机械制造技术基础 课件 3.7 典型零件的加工工艺设计

第3章机械加工工艺规程设计3.7典型零件的加工工艺设计机械制造技术基础一3.7.1基准的概念轴类零件的加工3.7.23.7.3箱体类零件的加工工艺套类零件的加工工艺典型零件的加工工艺设计研究内容

1.轴类零件的选材、毛坯选择、热处理等技术要求，轴类零件的装夹、工艺规程及检验方法；2.箱体类零件的选材、毛坯选择、热处理等技术要求，箱体类零件的装夹、工艺规程及检验方法；

3.套类零件的选材、毛坯选择、热处理等技术要求，套类零件的装夹、工艺规程及检验方法；学习的目的

1.掌握轴、套筒、箱体类零件典型零件的功用、分类和常用材料及热处理方法；

2.熟悉轴、套筒、箱体类零件主要技术要求制定和常用装夹方法；

3.掌握轴、套筒、箱体类零件典型零件的加工工艺方法和工艺分析方法。典型零件的加工工艺设计3.7.1轴类零件的功用与分类

1.轴类零件的功用

1）支撑传动零件；

2）承受载荷；

3）传递扭矩。

2.轴类零件的组成

是回转类零件，其长度大于直径，一般是由内、外圆柱面、圆锥面、螺纹、键槽、花键、径向孔、沟槽等各种要素组成，有单一回转轴线或多个回转轴线。典型零件的加工工艺设计3.轴类零件的分类

1）按使用功能分：心轴、转轴和传动轴；

2）按结构特点分：光轴、阶梯轴、空心轴、异形轴（偏心轴、凸轮轴、曲轴、十字轴等；

3）按长度和直径比分：刚性轴（L/d≤12）和挠性轴（L/d＞12）。典型零件的加工工艺设计4、轴类零件的主要技术要求1).尺寸精度

主要工作轴颈的尺寸精度。根据功用不同，轴颈有支承轴颈、工作轴颈（如机床主轴上安装刀具、卡盘的轴颈）和配合轴颈。轴颈尺寸精度范围为IT6~IT9，特殊使用场合，其精度会更高，如机床主轴的支承轴颈多为IT5，甚至更高。2).

几何形状精度

支承轴颈、外锥面、莫氏锥孔等圆度和圆柱度。无特殊要求，图纸上不予标注，其值要在尺寸公差范围内。有特殊要求，公差值可根据GB/T1184-2009中IT5~8级选取，标注在图纸上。典型零件的加工工艺设计3).相互位置精度

是由位置和功用决定的。是指支承轴颈间的同轴度，工作轴颈、配合轴颈对于支承轴颈的径向跳动，及轴向定位端面与支承轴颈的垂直度等普通精度的轴，其配合轴颈对支承轴颈的径向跳动一般为0.01~0.03mm，高精度的轴（如主轴）通常为0.001~0.005mm。轴的工作端面跳动为0.005~0.01mm。4).表面粗糙度

与传动件相配合的轴颈表面粗糙度Ra值为2.5~6.3μm，与轴承相配合的支承轴颈及端面的表面粗糙度Ra值为1.6~6.3μm。典型零件的加工工艺设计5).

热处理和表面处理

为获得一定强度、硬度和耐磨性及其他特殊要求，根据不同材料对工件进行热处理和表面处理。如:正火、调质、表面高频淬火等;为外表美观、防止氧化和腐蚀，对进行电镀、发蓝等表面处理。6).其他要求

高速转动轴，为消除因质量不均产生离心力引起的振动，提出平衡要求；

重要产品为防止超重，需对零件提出质量要求；为避免微小裂纹引起应力集中最终导致疲劳破坏，要求对零件进行荧光检查、磁粉探伤等。典型零件的加工工艺设计5、轴类零件的毛坯、材料及热处理

1).毛坯

根据使用要求、生产类型、设备条件及结构特征选用棒料、铸件或锻件等。对外圆直径相差不大及对使用性能要求不高的轴，一般以棒料为主（如热轧圆钢，冷拔棒料等）；对外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，节约材料，减少机械加工量，改善机械性能；对某些大型的、结构复杂的轴（如曲轴）采用铸件（如铸钢，球墨铸铁）。

