内。对几何形状精度要求较高时,则应在零件图上专门标注形状公差。

2)位置精度配合轴颈(装配传动件的轴颈)相对支承轴颈(装配轴承的轴颈)的同轴度以及轴颈与支承端面的垂直度通常要求较高。普通精度的轴,配合轴颈相对支承轴颈的径向圆跳动一般为0.01～0.03mm,高精度的轴为0.001～0.005mm。端面圆跳动为0.005～0.01mm。

3)表面粗糙度轴类零件的各加工表面均有表面粗糙度的要求。一般说来,支承轴颈的表面粗糙度要求为Ra0.63～0.16μm。配合轴颈的表面粗糙度Ra为2.5～0.63μm。图6-2为CA6140型车床主轴简图,在该图上标明了主要技术要求。

图6-2CA6140型车床主轴简图

3.轴类零件的材料、毛坯及热处理

1)轴类零件的材料一般轴类零件材料常用45钢;中等精度而转速较高的轴,可选用40Cr等合金结构钢;精度较高的轴,可选用轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn等,也可选用球墨铸铁;对于高转速、重载荷条件下工作的轴,选用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金钢或38CrMoAl氮化钢。

2)轴类零件的毛坯轴类零件最常用的毛坯是圆棒料和锻件;只有某些大型、结构复杂的轴采用铸件。毛坯经过加热锻造后,可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布,从而获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度,故一般比较重要的轴,多采用锻件。依据生产批量的大小,毛坯的锻造方式分为自由锻造和模锻两种。自由锻造多用于中小批生产,模锻适用于大批大量生产。

3)轴类零件的热处理轴类零件的使用性能除与所选钢材种类有关外,还与所采用的热处理有关。锻造毛坯在加工前,均需安排正火或退火处理(含碳量大于ω(C)=0.7％的碳钢和合金钢),以使钢材内部晶粒细化,消除锻造应力,降低材料硬度,改善切削加工性能。为了获得较好的综合力学性能,轴类零件常要求调质处理，一般分两种情况：

(1)毛坯余量大时,调质安排在粗车之后、半精车之前,以便消除粗车时产生的残余应力。

(2)毛坯余量小时,调质可安排在粗车之前进行。表面淬火一般安排在精加工之前,这样可纠正因淬火引起的局部变形。对精度要求高的轴,在局部淬火后或粗磨之后,还需进行低温时效处理(在160℃油中进行长时间的低温时效),以保证尺寸的稳定。对于氮化钢(如38GrMoAl),需在渗氮之前进行调质和低温时效处理。对调质的质量要求也很严格,不仅要求调质后索氏体组织要均匀细化,而且要求离表面0.8～0.10mm层内铁素体含量不超过ω(C)＝5％,否则会造成氮化脆性而影响其质量。6.1.2空心类机床主轴加工工艺及其分析

1.主轴的主要技术条件支承轴颈Ａ、Ｂ是主轴部件的装配基准,它的制造精度直接影响主轴部件的回转精度,故对它提出的要求很高。主轴锥孔安装顶尖和工具锥柄,其中心线必须与支承轴颈的中心线严格同轴,否则会使工件产生圆度和同轴度误差。主轴前端圆锥面、端面是安装卡盘的定位表面。为保证卡盘的定心精度,主轴前端圆锥面与支承轴颈同轴,端面与主轴的回转中心线垂直。主轴上的螺纹是固定与调节轴承间隙的。当螺纹中径对支承轴颈歪斜时会引起锁紧螺母的端面跳动,轴承位置发生变动,引起主轴径向圆跳动。因此对螺纹的要求高。

2.加工工艺过程通过对主轴的技术要求和结构特点进行深入分析,根据生产批量、设备条件、工人技术水平等因素,就可以拟定其机械加工工艺过程。表6-1为CA6140型车床主轴加工工艺过程简表。

表6-1

CA6140型车床主轴加工工艺过程简表

序号工序名称工序内容定位基准加工设备1备料

2锻造

精锻

立式精锻机

3热处理

正火

4锯头

铣削切除毛坯两端

专用机床5铣端面、钻顶尖孔

外圆柱面专用机床

6粗车（荒车）粗车各外圆面

中心孔及外圆卧工车床C620B7热处理

调质220～240HBS

8车大端名部

卧式车床

C620B表6-1

CA6140型车床主轴加工工艺过程简表表6-1

CA6140型车床主轴加工工艺过程简表表6-1

CA6140型车床主轴加工工艺过程简表表6-1

CA6140型车床主轴加工工艺过程简表表6-1

CA6140型车床主轴加工工艺过程简表表6-1

CA6140型车床主轴加工工艺过程简表

3.加工工艺过程分析

1)加工阶段的划分由于主轴是多阶梯带通孔的零件,切除大量金属后,会引起残余应力重新分布而变形,故安排工序时,一定要粗精分开,先粗后精。

(1)粗加工阶段:切端面钻中心孔、粗车外圆等。毛坯处理:备料,锻造,热处理(正火),工序1～3。粗加工:工序4～6。目的:切除大部分余量,接近最终尺寸,只留少量余量,及时发现缺陷。

(2)半精加工阶段:半精车外圆，各辅助表面(键槽、花键、螺纹等)的加工与表面淬火。半精加工前热处理:工序7。半精加工:工序8～13。目的:为精加工作准备,次要表面达到图纸要求。

(3)精加工阶段:主要表面(外圆表面与锥孔)的精加工。精加工前热处理:工序14。精加工前各种加工:工序15～20。精加工:工序21～23。目的:各表面都加工到图纸要求。

2)定位基准的选择轴类零件的定位基准,最常用的是两中心孔。因为轴类零件各外圆表面、锥孔、螺纹等表面的设计基准都是轴的中心线,采用两中心孔定位,既符合基准重合原则又符合基准统一原则。不能用中心孔或粗加工时,采用轴的外圆表面或外圆表面与中心孔组合作为定位基准。磨、车锥孔时采用主轴的装配基准——前后支承轴颈定位,符合基准重合原则。由于主轴是带通孔的零件,作为定位基准的中心孔,因钻出通孔而消失。为了在通孔加工之后还能使用中心孔作为定位基准,常采用带有中心孔的锥堵或锥套心轴,当主轴孔的锥度较小时(如车床主轴锥孔,锥度为MorseNo.6),可使用锥堵,如图6-3(a)所示;当主轴孔的锥度较大(如铣床主轴)或为圆柱孔时,则用锥套心轴,如图6－3(b)所示。

图6-3锥堵与锥套心轴

采用锥堵应注意以下几点:锥堵应具有较高的精度,其中心孔既是锥堵本身制造的定位基准,又是磨削主轴的精基准,因而必须保证锥堵的锥面与中心孔有较高的同轴度。另外,在使用锥堵时,应尽量减少锥堵装夹次数。这是因为工件锥孔与锥堵的锥角不可能完全一样,重新装夹势必引起安装误差,故中、小批生产时,锥堵安装后一般不中途更换。综上所述,空心主轴零件定位基准的使用与转换,大致采用这样的方式:开始时以外圆作粗基准铣端面钻中心孔,为粗车外圆准备好定位基准。粗车外圆又为深孔加工准备好定位基准,钻深孔时采用一夹(夹一头外圆)一托(托一头外圆)的装夹方式。之后即加工好前后锥孔,以便安装锥堵,为半精加工和精加工外圆准备好定位基准。终磨锥孔之前,必须磨好轴颈表面,以便用支承轴颈定位来磨锥孔,从而保证锥孔的精度。

3)工序顺序的安排安排主轴加工工序的顺序时应注意以下几点:

(1)基准先行。在安排机械加工工艺时,总是先加工好定位基准面,即基准先行。主轴加工也总是首先安排铣端面钻中心孔,以便为后续工序准备好定位基准。

(2)深孔加工的安排。为了使中心孔能够在多道工序中使用,希望深孔加工安排在最后。但是,深孔加工属粗加工,余量大,发热多,变形也大,会使得加工精度难以保持,故不能放到最后。一般深孔加工安排在外圆粗车之后,以便有一个较为精确的轴颈作定位基准用来搭中心架,这样加工出的孔容易保证主轴壁厚均匀。

(3)先外后内与先大后小。先加工外圆,再以外圆定位加工内孔。如上述主轴锥孔安排在轴颈精磨之后再进行精磨;加工阶梯外圆时,先加工直径较大的,后加工直径较小的,这样可避免过早地削弱工件的刚度。加工阶梯深孔时,先加工直径较大的,后加工直径较小的,这样便于使用刚度较大的孔加工工具。

(4)次要表面加工的安排。主轴上的花键、键槽、螺纹等次要表面加工,通常均安排在外圆精车或粗磨之后、精磨外圆之前进行。如果精车前就铣出键槽,精车时因断续切削而易产生振动,既影响加工质量,又容易损坏刀具,也难控制键槽的深度。这些加工也不能放到主要表面精磨之后,否则会破坏主要表面已获得的精度。

4)主要工序加工方法

(1)外圆表面的加工。外圆表面粗加工和半精加工应用车削的方法。成批生产时采用转塔车床、数控车床;大批量生产时,采用多刀半自动车床、液压仿形半自动车床等。外圆表面的精加工应用磨削方法,放在热处理工序后进行,用来纠正在热处理中产生的变形,最后达到所需的精度和表面粗糙度。当生产批量较大时,常采用组合磨削(如图6－4所示)、成形砂轮磨削及无心磨削等高效磨削方法。

图6-4组合磨削

(2)精磨锥孔。主轴锥孔对主轴支承轴颈的径向圆跳动,是一项重要的精度指标,因此锥孔加工是关键工序。主轴锥孔磨削通常均采用专用夹具。如图6-5所示,夹具由底座、支架及浮动夹头三部分组成。支架固定在底座上,支承前后各有一个V形块,其上镶有硬质合金(提高耐磨性),工件放在V形块上,工件中心与磨头中心必须等高,否则会出现双曲线误差,影响其接触精度。后端的浮动夹头锥柄装在磨床主轴锥孔内,工件尾部插入弹性套内,用弹簧将夹头外壳连同主轴向左拉,通过钢球压向带有硬质合金的锥柄端面,限制工件轴向窜动。这种磨削方式,可使主轴锥孔磨削精度不受内圆磨床头架主轴回转误差的影响。

图6-5磨主轴锥孔夹具

(3)主轴中心通孔的加工。主轴的中心通孔一般都是深孔(长度与直径之比大于5)。深孔比一般孔的加工要困难和复杂得多。针对深孔加工的不利条件,要解决好刀具引导、顺利排屑和充分润滑三个关键问题。一般采取下列措施:①采用工件旋转、刀具送进的加工方式,使钻头有自定中心能力,防止孔中心线偏斜;②采用特殊结构的刀具——深孔钻,以增加其导向的稳定性和断屑性能;③在工件上预先加工出一段精确的导向孔,保证钻头从一开始就不引偏;④采用压力输送的冷却润滑液,利用压力将冷却润滑液送入切削区域,对钻头起冷却润滑作用,并带着切屑排出。6.1.3其它轴类零件的加工工艺特点

1.精密机床主轴零件的加工工艺特点对于精密机床主轴,不仅一些主要表面的精度和表面质量要求很高,而且精度也要求稳定。这就使得精密主轴在材料选择、工艺安排、热处理等方面具有一些特点。下面以高精度磨床砂轮主轴的加工为例来讨论精密主轴加工的工艺特点。图6-6为某高精度磨床砂轮主轴的简图。

主要技术要求如下:

(1)支承轴颈60-0.025-0.035mm表面的圆度和圆柱度均为0.001mm,两轴颈相对径向圆跳动为0.001mm;

(2)安装砂轮的1∶5锥面相对支承轴颈的径向圆跳动为0.001mm;锥面涂色检验时,应均匀着色,接触面积不得小于80%;

(3)前轴肩的端面圆跳动为0.001mm;

(4)两端螺纹应直接磨出;

(5)材料为38CrMoAlA,渗氮处理后的硬度为HRC65。

图6-6高精度磨床砂轮主轴简图

为满足以上技术要求,采取以下加工工艺路线:

(1)锻造毛坯;

(2)毛坯退火处理;

(3)粗车外圆(外圆径向圆跳动应小于0.2mm);

(4)调质(外圆径向圆跳动应小于1mm);

(5)割试样(在M36×3左端割取),并在零件端一面和试样外圆作相同编号;

(6)在试样任意位置钻出￠3mm的孔;

(7)平磨试样两面,将试样送淬火车间进行金相检查,待检查合格后,零件方可转下道工序加工,试样由淬火车间保存,备渗氮检查;

(8)精车外圆(外圆径向圆跳动小于0.1mm),留磨削加工余量0.7～0.8mm;

(9)铣键槽至尺寸深度;

(10)除应力处理;

(11)研磨顶尖孔,表面粗糙度为Ra0.63μm以下,用标准顶尖着色检查,接触面积为60％;

(12)粗磨外圆,留精磨加工余量0.06~0.08mm;

(13)渗氮处理硬度:HRC65,深度0.3mm,渗氮后进行磁力探伤。各外圆径向圆跳动不大于0.03mm。键槽应加保护,不使渗氮;

(14)研磨顶尖孔,表面粗糙度为Ra0.32μm,接触面积为65％;

(15)半精磨外圆,加工余量不大于0.01mm;

(16)磨螺纹;

(17)精研顶尖孔,表面粗糙度为Ra0.32μm,接触面积为75％;

(18)精磨外圆(在恒温室内进行),尺寸达公差上限;

(19)研顶尖孔,表面粗糙度为Ra0.32μm,接触面积为80％(用磨床顶尖检查);

(20)终磨外圆(磨削过程中允许研顶尖孔),在恒温室内进行,室温20℃±1℃,充分冷却,表面粗糙度和精度达到图样要求。

从上面工艺路线可以看出精密主轴加工有以下特点:

(1)主要表面的加工工序分得很细。如支承轴颈￠60-0.025-0.035mm表面经过粗车、精车、粗磨、精磨和终磨多道加工工序,其中还穿插一些热处理工序,以减少由内应力所引起的变形。

(2)顶尖孔要多次修研。先后安排了四次修研顶尖孔工序,而且逐步使顶尖孔的表面粗糙度值减小,以提高接触精度,最后一次以终磨外圆的磨床顶尖来检验顶尖孔的接触精度。

(3)合理安排热处理工序。为保证渗氮处理的质量和主轴精度的稳定,渗氮处理前需安排调质和消除应力两道热处理工序。调质处理对渗氮主轴非常重要,因为对渗氮主轴,不仅要求调质后获得均匀细致的索氏体组织,而且要求离表面0.8～0.10mm的表面层内的铁素体含量不得超过5％。表层铁素体的存在,会造成渗氮脆性,引起渗氮质量下降。故渗氮主轴在调质后,必须每件割试样进行金相组织的检查,不合格者不得转入下道工序加工。渗氮主轴由于渗氮层很薄,渗氮前如果主轴内应力消除不好,渗氮后会出现较大的弯曲变形,以至渗氮层的厚度不够抵消磨削加工时纠正弯曲变形的余量,所以精密主轴渗氮处理前,都要安排除应力工序。对于非渗氮精密主轴,虽然表面淬火前不必安排除应力处理,但是在淬火及粗磨后,为了稳定淬硬钢中的残余奥氏体组织。使工件尺寸稳定和消除加工应力,需要安排低温人工时效。时效的次数视零件的精度和结构特点而定。