锻坯，内部纤维组织分布均匀，抗拉、抗弯及扭转强度较高，大多选用这类毛坯。常用锻造方式有自由锻和模锻。单件及中小批多用自由锻造这自由锻造设备简单、易投产，锻毛坯精度较差，加工余量较大，不易锻造形状较复杂的毛坯。大批大量最宜采用模锻，模锻毛坯精度高，加工余量小，生产效率高，可锻造形状较复杂的毛坯，需要昂贵的设备和专用锻模。典型零件的加工工艺设计2）常用材料：(1)碳钢和合金钢。碳钢价格低廉，若能满足要求则应优先选用。

(2）45钢，调质(或正火)状态下，经过高频淬火满足零件局部高硬度（表面硬度可达45~50HRC）的要求。淬透性较差，淬火易变形，加工尺寸不太稳定，常用于一般精度机床主轴、标准减速箱中的轴、刮板运输机输出轴等。

(3）合金钢，具有良好的热处理和综合机械性能，用于强度、耐磨性要求较高的轴。40Cr等合金结构钢用于中等精度而转速较高的轴，经调质和表面淬火，具有较高的综合机械性能。

(4）轴承钢GCrl5和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火再回火，表面硬度可达50~58HRC，具有较高耐疲劳性能和较好耐磨性能，可制造较高精度的轴。

典型零件的加工工艺设计3).轴类零件的材料及热处理（1）常用材料：碳钢和合金钢。碳钢价格低廉，若能满足要求则应优先选用。（2）45钢，调质(或正火)状态下，经过高频淬火满足零件局部高硬度（表面硬度可达45~50HRC）的要求。淬透性较差，淬火易变形，加工尺寸不太稳定，常用于一般精度机床主轴、标准减速箱中的轴、刮板运输机输出轴等。

(3）合金钢，具有良好的热处理和综合机械性能，用于强度、耐磨性要求较高的轴。40Cr等合金结构钢用于中等精度而转速较高的轴，经调质和表面淬火，具有较高的综合机械性能。

(4）轴承钢GCrl5和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火再回火，表面硬度可达50~58HRC，具有较高耐疲劳性能和较好耐磨性能，可制造较高精度的轴。

典型零件的加工工艺设计

(5）20CrMnTi、18CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金钢含铬、锰、钛和硼等素，经正火和渗碳淬火可获得很高的表面硬度、较软的芯部，耐冲击韧性好，可用来制造高转速、重载荷等的轴类零件。缺点是热处理变形较大。

(

6）30CrMnSi、35CrMnTi、40CrMnTi等调质合金钢，淬透性好，经适当热处理，可获得良好的机械性能，常用于要求强度高尺寸较大的轴。如采煤机的滚筒轴、刨煤机的主轴等。

(

7）

38CrMoAlA是中碳合金氮化钢，氮化温度比一般淬火温度低，经调质和表面氮化，变形小，硬度高，具有良好的耐磨性和耐疲劳性能。可用于更高精度的机床主轴，如高精度半自动外圆磨床MBG1432的头架轴、发动机及泵的曲轴和砂轮轴等。典型零件的加工工艺设计6.轴类零件加工工艺特点1)工艺过程安排。

对于有一定精度要求的轴类零件，加工应遵循粗、精加工阶段分开，以主要加工表面加工为主线，次要表面加工穿插其中的原则进行。轴类零件加工一般可分为三个阶段：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工序为界。2)定位基准的选择。在中心通孔的直径较小时，可直接在孔口倒出宽度不大于2mm的60°锥面，用倒角锥面代替中心孔；(2)在不宜采用上述方法时，也可采用带有中心孔的锥堵（图3-38a、b）插入中心通孔或采用带锥堵的拉杆心轴（如图3-38c）来安装工件。图3-38锥堵与锥套心轴典型零件的加工工艺设计3)机床和加工方法。