(4)精密主轴上的螺纹在螺纹磨床上直接磨出。为了避免装卸砂轮和带轮时将螺纹碰伤,一般要求对螺纹部分进行淬火处理。但若对已车好的螺纹进行淬火,则会因应力集中而产生裂纹,故精密主轴上的螺纹多不采用车削,而在淬火、粗磨外圆后用螺纹磨床直接磨出。

2.细长轴和丝杠加工

1)细长轴加工长度与直径之比大于20(L/D>20)的轴称为细长轴。细长轴零件由于长径比大,刚性差,切削时间长,刀具磨损量大,不易获得良好的加工精度和表面质量。车削细长轴对刀具、机床精度、辅助工具的精度、切削用量的选择,以及工艺安排、具体操作技能等都应有较高的要求。可以说细长轴加工是一项工艺性较强的综合技术。为了保证加工质量,通常在车削细长轴外圆时采取以下措施：

(1)改进工件的装夹方法。在车削细长轴时,一般均采用一头夹和一头顶的装夹方法。同时在卡盘的卡爪下面垫入直径约4mm为的钢丝,使工件与卡爪之间为线接触,避免工件夹紧时被卡爪夹坏。尾座顶尖采用弹性活顶尖,使工件在受热变形而伸长时,顶尖能作轴向伸缩,以补偿工件的变形,减小工件的弯曲,如图6-7所示。

图6-7细长轴的装夹

(2)采用跟刀架。使用三爪支承的跟刀架车削细长轴能大大提高工件刚性,防止工件弯曲变形和抵消加工时径向切削分力的影响,减少振动和工件变形。使用跟刀架必须注意仔细调整,保证跟刀架的支承爪与工件表面保持良好的接触,跟刀架中心高与机床顶尖中心须保持一致,若跟刀架的支承爪在加工中磨损,则应及时调整。

(3)采用反向进给。车削细长轴时改变进给方向,使中滑板由车头向尾座移动(如图6－8所示),这样,刀具施加于工件上的轴向力方向朝向尾座,工件已加工部位受轴向拉伸,轴向变形则可由尾座弹性顶尖来补偿,减少了工件弯曲变形。

图6-8反向进给车削法

(4)合理选择车刀的几何形状和角度。在不影响刀具强度的情况下,为减少切削力和降低切削热,车削细长轴的车刀前角应选择大些,一般取γ0～15°～30°;尽量增大主偏角,一般取κr=80°～93°,车刀前刀面应开有断屑槽,以便断屑;刃倾角选择1°30′～3°为好,这样能使切屑流向待加工表面,卷屑效果良好。切削刃表面粗糙度要求在Ra0.4μm以下,并应保持锋利。

2)丝杠加工

(1)丝杠结构的工艺特点与技术要求。丝杠是细而长的柔性轴,它的长径比为20～50,刚性很差。其结构形状较复杂,既有要求很高的螺纹表面,又有阶梯及沟槽。在加工过程中易变形,这是影响丝杠精度的主要问题。按JB2886-81规定,丝杠及螺母的精度根据使用要求分为六级:4、5、6、7、8、9(精度依次降低)。各级精度的丝杠,除规定有螺纹大径、中径和小径的公差外,还规定了螺距公差、牙形半角的极限偏差、表面粗糙度、全长中径尺寸变动量的公差、中径跳动公差等。

(2)丝杠的材料。为保证丝杠的质量,其材料应有足够的强度、较高的稳定性和良好的加工性。丝杠有淬硬丝杠和不淬硬丝杠之分,前者耐磨性较好,能较长时间保持精度。不淬硬丝杠材料有45钢,Y40Mn易切削钢和具有珠光体组织的优质碳素工具钢T10A、T12A等。淬硬丝杠常用中碳合金钢和微变形钢,如9Mn2V,CrWMn,GCr15(用于小于50mm的丝杠)及GCr15SiMn(用于大于￠50mm的丝杠)等。它们淬火变形小、磨削时组织比较稳定,淬硬性好,硬度可达HRC58～62。

(3)丝杠加工工艺分析。表6-2列出了成批生产卧式车床母丝杠(如图6-9所示)和小批生产万能螺纹磨床母丝杠(如图6-10所示)的工艺过程,在编制丝杠工艺规程时,要考虑如何防止弯曲、减少内应力和提高螺距精度等问题。

表6-2丝杠工艺过程

图6-9卧式车床母丝杠零件简图

图6-10万能螺纹磨床母丝杠零件简图

从表6-2中可见,对丝杠外圆及螺纹分阶段分多次加工,以逐步减少切削量。对不淬硬丝杠一般采用车削加工;对淬硬丝杠,则采用“先车后磨,或“全磨”两种不同的工艺。后者是从淬硬后的光杠上先直接用单片或多片砂轮粗磨出螺纹,然后用单片砂轮精磨螺纹。在丝杠加工过程中,中心孔为主要定位基准,但因丝杠为细长轴,刚度很差,加工时需用跟刀架。为了使外圆表面与跟刀架的爪或套有良好的接触,丝杠外圆表面的圆度及与套的配合精度均应严格控制。每次时效后都修磨或重钻中心孔,以消除时效产生的变形,使下道工序加工有可靠的、精确的定位基面。每次加工螺纹时,都要先加工丝杠外圆,然后以两端中心孔和外圆作为定位基准加工螺纹,逐步提高螺纹的加工精度。

为了纠正丝杆加工过程中的弯曲变形,在丝杠工艺过程中常常安排校直工序。热校直是把丝杠毛坯加热到正火温度860～900℃,保温45～60分钟,然后放在三个滚筒之间进行的。对于普通机床丝杠,在粗加工及半精加工阶段都安排了冷校直工序。粗加工阶段工件弯曲较大,采用压高点的方法,但在螺纹半精加工以后,工件的弯曲己变小,可采用砸凹点的方法。此法是将丝杠置于两V形铁间,使弯曲部分凸点向下,凹点向上,下垫硬木或黄铜块,如图6－11所示,用锤及扁錾敲击丝杠凹点螺纹内径,使锤击面凹下处金属向两边伸展,以达到校直目的。

图6-11砸凹点校直示意图

丝杠工艺过程中的热处理可以分为以下几类:

(1)毛坯的热处理。对45钢材料的普通丝杠,用正火处理;对于T10A或9Mn2V材料的丝杠,采用球化退火,以获得稳定的球状珠光体组织。毛坯热处理的目的是消除锻造或轧制时毛坯中产生的内应力,细化晶粒,改善切削性能。

(2)机械加工中的时效处理。丝杠精度的不同,时效处理次数也不同。精度要求高的丝杠,时效次数多。一般在每次加工外圆及螺纹后均安排时效处理。机械加工中安排时效处理的目的是消除内应力,以便丝杠精度能长期保持稳定。

(3)淬火、回火及冰冷处理。对于要求高的丝杠经精车外圆或粗磨外圆(未车螺纹)后进行淬火处理,待丝杠均匀冷至180℃左右,若检查弯曲度大于0.3mm,则应进行校直,并进行中温回火,再进行-60℃冰冷处理2小时,自然升温到室温后,再中温回火4小时,使丝杠硬度达到所需值,从而使丝杠具有良好的耐磨性、尺寸稳定性和好的磨削性能。

丝杠螺纹的加工有车削、铣削和磨削几种方法。

(1)车削螺纹。车削是加工不淬硬丝杠螺纹的主要方法。车削螺纹时切削稳定,加工精度好,但生产率较低,适于单件小批生产。切削时,余量分次逐渐切除。如切削梯形螺纹时,生产中采用较多的有四种余量分次切除方法。图6-12是这四种方法的切削图形。图(a)适用于螺距小于8mm,材料切削性能较好的工件;图(b)适用于螺距小于8mm,材料强度、硬度较高,切削性能差的工件;图(c)适用于螺距大于8mm的大多数工件;图(d)适用于螺距大于12mm,牙槽大而深,材料硬度高的工件。图6-12车梯形螺纹的切削图形

车削螺纹的设备是丝杠车床。对7级以上不淬硬丝杠的精车工序,都在精密丝杠车床上进行,该车床刚性好、精度高。加工时用导套式跟刀架提高工件刚度。

(2)铣削螺纹。铣削螺纹为断续切削,振动大,但是刀具冷却好,切削速度高,生产效率高。故批量较大的生产,多采用旋风铣削螺纹或采用螺纹铣床。铣削螺纹质量比车削螺纹差,只适于螺纹的粗加工。

(3)磨削螺纹。对于淬硬丝杠的精加工,通常采用螺纹磨床磨螺纹。

6.1.4轴类零件的先进加工方法

1.多刀半自动车削和仿形车削轴类零件批量较大时,多采用多刀切削和仿形加工。图6-13为多刀切削;图6－14为仿形加工。多刀切削是指用两把或两把以上刀具同时加工工件上的几个表面。多刀切削可以把几个工步合并起来,使机动时间重叠。要指出的是,这种加工方法调整刀具时间较多,且切削力较大,要求机床的刚性及功率要大。

图6-13多刀车削

图6-14仿形加工

仿形加工是指按照预制的仿形靠模顺序将工件外形加工出来的方法。它有机械靠模仿形和液压随动靠模仿形两种。液压仿形加工可在液压半自动车床上进行,也能在卧式车床上采用液压仿形刀架来实现。液压仿形加工不仅能大大减少零件加工的辅助时间,而且产品质量稳定,调整方便,减轻了工人的劳动强度,因此已成为提高轴类零件外圆车削生产率的重要方法。

2.高速磨削、强力磨削和砂带磨削

1)高速磨削砂轮线速度高于60～80m/s的磨削,称为高速磨削。高速磨削有以下特点:

(1)提高了生产率。砂轮速度提高后,单位时间进入磨削的磨粒数成比例增加,如果还保持每颗磨粒切屑厚度与普通磨削相同,则进给量可以成比例加大,磨削时间相应缩短。

(2)提高砂轮耐用度。砂轮速度提高后,若进给量仍与普通磨削相同,则每颗磨粒切去的切屑厚度减小,每颗磨粒承受的切削负荷也就小了。磨粒切削能力相对提高,每次修整砂轮后可以磨去更多的金属。

(3)减小表面粗糙度值。因为每颗磨粒切削厚度变小,表面切痕深度浅,表面粗糙度值小,作用在工件上的法向磨削力也相应减小,所以又可提高加工精度。但高速磨削对砂轮、机床均有一些特殊要求,应予充分注意。

(1)必须提高砂轮的强度,以免砂轮因离心力而破裂,按切削速度规范选用砂轮。

(2)砂轮主轴的轴承间隙要适当加大,冷态间隙为0.04～0.05mm,热态间隙为0.03mm左右。

(3)砂轮防护罩应加厚,开口角度减少,以确保安全。

(4)改善切削液供给方式。高速磨削区温度极高,而砂轮周围因高速回转形成一股强大气流,切削液不易进入磨削区,须采用特殊喷嘴且增加切削液流量和压力。

2)强力磨削强力磨削采用较高的砂轮速度,较大的磨削深度,一次切深可达6mm以上。进给量较小,直接从毛坯上磨出加工表面。它可“以磨代车”、“以磨代铣”,而且效率比车削、铣削高。强力磨削力及磨削热比高速磨削显著增加,因此除提高电动机功率外,还要加强砂轮防护罩的强度和加大切削液的供应量,而且还需合理选择砂轮和加强机床刚度等措施,以免发生危险。

3)砂带磨削砂带磨削是用涂满砂料的环形带状布(即砂带)作为切削工具的一种加工方法。它是多刀多刃连续切削,因而砂带磨床加工效率超过车、铣、刨等通用机床加工效率,几乎领先于所有金属切削机床。砂带磨削时,砂带和工件是弹性接触,砂带不能修整,故其加工精度要低于砂轮磨削。图6-15为砂带磨削的三种方式。

图6-15砂带磨削的三种方式

6.2套筒类零件加工

6.2.1套筒类零件的结构特点和技术要求

1.结构特点套筒类零件是一种应用范围很广,在机器中主要起支承、定位或导向作用的零件。例如:支承回转轴的各种形式的轴承和定位套、液压系统中的液压缸、电液伺服阀的阀套、夹具上的钻套和导向套、内燃机上的气缸套等都属套筒类零件,其结构形式如图6-16所示。

图6-16套筒类零件的结构形式

各种套筒类零件虽然结构和尺寸有很大差异,但却具有以下共同特点:

(1)外圆直径D一般小于其长度L,通常长径比(L/D)小于5。

(2)内孔与外圆直径之差较小,即零件壁厚较小,易变形。

(3)内外圆回转表面的同轴度公差很小。

(4)结构比较简单。

2.套筒类零件的毛坯制造方式

毛坯制造方式主要取决于其结构尺寸、材料和生产批量的大小。孔径较大(如d＞20mm)时,常采用无缝钢管或带孔的铸件和锻件。孔径较小时,多选用热轧或冷拉棒料,也可采用实心铸件。大批量生产时,可采用冷挤压棒料、粉末冶金棒料等。套筒类零件的材料以钢、铸铁、青铜或黄铜为主,也有采用双金属结构(即在钢或铸铁套的内壁上浇注一层轴承合金材料)的。套筒类零件常用的热处理方法有渗碳、淬火、表面淬火、调质、高温时效及渗氮等。

3.套筒类零件的技术要求

套筒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。内孔主要起导向作用或支承作用,常与传动轴、主轴、活塞、滑阀相配合。有些套的端面或凸缘端面有定位或承受载荷作用。套筒类零件的主要技术要求为

(1)内孔与外圆的尺寸精度一般为IT7～IT6。为保证内孔的耐磨性和功能要求,其表面粗糙度要求Ra2.5～0.16μm,外圆的表面粗糙度为Ra5～0.63μm。

(2)通常将外圆与内孔的几何形状精度控制在直径公差以内即可,较精密的可控制在直径公差的1／2～1／3,甚至更小。较长的套筒零件除有外圆的圆柱度要求外,还有孔的圆柱度要求。

(3)内、外圆表面之间的同轴度公差按零件的装配要求而定。当内孔的最终加工是将套装入机座或箱体之后进行(如连杆小端衬套)时,内、外圆表面的同轴度公差可以较大;若内孔的最终加工是在装配之前完成,则同轴度公差较小,通常为0.06～0.01mm。套的端面(包括凸缘端面)如在工作中承受载荷或加工中作为定位面时,端面与外圆或内孔轴线的垂直度要求较高,一般为0.05～0.02mm。

6.2.2套筒类零件加工工艺过程套筒类零件由于功用、结构形状及尺寸、材料、热处理方法的不同,其工艺过程差别较大。其中,保证内孔与外圆的同轴度公差,以及端面与内圆(外圆)轴线的垂直度公差,是拟定工艺规程时需要关注的主要问题。液压缸体(如图6-17所示)属于长孔薄壁类零件,且精度和表面粗糙度都控制较严。液压缸的毛坯多为无缝钢管,如果为铸件,由于其组织可能不够紧密,会出现砂眼、针孔或疏松等缺陷,加工过程中应该增加用泵定压定时的验漏工序。