轴类零件外圆表面、螺纹等表面的粗车、半精车都是在车床上进行，根据企业的实际条件和成本考虑，生产中使用普遍的是普通车床或数控车床，对于形状复杂的轴类零件，在转塔车床或数控车削中心上加工效果更好。

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。如果在精车前铣键槽，精车中会因断续切削产生振动影响加工质量；如在磨削后铣键槽，因表面淬硬通常铣削无法进行，或者既使表面没有淬硬，也会因加工键槽而破坏已经磨好的外圆表面。典型零件的加工工艺设计7.加工实例：支承轴机械加工工艺设计典型零件的加工工艺设计1)零件图样分析

典型零件的加工工艺设计2)工艺分析

典型零件的加工工艺设计3)机械加工工艺过程典型零件的加工工艺设计典型零件的加工工艺设计典型零件的加工工艺设计典型零件的加工工艺设计3.7.2箱体类零件的加工工艺1、箱体类零件的功用与分类

1）.箱体类零件的功用

将机器及部件中的轴、轴承、套和齿轮等零件按一定的相互位置关系装联一起，按规定的传动关系协调运动。

2）.箱体零件的结构特点

（1）有一对或数对要求严、加工难度大的轴承支承孔；（2）有一个或数个基准面及一组支承面；（3）结构比较复杂，壁薄且壁厚不均匀；（4）有多组精度要求不高的紧固用孔系。典型零件的加工工艺设计3).分类

(1）整体式：整体加工，加工较困难，安装、检修不方便，装配精度高。

(2）剖分式：安装检修方便，装配工作量大。

典型零件的加工工艺设计剖分式减速箱箱体典型零件的加工工艺设计剖分式减速器箱底座典型零件的加工工艺设计2、箱体类零件的主要技术要求

1）.支承孔的尺寸精度、几何形状精度及表面粗糙度

（1）尺寸精度：支承孔尺寸误差和几何形状误差会造成安装轴承或被包容件的配合不良。孔径过大，配合过松，运动件回转轴线不稳定，降低支承刚度，易产生振动和噪音；孔径过小，配合偏紧，运动副摩擦发热严重，润滑不良，烧死，不能正常运转，影响使用寿命，一般为IT6，其它各支承孔尺寸精度一般为IT6~IT7，表面粗糙度Ra值均为3.2

。（2）几何形状误差（圆度，圆柱度）：造成被包容件产生不均匀接触，引起运动件的径跳。圆度公差为0.006~0.008mm，表面粗糙度Ra为0.8~3.2。典型零件的加工工艺设计2）.孔与孔的位置精度（1）同轴孔：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时产生歪斜，造成运动件的径跳和轴向窜动，加剧轴承磨损，同轴孔同轴度误差约为最小孔尺寸公差的1/2

。（2）孔系之间的平行度：平行度误差影响齿轮啮合质量，一般中心距误差为±0.025mm~±0.060mm，平行度误差中心距误差1/3

。

3）.孔和平面的位置精度

孔对箱体安装基面平行度（或垂直度）决定运动件与基础件之间的相互位置关系。在总装时通过配刮或安装调整来达到。为减小配刮或调整量，一般规定在垂直和水平方向上，只允许传动件安装端面向上或向前偏移。典型零件的加工工艺设计4).主要平面的形状、位置精度及表面粗糙度

装配基面的平面度影响箱体与连接基础件接触刚度，加工过程中作为定位基准影响主要孔系的加工精度。必规定安装基面、对称剖分面和各端盖配合面应有一定的形状、位置精度，保证与箱体内部各件的密封，防止灰尘进入和润滑液外泄。定位基准面，平面度要求严格，一般为0.01~0.03mm，各主要加工安装面对基准安装面的位置精度不得大于0.1mm/300mm。剖分式箱体，对称剖分面应给出相互之间接触面积，表面粗糙度Ra为1.6~3.2

。典型零件的加工工艺设计3、箱体类零件的毛坯、材料及热处理

1).毛坯

（1）铸件：

①单件小批量生产，木模手工造型，毛坯精度低、余量大，其平面余量一般为5~12mm，孔的半径余量为5~14mm，对于大于Φ30mm的孔一般铸出预孔，减小加工余量。②大批大量生产，金属模机器造型，毛坯精度较高、加工余量小，平面余量为5~10mm、孔的半径余量为5~12mm。小于等于Φ30mm的孔，成批生产一般不在毛坯上铸出。

③大负荷箱体：用铸钢毛坯。④铝镁合金或铝合金箱体，减轻重量，，如航空发动机箱体等。

（2）焊接件：简易箱体和单件、小批量生产，为缩短毛坯制造周期，采用钢板焊接。

典型零件的加工工艺设计2).材料：常用灰铸铁（HT200、HT400

）、球墨铸铁（QT500-10）、结构钢（16Mn、Q235-A）等。3).热处理方法：人工时效和自然时效

。例：减速器箱体主要技术要求如下：

(1）轴承安装孔尺寸为φ130M6、φ150M6和φ200M6，尺寸精度为IT6，粗糙度Ra值为3.2；

(2）同轴孔2-φ130M6、2-φ150M6和2-φ200M6的形状误差分别小于0.008mm、0.008mm和0.01mm，同轴度均为不大于0.02mm；

(3）平行孔位置精度为平行度不大于φ0.04mm，尺寸精度略高于IT6；

(4）垂直孔系φ150M6的形状误差小于0.008mm，其位置精度要求为垂直度不大于φ0.025mm；

(5）安装剖分面与轴承安装孔之间的位置精度采用综合控制误差的跳动来控制，误差值应小于0.04mm，包括剖分面的形状误差，控制剖分面与安装轴承孔之间的位置关系。

(6）箱体选用QT450-10铸件，热处理为人工时效。典型零件的加工工艺设计4.箱体常用装夹方法

箱体主要加工内容大多在镗床上进行，如支承轴承孔系、端面等。为保证加工过程中基准统一，防止基准变更，均采用下箱体底面和其上距离较远的对角两螺栓孔精加工成工艺销孔进行装夹，采用方便可靠的一面两销定位方式安装。

典型零件的加工工艺设计5、箱体加工工艺过程分析

箱体加工主要是孔和面。通常平面加工精度较易保证，精度较高孔及孔、平面之间的相互位置精度较难保证，是生产关键。1).基准先行

箱体粗基准一般均选大而平稳、光整且与其它重要的面、孔有相对位置关系的平面。如剖分式箱体，剖分面为粗基准，对箱体划线和为过渡精基准的粗基准。精基准选择应采用基准统一原则，箱体安装基面为基准，首选“一面两孔”定位方式来设计和制造夹具，对箱体其他部位进行加工。它可避免基准转换造成的误差；也可大大简化夹具的设计，降低夹具制造成本和缩短生产准备周期。

典型零件的加工工艺设计(1）粗基准的选择

剖分式箱体最先加工的是箱盖和箱座的对合面。一般不能以轴承孔的毛坯面为粗基准，以凸缘不加工面为粗基准，箱盖的凸缘面、底座的凸缘面为粗基准，保证剖分面凸缘厚薄均匀，减少箱体合装时对合面的变形。(2）精基准的选择

剖分式箱体的剖分面与底面（装配基面）有尺寸和位置精度要求：轴承孔轴线与底面也有尺寸精度和位置精度要求。为保证上述要求，加工底座剖分面时，应以底面为精基准，使定位基准与设计基准重合；箱体合装后加工轴承孔时，仍以底面为定位基准，并与底面上的两定位孔组成“一面两孔”定位。符合“基准统一”和“基准重合”原则，有利于保证轴承孔轴线与对合面的重合度及与装配基面的尺寸精度和平行度。典型零件的加工工艺设计2).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，定位稳定可靠，支承孔多分布在箱体的外壁平面上，先加工外壁平面可去除铸件表面的凹凸不平及夹砂等缺陷，防止孔轴线偏斜、钻头引偏、打刀等。3).粗精分开，先粗后精箱体结构复杂，主要平面及孔系加工精度高（如尺寸精度高，形状和位置），应粗、精分开。先粗加工，后精加工，以利于有效利用和保护设备，释放加工应力，便于检查、热处理等辅助工序的插入。4).工序集中，先主后次箱体位置要求较高的孔系和平面，一般尽量集中同一工序加工，保证相互位置和减少装夹次数，紧固螺纹孔、油孔、换气孔等，安排在平面和支承孔等主要加工表面加工之后加工。典型零件的加工工艺设计6.