图6-17液压缸简图

表6－3液压缸加工工艺路线表6-3液压缸加工工艺路线

该零件孔长而壁薄,为保证内外圆的同轴度,加工外圆时参照空心主轴的装夹方法,即采用双顶尖顶孔口1°30′的锥面或一头夹紧一头用中心架支承。加工内孔与一般深孔加工时的装夹相同,多采用夹一头,另一端用中心架托住外圆。孔的粗加工采用镗削,半精加工多采用浮动铰刀铰削。铰削后,孔径尺寸精度一般为IT9～IT7,表面粗糙度达Ra2.3～0.32μm。液压缸内孔的表面质量要求很高,精加工铰孔后,还需采用钢珠滚压,以改善内圆表面,使其熨平并形成残余压应力,提高使用寿命。为此,较多的专业生产厂采用专用组合刀具来完成液压缸内孔的粗加工、半精加工、精加工和滚压加工,专业组合刀具是将镗刀、浮动铰刀和钢珠滚压头等集成在一起。内孔经滚压后,尺寸误差在0.01mm以内,表面粗糙度为Ra0.16μm或更小,

且表面经硬化后更为耐磨。但是目前对铸造液压缸体尚未采用滚压工艺,原因是铸件表面缺陷对滚压有很大影响,因此,常以精细镗、珩磨、研磨等精密加工作为缸体内孔加工的最终工序。

6.2.3套筒类零件工艺分析

1.工艺措施套筒类零件内外表面的同轴度以及端面与孔轴线的垂直度要求较高,一般可采用以下工艺措施:

(1)在一次安装中完成内外表面及端面的全部加工,这样可消除工件的安装误差并获得很高的相互位置精度。但由于工序比较集中,对尺寸较大的套筒安装不便,故多用于尺寸较小的轴套车削加工。

(2)先完成孔加工,然后以孔为精基准加工外圆。由于使用的夹具(通常为心轴)结构简单,而且制造和安装误差较小,因此可保证较高的相互位置精度,在套筒类零件加工中应用较多。

(3)先完成外圆加工,然后以外圆为精基准加工内孔。一般卡盘安装误差较大,使得加工后工件的相互位置精度较低。如果欲使同轴度误差较小,则须采用定心精度较高的夹具,如弹性膜片卡盘、液性塑料夹头、经过修磨的三爪自定心卡盘和软爪等。

2.减小变形套筒类零件的结构特点是壁薄,在切削加工中常由于夹紧力、切削力、内应力和切削热等因素的影响而产生变形。为此,应注意将粗、精加工分开进行,应尽量减少加工余量,增加走刀次数。同时,应改善夹持方式,减小夹紧力。例如,采用过渡套或弹簧套来夹持,或者夹持工艺凸台或工艺螺纹(见表6-3工序2,工序4),加工完后再切去(工序5)。另外,应该尽量减小热处理变形对加工过程的影响,将热处理放在粗加工和精加工之间进行,让精加工切除热处理的残留变形量。

6.3箱体零件加工6.3.1概述

1.箱体零件的功用与结构特点

箱体是机器的基础零件,它将机器中有关部件的轴、套、齿轮等相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完成规定的运动。故箱体的加工质量,直接影响到机器的性能、精度和寿命。箱体类零件的结构复杂,壁薄且不均匀,加工部位多,加工难度大。据统计资料表明,一般中型机床制造厂花在箱体类零件的机械加工工时约占整个产品加工工时的l5％～20％。

2.箱体零件的主要技术要求箱体类零件中,机床主轴箱的精度要求较高,图6-18为某车床主轴箱简图。现以它为例介绍精度要求:

(1)孔径精度。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,使主轴回转轴线不稳定,并降低了支承刚度,易产生振动和噪声;孔径太小,会使配合偏紧,轴承将因外环变形,不能正常运转而缩短寿命。装轴承的孔不圆,也会使轴承外环变形而引起主轴径向圆跳动。因此，对孔的精度要求是较高的。主轴孔的尺寸公差等级为IT6,其余孔为IT8～IT7。孔的几何形状精度未作规定的,一般控制在尺寸公差的1／2范围内即可。

图6-18某车床主轴箱简图

(2)孔与孔的位置精度。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,从而造成主轴径向圆跳动和轴向窜动,也加剧了轴承磨损。

孔系之间的平行度误差,会影响齿轮的啮合质量。一般孔距允差为±0.025～±0.060mm,而同一中心线上的支承孔的同轴度约为最小孔尺寸公差之半。

(3)孔和平面的位置精度。主要孔对主轴箱安装基面的平行度,决定了主轴与床身导轨的相互位置关系。这项精度是在总装时通过刮研来达到的。为了减少刮研工作量,一般规定在垂直和水平两个方向上,只允许主轴前端向上和向前偏。

(4)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。因此规定了底面和导向面必须平直,为了保证箱盖的密封性,防止工作时润滑油泄出,还规定了顶面的平面度要求,当大批量生产将其顶面用作定位基面时,对它的平面度要求还要提高。

(5)表面粗糙度。一般主轴孔的表面粗糙度为Ra0.4μm,其它各纵向孔的表面粗糙度为Ra1.6μm;孔的内端面的表面粗糙度为Ra3.2μm,装配基准面和定位基准面的表面粗糙度为Ra2.5～0.63μm,其它平面的表面粗糙度为Ra10～2.5μm。

3.箱体零件的材料及毛坯箱体零件材料常选用各种牌号的灰铸铁,因为灰铸铁具有较好的耐磨性、铸造性和可切削性,而且吸振性好,成本又低。某些负荷较大的箱体采用铸钢件,某些简易箱体为了缩短毛坯制造的周期而采用钢板焊接结构。毛坯铸造时,应防止砂眼和气孔的产生。为了减少毛坯制造时产生残余应力,应使箱体壁厚尽量均匀,箱体浇铸后应安排退火工序。毛坯的加工余量与生产批量、毛坯尺寸、结构、精度和铸造方法等因素有关。具体数值可从有关手册中查到。

6.3.2拟定箱体零件机械加工工艺规程的原则

在拟定箱体零件机械加工工艺规程时,有一些基本原则应该遵循。

(1)先面后孔。先加工平面,后加工孔是箱体加工的一般规律。平面面积大,用其定位稳定可靠;支承孔大多分布在箱体外壁平面上,先加工外壁平面可切去铸件表面的凹凸不平及夹砂等缺陷,这样可减少钻头引偏,防止刀具崩刃等,对孔加工有利。

(2)粗精分开、先粗后精。箱体的结构形状复杂,主要平面及孔系加工精度高,一般应将粗、精加工工序分阶段进行,先进行粗加工,后进行精加工。

(3)基准的选择。箱体零件的粗基准一般都用它上面的重要孔和另一个相距较远的孔作粗基准,以保证孔加工时余量均匀。精基准选择一般采用基准统一的方案,常以箱体零件的装配基准或专门加工的一面两孔为定位基准,使整个加工工艺过程基准统一,夹具结构简单,基准不重合误差降至最小甚至为零(当基准重合时)。

(4)工序集中,先主后次。箱体零件上相互位置要求较高的孔系和平面,一般尽量集中在同一工序中加工,以保证其相互位置要求和减少装夹次数。紧固螺纹孔、油孔等次要工序的安排,一般在平面和支承孔等主要加工表面精加工之后再进行加工。

6.3.3孔系加工箱体上若干有相互位置精度要求的孔的组合,称为孔系。孔系可分为平行孔系、同轴孔系和交叉孔系(如图6-19所示)。孔系加工是箱体加工的关键,根据箱体加工批量的不同和孔系精度要求的不同,孔系加工所用的方法也是不同的,现分别予以讨论。

图6-19孔系分类

1.平行孔系的加工下面主要介绍如何保证平行孔系孔距精度的方法。

1)找正法找正法是在通用机床(镗床、铣床)上利用辅助工具来找正所要加工孔的正确位置的加工方法。这种找正法加工效率低,一般只适于单件小批生产。找正时除根据划线用试镗方法外,有时借用心轴量块或用样板找正,以提高找正精度。