孔系加工方法箱体最大加工量主要是孔系加工。加工好坏，直接影响箱体的加工精度和使用。一般有平行孔系、同轴孔系和交叉孔系三类，具体加工方法如下：

1）平行孔系的加工

（1）找正法

①应用对象：单件小批生产，常用划线来找正，在通用机床上加工。②低精度粗加工：划线、找正误差都比较大，精度很低，中心距误差可达1mm以上，一般用于粗加工或无中心距要求的孔系加工。

③高精度精加工：

1°采用心轴、块规或定心套等工具找正。典型零件的加工工艺设计（2）坐标法①应用对象：应用广泛，单件、小批量生产。②操作方法：按孔系间相互位置的水平和垂直坐标尺寸的关系，在普通镗床、立式铣床、坐标镗床上，借助精密测量装置、调整主轴在水平和垂直方向的相对位置来保证中心距精度。注：（1）注意选择基准孔和镗孔顺序，否则坐标尺寸累计误差会影响中心距的加工精度。（2）基准孔应尽量选择本身尺寸精度高、表面粗糙度值低的孔（一般为安装第一基准孔）。便于校验坐标尺寸。中心距精度要求高的两孔应一起加工，应尽量使工作台沿同一方向移动，因工作台多次往返，间隙产生误差，影响坐标精度。典型零件的加工工艺设计（3）镗模法①应用对象：成批生产。

②操作方法：工件装夹在镗模上，镗杆利用镗模上的导套支承，镗孔的位置精度依赖于导套位置精度。被加工孔较深或同轴孔的距离较大，要采用多支承（两个或两个以上），以保证该组孔的同轴度。

镗杆与机床主轴采用浮动连接，避免机床精度对孔系加工精度的影响。可在较低精度的机床上加工出精度较高的孔系。孔系精度主要取决于镗模，一般可达±0.05mm，尺寸公差为IT7级，表面粗糙度Ra为1.25~3.2。采用一端加工，镗杆采用前后两支承，同轴度可达0.02~0.03mm。两端同时分别加工，镗杆前后单独支承，同轴度可达0.04~0.05mm。

典型零件的加工工艺设计2）同轴孔系的加工

箱体成批生产，几乎都采用镗模法。单件小批生产主要有下列方法：（1）利用已加工孔作导向支承箱体前壁已孔，在其内安装导向套支承和引导镗杆，对后壁孔加工，保证两孔同轴度。一般适应于被加工前后壁距较小且孔径较大的同轴孔的加工。典型零件的加工工艺设计（2）利用镗床后立柱上的导向套支承导向用镗床上自带后立柱，对镗杆两端支承，工作台进给对大型箱体上的同轴孔加工。镗杆刚性好，调整费事。

典型零件的加工工艺设计（3）调头镗削法箱体壁相距大，采用调头镗削法。一次装夹工件，镗好后再工作台回转180°，调整工作台位置，保证已加工孔与镗床主轴同轴，再加工另一端孔，在数控机床上应用较广，数控机床的重复定位精度高。典型零件的加工工艺设计3)交叉孔系的加工

对这类孔系，主要是控制有关孔轴线之间的垂直度。成批生产中可以采用镗模加工，交叉孔中心线的垂直度主要靠镗模来保证。单件小批生产中可以在普通镗床上用挡块式90°对准装置，但对准精度较低。数控机床或镗铣加工中心上可以利用工作台或数控回转台转位，这时，交叉孔的垂直度主要取决于回转工作台的回转定位精度。典型零件的加工工艺设计7.加工实例：例1.车床主轴箱机械加工工艺设计典型零件的加工工艺设计典型零件的加工工艺设计典型零件的加工工艺设计例2齿轮箱体机械加工工艺。典型零件的加工工艺设计典型零件的加工工艺设计典型零件的加工工艺设计3.7.3套类零件的加工工艺1、套筒类零件的功用与分类

1).套筒类零件的功用

(1）支撑其他运动零部件；

(2）导向承载

；

2).套筒零件的组成

是回转类零件，一般是由内、外圆柱面、圆锥面、螺纹、键槽、花键、径向孔、沟槽等各种要素组成。

典型零件的加工工艺设计3).套筒类零件的结构特点

(1）外圆直径D一般小于其长度L，通常L/D＜5；

(2）内孔与外圆直径差较小，壁薄易变形；

(3）内外圆回转面的同轴度要求较高；

(4）结构比较简单。典型零件的加工工艺设计2、套筒类零件的主要技术要求1).内孔与外圆的精度要求

1）外圆尺寸精度通常为IT5~IT7，表面粗糙度值为Ra一般为1.6~6.3，较高可达0.4；

2）内孔尺寸精度一般为IT6~IT7，为保证其耐磨性和功能要求，表面粗糙度值要求较高(Ra为0.8~3.2)。精密套筒及阀套内孔尺寸精度要求为IT4~IT5，套筒(如油缸、气缸缸套)

与其相配的活塞上有密封圈，尺寸精度要求较低，一般为IT8~IT9，对表面粗糙度要求较高，

Ra一般为0.8~1.6。

2).

几何形状精度要求

外圆与内孔的几何形状精度控制在直径公差以内，较精密的可控制为孔径公差的l/2~1/3，甚至更严。

较长套筒有圆度和圆柱度要求。典型零件的加工工艺设计3).位置（垂直度、同轴度）精度要求

1）内、外圆表面同轴度应根据加工与装配关系而定。内孔的最终加工安排在套筒零件装入机座（或箱体等）后，可降低对套筒内、外圆表面的同轴度要求；内孔的最终加工在装配之前，同轴度要求较高，通常为0.0l~0.06mm。

2）套筒端面（或凸缘端面）常作轴向定位或承受载荷，端面与外圆和内孔轴心线的垂直度要求较高，一般为0.02~0.05mm。典型零件的加工工艺设计3、套筒类零件的毛坯、材料及热处理

1).

毛坯

毛坯按结构尺寸与材料而定。孔径较大(如d＞20mm)，选用带孔的铸件、锻件或无缝钢管。孔径较小，选用棒料或实心铸件。

大批大量生产，为节省原材料、提高生产率，可用冷挤压、粉末冶金等工艺制造精度较高的毛坯。2).

常用材料

一般选用钢、铸铁、青铜或黄铜等。

1）滑动轴承宜选用铜合金，要求较高的滑动轴承，为节省贵重材料采用双金属结构，用离心铸造在钢或铸铁套筒的内壁上浇注一层巴氏合金等。

2）强度和硬度要求较高的(如伺服阀的阀套、镗床主轴套筒)选用优质合金钢〔如18CrNiWA、38CrMoA1A等〕。

典型零件的加工工艺设计3）.热处理依据工作状况不同，热处理方法不同。起承载和导向作用，热处理方法为调质和淬火。如轴用耐磨套等，调质硬度240~300HBS，淬火硬度45~55HRC，一般套采用调质处理，如轴承衬套等。例：转动套筒

1）外圆φ54、φ70均为IT8；内孔Φ42为IT7，Φ56为IT11。内孔、外圆及大端端面与台阶端面表面粗糙度Ra值为1.25；

2）外圆φ54、φ70及内孔φ42圆柱度误差不大于0.01mm。

3）内孔φ56、φ42对基准面φ70与φ54的同轴度误差不大于0.05mm。

4）为提高转动套筒表面硬度还要求进行渗碳淬火，材料为20CrMo，淬火后硬度达58~63HRC，渗碳深度为0.6~1mm。典型零件的加工工艺设计典型零件的加工工艺设计4、套筒类零件的常用装夹方法

套筒类多为回转零件，主要加工表面一般为内外圆和端面等。加工机床主要是车床和磨床。其装夹方法有：1)．短且壁厚的套筒类零件（1）结构特点：长径比为L/d＜5，壁较