图6-20所示为心轴和块规找正法。镗第一排孔时将心轴插入主轴孔内(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主轴位置,校正时用塞尺测定块规与心轴之间的间隙,以避免块规与心轴直接接触而损伤块规(如图6-20(a)所示)。镗第二排孔时,分别在机床主轴和已加工孔中插入心轴,采用同样的方法来校正主轴轴线的位置,以保证孔中心距的精度(如图6-20(b)所示)。这种找正法其孔心距精度可达±0.03mm。

图6-20用心轴和块规找正

图6-21所示为样板找正法。用10～20mm厚的钢板制成样板1,装在垂直于各孔的端面上(或固定于机床工作台上),样板上的孔距精度较箱体孔系的孔距精度高(一般为0.01～0.03mm),样板上的孔径较工件的孔径大,以便于镗杆通过。样板上的孔径要求不高,但要有较高的形状精度和较小的表面粗糙度,当样板准确地装到工件上后,在机床主轴上装一个千分表2,按样板找正机床主轴,找正后,即换上镗刀加工。此法加工孔系不易出差错,找正方便,孔距精度可达0.05mm。这种样板的成本低,仅为镗模成本的1／7～1／9,单件小批生产中大型的箱体加工可用此法。

图6-21样板找正法

2)镗模法在成批生产中,广泛采用镗模加工孔系,如图6-22所示。工件5装夹在镗模上,镗杆4被支承在镗模的导套6里,导套的位置决定了镗杆的位置,装在镗杆上的镗刀3将工件上相应的孔加工出来。当用两个或两个以上的支承1来引导镗杆时,镗杆与机床主轴2必须浮动联接。当采用浮动联接时,机床精度对孔系加工精度影响很小,因而可以在精度较低的机床上加工出精度较高的孔系。孔距精度主要取决于镗模,一般可达0.05mm。能加工公差等级IT7的孔,其表面粗糙度可达Ra5～1.25μm。当从一端加工、镗杆两端均有导向支承时,孔与孔之间的同轴度和平行度可达0.02～0.03mm;当分别由两端加工时,可达0.04～0.05mm。

图6-22用镗模加工孔系

图6-23在组合机床上用镗模加工孔系

3)坐标法坐标法镗孔是在普通卧式镗床、坐标镗床或数控镗铣床等设备上,借助于精密测量装置,调整机床主轴与工件间在水平和垂直方向的相对位置,来保证孔心距精度的一种镗孔方法。采用坐标法加工孔系时,要特别注意选择基准孔和镗孔顺序,否则,坐标尺寸累积误差会影响孔心距精度。基准孔应尽量选择本身尺寸精度高、表面粗糙度小的孔(一般为主轴孔),这样在加工过程中,便于校验其坐标尺寸。孔心距精度要求较高的两孔应连在一起加工。

2.同轴孔系的加工成批生产中,箱体上同轴孔的同轴度几乎都由镗模来保证。单件小批生产中,其同轴度用下面几种方法来保证。

1)利用已加工孔作支承导向如图6-24所示,当箱体前壁上的孔加工好后,在孔内装一导向套,以支承和引导镗杆加工后壁上的孔,从而保证两孔的同轴度要求。这种方法只适于加工箱壁较近的孔。

图6-24利用已加工孔导向

2)利用镗床后立柱上的导向套支承导向这种方法其镗杆系两端支承,刚性好。但此法调整麻烦,镗杆长,较笨重,故只适于单件小批生产中大型箱体的加工。

3)采用调头镗当箱体与箱壁相距较远时,可采用调头镗。工件在一次装夹下,镗好一端孔后,将镗床工作台回转180°,再调整工作台位置,使已加工孔与镗床主轴同轴,然后再加工另一端孔。当箱体上有一较长并与所镗孔轴线有平行度要求的平面时,镗孔前应先用装在镗杆上的百分表对此平面进行校正(如图6-25(a)所示),使其和镗杆轴线平行,校正后加工孔B,孔B加工后,回转工作台,并用镗杆上装的百分表沿此平面重新校正,这样就可保证工作台准确地回转180°,如图6-25(b)所示。然后再加工孔A,从而保证孔A、B同轴。

图6-25调头镗孔时工件的校正

6.3.4不同生产类型下箱体零件的加工工艺过程

1.中、小批量生产中箱体的传统加工工艺过程表6-4为图6-18所示某车床主轴箱中、小批生产时的加工工艺过程。

表6-4某主轴箱加工工艺过程

中、小批量箱体加工,大多采用通用设备、专用夹具组织生产,必要时增添一点专用设备,其工艺过程特点如下:

(1)粗精分开。粗精分开,先粗后精这条原则对所有情况都是适用的。但中、小批量箱体零件加工如果从工序上全部安排粗、精分开,则机床、夹具数量要增加,工件转运也费时费力,所以实际生产中并不都这样做。不少情况下是将粗、精加工放在一道工序内完成。但是从工步上讲,粗、精加工还是分开的,如粗加工后将工件松开一点,然后再用较小的夹紧力夹紧工件,使工件因夹紧力而产生的弹性变形在精加工时得以消除。龙门刨床刨削主轴箱基准面时,粗刨后将工件放松一点,然后再精刨基准面就是这个道理。又如导轨磨床磨主轴箱基准面时,粗磨后进行充分冷却,然后再进行精磨。

(2)粗基准的选择。一般来说,中、小批生产箱体类零件仍然选择重要孔(如主轴孔)为粗基准,但实现以主轴孔为粗基准时大多采用划线装夹的方式。划线过程大体上是:先划出主轴孔,其次划出距主轴孔较远的另一孔位置,然后划出其它各孔、各平面。加工箱体平面时,按线找正并装夹工件,就是以主轴孔为粗基准。

(3)精基准的选择。中、小批生产时,箱体零件多用装配基准作精基准来加工孔系。加工图6-18所示主轴箱孔系时,选择箱体底面B、C作为定位基准,面B、C既是主轴箱的装配基准,又是主轴孔的设计基准,并与箱体的端面、侧面以及各主要纵向孔在相互位置上有着直接的关系,故选择面B、C做定位基准。这样，不仅消除了主轴孔加工时的基准不重合误差,而且,用面B、C定位稳定可靠,装夹误差小。加工各孔时,由于箱口朝上,所以更换导向套、安装调整刀具、测量孔径尺寸、观察加工情况等都很方便。

采用上述的B、C面做定位基准的方式也有它的不足之处。加工箱体中间壁上的孔时,为了提高刀具系统的刚度,应当在箱体内部相应的部位设置刀杆的支承。由于箱体底部是封闭的,中间支承只能用如图6-26所示的吊架从箱体顶面的开口处伸入箱体内,每加工一件需装卸一次,吊架与镗模之间虽有定位销定位,但吊架刚性差,制造安装精度较低,经常装卸也容易产生误差,且使加工的辅助时间增加,因此这种定位方式只适用于中小批生产的箱体零件加工。批量大时常采用顶面及两个销孔作定位基准,如图6-27所示。这种定位方式,中间导向支架可以紧固在夹具体上,提高了夹具刚度,工件装卸方便;但这种夹具不易观察各加工表面的情况且会出现基准不重合误差,同时增加了两个定位销孔的加工工序。

图6-26吊架式镗模夹具

图6-27用箱体顶面及两个销孔定位的镗模

2.中、小批量箱体生产中的高效自动化加工工艺数控加工中心机床(简称加工中心)是一种具有自动换刀装置的复合型数控机床。由于有了自动换刀装置,它能将铣、镗、钻等多种加工功能有效地转换,从而可以集中许多工序对工件进行连续加工,这样可以大量节省装夹工件的时间和大大提高加工精度,因而特别适合于中、小批量箱体零件的加工。图6-28是卧式加工中心结构示意图。

图6-28卧式加工中心结构示意图

用加工中心加工箱体时,在加工前按照工件图样和工艺要求把加工的所有信息,如工件和刀具间的相对运动轨迹、加工顺序、切削用量以及为了实现加工所必须的其它辅助动作等用代码编制出程序,制成穿孔带,然后输入到数控系统中去,加工中心即按照穿孔带上的指令自动地进行加工。加工中心具有较高的坐标位移精度和工作台的回转精度。如我国生产的JCS-013型加工中心的工作台定位精度可达±0.01mm,回转精度可达±5″～±10″,完全可以直接由机床保证箱体孔系及端面的加工精度要求。

3.箱体零件加工自动线大量生产中,广泛采用组合机床与输送装置组成的自动线进行箱体零件加工。所有的加工和工件的输送等辅助动作,都无需工人直接操作,整个过程按照一定的生产节拍自动地、顺序地进行,如图6-29所示。它不仅大大提高了劳动生产率,降低了成本和减轻了工人的劳动强度,而且能稳定地保证工件的加工质量,对操作工人的技术水平要求也较低。我国目前在汽车、柴油机、拖拉机等行业中,都广泛地采用自动线来加工箱体。

图6-29组合机床自动线加工箱体示意图

6.4圆柱齿轮加工

6.4.1概述

1.圆柱齿轮的结构特点齿轮尽管由于它们在机器中的功用不同而设计成不同的形状和尺寸,但总是可以把它们划分为齿圈和轮体两个部分。常见的圆柱齿轮有以下几类(如图6-30所示):盘类齿轮、套类齿轮、内齿轮、轴类齿轮、扇形齿轮、齿条(即齿圈半径无限大的圆拄齿轮)等。其中盘类齿轮应用最广。

图6-30圆柱齿轮的结构形式

2.圆柱齿轮的精度要求齿轮本身的制造精度,对整个机器的工作性能、承载能力及使用寿命都有很大影响。根据齿轮的使用条件,对齿轮传动提出以下几方面的要求:

(1)运动精度。要求齿轮能准确地传递运动,传动比恒定,即要求齿轮在一转中,转角误差不超过一定范围。

(2)工作平稳性。要求齿轮传递运动平稳,冲击、振动和噪声要小。这就要求限制齿轮转动时瞬时速比的变化要小,也就是要限制短周期内的转角误差。

(3)接触精度。

(4)齿侧间隙。要求齿轮传动时,非工作齿面间留有一定间隙,以储存润滑油,补偿因温度、弹性变形所引起的尺寸变化和加工、装配时的一些误差。齿轮的制造精度和齿侧间隙主要根据齿轮的用途和工作条件加以规定。对于分度传动用齿轮,主要的要求是齿轮运动精度,使得传递的运动准确可靠;对于高速动力传动用的齿轮,必须要求工作平稳,没有冲击和噪声;对于重载低速传动用的齿轮,则要求齿的接触精度要好,使啮合齿的接触面积大,不致引起齿面过早的磨损;对于换向传动和读数机构,齿侧间隙应严格控制,必要时还须消除间隙。

3.齿轮的材料与热处理

1)材料的选择齿轮应按照使用的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的选择对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。一般齿轮选用中碳钢(如45钢)和低、中碳合金钢,如20Cr、40Cr、20CrMnTi等。要求较高的重要齿轮可选用38CrMoAlA氮化钢,非传力齿轮也可以用铸铁、夹布胶木或尼龙等材料。

2)齿轮的热处理齿轮加工中根据不同的目的,安排两种热处理工序:

(1)毛坯热处理。在齿坯加工前后安排预先热处理(正火或调质),其主要目的是消除锻造及粗加工引起的残余应力、改善材料的可切削性和提高综合力学性能。

(2)齿面热处理。齿形加工后,为提高齿面的硬度和耐磨性,常进行渗碳淬火、高频感应加热淬火、碳氮共渗和渗氮等热处理工序。

4.齿轮毛坯齿轮的毛坯形式主要有棒料、锻件和铸件。棒料用于小尺寸、结构简单且对强度要求低的齿轮。当齿轮要求强度高、耐磨和耐冲击时,多用锻件,直径大于400～600mm的齿轮,常用铸造毛坯。为了减少机械加工量,对大尺寸、低精度齿轮,可以直接铸出轮齿;对于小尺寸、形状复杂的齿轮,可用精密铸造、压力铸造、精密锻造、粉末冶金、热轧和冷挤等新工艺制造出具有轮齿的齿坯,以提高劳动生产率、节约原材料。

6.4.2圆柱齿轮齿坯的加工方法

1.齿坯精度齿坯的外圆、端面及孔经常作为齿形加工、测量和装配的基准,所以齿坯的精度对于整个齿轮的精度有着重要的影响。齿坯精度中主要是对齿轮孔的尺寸精度和形状精度、孔和端面的位置精度有较高的要求;对齿坯外圆也有一定的要求。具体要求见表6-5和表6-6。

表6-5齿坯尺寸和形状公差

表6-6齿坯基准面径向和端面跳动公差(μm)

2.齿坯加工方案的选择

1)大批大量生产的齿坯加工

大批大量加工中等尺寸齿坯时,多采用“钻-拉-多刀车”的工艺方案:

(1)以毛坯外圆及端面定位进行钻孔或扩孔;

(2)拉孔;

(3)以孔定位在多刀半自动车床上粗精车外圆、端面、切槽及倒角等。这种工艺方案由于采用高效机床可以组成流水线或自动线,所以生产效率高。

2)成批生产的齿坯加工成批生产齿坯时,常采用“车-拉-车”的工艺方案:

(1)以齿坯外圆或轮毂定位,精车外圆、端面和内孔;

(2)以端面支承拉孔(或花键孔);

(3)以孔定位精车外圆及端面等。这种方案可由卧式车床或转塔车床及拉床实现。它的特点是加工质量稳定,生产效率较高。当齿坯孔有台阶或端面有槽时,可以充分利用转塔车床上的多刀来进行多工位加工,在转塔车床上一次完成齿坯的加工。

6.4.3圆柱齿轮齿形加工方法

1.滚齿及其质量分析

1)滚齿特点滚齿是齿形加工中生产率较高,应用最广的一种加工方法。而且滚齿加工通用性好,可加工圆柱齿轮、蜗轮等,亦可加工渐开线齿形、圆弧齿形、摆线齿形等。滚齿既可加工小模数、小直径齿轮,又可加工大模数、大直径齿轮,加工斜齿也很方便。滚齿可直接加工9～8级精度齿轮,也可作为7级精度以上齿轮的粗加工和半精加工。滚齿可以获得较高的运动精度。因滚齿时齿面是由滚刀的刀齿包络而成,参加切削的刀齿数有限,

故齿面的表面粗糙度值较大。为提高加工精度和齿面质量,宜将粗、精滚齿分开。

2)滚齿加工质量分析

(1)影响传动准确性的加工误差分析。影响传动准确性的主要原因是,在加工中滚刀和被加工齿轮的相对位置和相对运动发生了变化。相对位置的变化(几何偏心)产生齿轮径向误差,它以齿圈径向跳动ΔFr来评定;相对运动的变化(运动偏心)产生齿轮切向误差,它以公法线长度变动ΔFW来评定。现分别加以讨论:图6-31几何偏心引起的径向误差

①齿轮的径向误差。齿轮的径向误差是指滚齿时,由于齿坯的回转轴线与齿轮工作时的回转轴线不重合(出现几何偏心),使所切齿轮的轮齿发生径向位移而引起的齿距累积误差(如图6-31所示)。图6-31中,O为切齿时的齿坯回转中心,O′为齿坯基准孔的几何中心(即齿轮工作时的回转中心),r为滚齿时的分度圆半径，r′为以孔轴心O′为旋转中心时齿圆的分度圆半径。滚齿时,齿轮的基圆中心与工作台的回转中心重合于O,这样切出的各齿形相对基圆中心O分布是均匀的(如图中实线圆上的P1＝P2),但齿轮工作时是绕基准孔中心O′转动的(假定安装时无偏心),这时各齿形相对分度圆心O′分布不均匀了(如图中双点划线圆上的P1′≠P2′)。显然这种齿距的变化是由于几何偏心使齿廓径向位移引起的,故又称为齿轮的径向误差。

切齿时产生齿轮径向误差的主要原因是工件出现几何偏心。切齿时,工件有两种装夹方式:外圆定心端面支承和孔定心端面支承。前一种方式按外圆找正不需专用心轴,但要求齿坯外圆的径向圆跳动要小,适用于单件小批生产;后一种方式工件装夹方便,适用于成批以上生产。下面以孔定心端面支承为例(如图6-32所示)来分析出现几何偏心引起径向误差的因素:第一,夹具心轴轴线与工作台回转轴线不重合;第二,工件孔与心轴之间的配合间隙大,装夹时偏向了一边;第三,机床工作台面与工作台回转轴线不垂直,使夹紧后工件孔相对于工作台回转中心产生偏斜(如图6-33所示);第四,工件基准孔与端面不垂直;第五,夹具上、下平面不平行或各定位面未擦干净。

图6-32滚齿夹具

图6-33端面定位不好引起几何偏心

减小几何偏心的办法:第一,保证齿坯的加工质量,特别注意孔径尺寸精度和基准端面的跳动;第二,保证夹具的制造精度和安装精度。夹具制造时,要注意限位基准对底面的平行度和定心轴颈轴线对底面的垂直度要求。在保证装卸方便的前提下,定心轴颈处定位间隙要尽量小。夹具安装时应尽量使定心轴颈轴线与机床回转中心相重合,夹具安装后应检查图6-34所示的A、B、C、D四处的跳动量,其数值可参考表6-7;第三,改进夹具结构。如设计定位与夹紧分开的夹具。这种结构夹紧时,螺栓的弯曲不会影响齿坯的定位精度(如图6-35所示)。

图6-34夹具安装精度的检查

图6-35定位与夹紧分开的夹具

表6-7夹具的安装精度

②齿轮的切向误差。齿轮的切向误差是指滚齿时因滚齿机分齿传动链误差,引起瞬时传动比产生不稳定,使机床工作台不等速旋转,工件回转时快时慢,所切齿轮的轮齿沿切向发生位移所引起的齿距累积误差,如图6-36所示。为清楚起见,图中只画出了8个轮齿。设滚切齿1时齿坯的转角误差为0°,当滚切齿2时,理论上齿坯应转过AOB角(即360°／8),实际上由于存在转角误差,齿坯多转了个Δ角,转过AOC角,即轮齿由双点划线所示位置转到实线所示位置,结果轮齿沿切向发生了位移。同时,其它各齿也会发生类似的切向位移。由于机床工作台的转角误差在一周内是变化的,因而各轮齿的切向位移也就不相等,必然引起齿距累积误差。在齿轮传动时,就会影响传递运动的准确性。

图6-36齿轮的切向误差

(2)影响齿轮工作平稳性的加工误差分折。影响齿轮工作平稳性的主要误差是齿形误差、基节偏差等,现分别予以讨论。①齿形误差。滚齿后常见的齿形误差,如图6-37所示。其中齿面出棱、齿形不对称和根切可直接看出来;而齿形角误差和周期误差需要通过仪器才能测出。应该指出,图6-37所示的误差是齿形误差的几种单独表现形式,实际齿形误差常是上述几种形式的叠加。

图6-37常见的齿形误差

·齿面出棱的主要原因。滚齿时齿面有时出棱,其主要原因是:滚刀刀齿沿圆周等分性不好和滚刀安装后存在较大的径向圆跳动及轴向窜动等。由图6-38看出,刀齿存在不等分误差时,各排刀齿相对准确位置有的超前有的滞后,这种超前与滞后使刀齿上的切削刃偏离滚刀基本蜗杆的螺纹表面。因而,在滚切齿轮的过程中,就会出现“过切”和“空切”而产生齿形误差。图6-38(c)是从图6-38(b)中取出三个刀齿位置加以放大的示意图。图中双点划线表示无等分误差时刀齿的位置(和渐开线齿面相切);实线表示有等分误差时,刀齿2因滞后而引起刃口“空切”和刀齿3因超前而引起刃口“过切”的情况。刀齿等分性误差愈大,这种“空切”和“过切”愈严重,齿面出棱愈明显。刀齿等分性误差对不同曲率的渐开线齿形的影响是不同的,齿形曲率愈大(即齿轮基圆愈小)影响愈大,这也就是齿数少的小齿轮为何齿面易出棱的缘故。

图6-38刀齿不等分引起的齿形误差

·产生齿形角误差的主要原因。齿轮的齿形角误差主要决定于滚刀刀齿的齿形角误差。滚刀刀齿的齿形角误差,由滚刀制造时铲磨刀齿产生的齿形角误差和刃磨刀齿前刀面所产生的非径向性误差及非轴向性误差而引起。刀齿前刀面非径向性误差对齿形误差的影响,如图6-39所示。

图6-39刀齿前刀面非径向性误差对齿形误差的影响

精加工所用滚刀的前角通常为0°(即刀齿前刀面在径向平面内),刃磨不好时会出现前角(正或负)。由于刀齿侧后面经铲磨后具有侧后角,因此刀齿前角误差必然引起齿形角变化。前角为正时,齿形角变小,切出的齿形齿顶变肥(如图6-39(a)所示);前角为负时,齿形角变大,切出的齿形齿顶变瘦(如图6-39(b)所示)。刀齿前刀面的非轴向性误差,是指直槽滚刀前刀面沿轴向对于孔轴线的平行度误差(如图6－40所示)。这种误差使各刀齿偏离了正确的齿形位置,而且刀齿左右两侧刃偏离值不等,这样既产生轴向齿距偏差,又引起齿形歪斜。

图6-40刀齿前刀面非轴向性误差对齿形误差的影响

·产生齿形不对称的主要原因。滚齿时,有时出现齿形不对称误差,除了刀齿前刀面非轴向性误差的影响外,主要是滚齿时滚刀对中不好。滚刀对中是指滚齿时滚刀所处的轴向位置应使其一个刀齿(或齿槽)的对称线通过齿坯中心(如图6-41(a)所示)。滚刀对中了,切出的齿形就对称;反之则引起齿形不对称。滚刀包络齿面的刀齿数愈少,工件齿形愈大且齿面曲率愈大时,齿形不对称愈严重。故对于模数较大且齿数较少的齿轮,滚齿前应认真使滚刀对中。

图6-41滚刀对中对齿形的影响

·产生齿形周期误差的主要原因。滚刀安装后的径向圆跳动和轴向窜动、机床分度蜗轮副中分度蜗杆的径向圆跳动和轴向窜动都是周期性的误差,这些都会使得滚齿时出现齿面凸凹不平的周期误差。

减少齿形误差的措施:从以上分析可知,影响齿形误差的主要因素是滚刀的制造误差、安装误差和机床分齿传动链中蜗杆的误差。为了保证齿形精度,除了根据齿轮的精度等级正确地选择滚刀和机床外,还要特别注意滚刀的重磨精度和安装精度。

②基节偏差。在滚齿加工时,齿轮的基节应等于滚刀的基节。滚刀的基节:pb0=pn0cosα0=pt0cosλ0cosα0≈pt0cosα0

式中pb0—滚刀的基节；pn0一滚刀的法向齿距；pt0—滚刀的轴向齿距；α0—滚刀的法向齿形角；λ0—滚刀的分度圆螺旋升角，一般很小，故cosλ0≈1。

3）影响齿轮接触精