轴类零件的加工方法的分析介绍

轴类零件和盘类、套类零件一样，具有外圆柱表面，采用车削加工方法形成，采用磨削加工作为精加工，采用研磨等作为精密加工。轴类零件上的键槽以及轴的端面可采用铣削加工的方法，花键轴可采用拉削的方法成形。外圆柱表面加工方案见表6-1。

1.定位与装夹

轴类零件加工时，常以两端中心孔或外圆面定位，以顶尖或卡盘装夹。普通车床上常用顶尖、拨盘、三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、中心架、跟刀架和心轴等，以适应装夹各种工件的需要。

外圆车削加工时，最常见的工件装夹方法见表6-2。

表6-1　外圆柱表面加工方案

表6-2　外圆车削加工时常用的工件装夹方法

续表

2.外圆表面加工

（1）车削外圆柱面

根据加工要求和切除余量的多少不同，可分粗车、半精车、精车、精细车。

①粗车外圆。粗车的目的是切去毛坯的硬皮，切除大部分加工余量，改变不规则的毛坯形状，为进一步精加工做好准备。粗车外圆时常用75°或90°车刀，如图6-2所示。粗车时的切削用量，应尽量选取较大的背吃刀量，一般的粗加工余量可在一次走刀中切除，一般中碳钢的背吃刀量为2～4 mm，进给量ƒ为0.2～0.4 mm/r，切削速度为50～70 m/min。粗车的经济精度为IT11～IT13，表面粗糙度为Ra12.5～50 µm。

图6-2　车削外圆

②半精车。半精车可作为中等精度外圆表面的最终加工，也可以作为磨削和其他精加工工序前的预加工，加工的经济精度为IT8～IT10，表面粗糙度为Ra3.2～6.3 µm。

③精车。精车的主要任务是保证加工零件尺寸、形状及相互位置的精度、表面粗糙度等符合图样要求。精车时一般取大的切削速度和较小的进给量、背吃刀量。精车的加工精度可达IT6～IT7，表面粗糙度为Ra0.8～1.6 µm。

④精细车。精细车是用经过仔细刃磨的人造金刚石或细颗粒度硬质合金车刀，精度较高的车床，在高的切削速度、小的进给量及背吃刀量的条件下进行车削。精细车的加工精度为IT5～IT6，表面粗糙度为Ra0.2～0.8 µm，特别适合于有色金属的精密加工。

（2）车端面和台阶

车端面常用的刀具有偏刀和弯头车刀两种。

①用右偏刀车端面如图6-3（a）所示，用右偏刀车端面时，如果是由外向里进刀，则是利用副刀刃在进行切削的，故切削不顺利，表面也车不细，车刀嵌在中间，使切削力向里，因此车刀容易扎入工件而形成凹面；用左偏刀由外向中心车端面，如图6-3（b）所示，主切削刃切削，切削条件有所改善；用右偏刀由中心向外车削端面时，如图6-3（c）所示，由于是利用主切削刃在进行切削，所以切削顺利，也不易产生凹面。

②用弯头刀车端面如图6-3（d）所示，以主切削刃进行切削则很顺利，如果再提高转速也可车出表面质量较好的表面。弯头车刀的刀尖角等于90°，刀尖强度要比偏刀大，不仅用于车端面，还可车外圆和倒角等工件。

图6-3　车削端面

轴类零件的台阶车削如图6-4所示。台阶较高时，可分层车削，最后按车端面的方法平整台阶端面。

图6-4　高台阶车削方法

（3）切槽和切断

切槽和切断如图6-5所示。回转零件内、外表面上的沟槽一般由相应的成形车刀，通过横向进给实现。

切槽的极限深度是切断。切断时，切断刀伸入工件内部，散热条件差、排屑困难。另外，切断刀的强度和刚度也差，容易引起振动，使刀具折断。因此，切断刀应安装正确，切断时的切削速度和进给量要降低。

图6-5　切槽和切断

（4）圆锥面的车削

①转动小滑板车削圆锥面，如图6-6所示，先把小滑板转过一个圆锥斜角α/2，然后手动进给完成圆锥面车削。此法操作简单、调整方便、应用广泛，适于加工长度短而锥度大的内、外圆锥面。缺点是不能自动进给，加工锥面长度受小刀架行程的限制，不能太长。

图6-6　转动小滑板车圆锥

②偏移尾座法，如图6-7所示，将尾座横向移动一个距离S，使工件的回转轴线与车床主轴线的夹角等于圆锥斜角α/2，这样就可以纵向自动进给车削圆锥面。用这种方法可以加工较长的外锥面，并能自动进给。但是尾座的偏移量不能太大，否则由于顶尖和中心孔接触不良，磨损不均匀，会引起振动和加工误差。所以这种方法不能加工锥度太大的工件（α＜8°）和内锥面。

图6-7　偏移尾座车锥面

1—床身；2—底座；3—调节螺钉；4—尾座体；5—固定螺钉；6—调节螺钉；7—压板

③用靠模法车锥面，如图6-8所示，锥度靠模装在床身上，可以方便地调整圆锥斜角α/2。加工时卸下中滑板的丝杠和螺母，使中滑板能横向自由滑动，中滑板的接长杠用滑块铰链与锥度靠模连接。当床鞍纵向进给的同时，中滑板带动刀架一面纵向移动，一面又做横向移动，从而使车刀运动的方向平行于锥度靠模，加工成所要求的锥面。靠模法车锥面生产效率高，车出工件精度高，表面质量好，适用于成批生产，加工锥度小、锥体长的工件，但不能加工锥度较大的圆锥面。

图6-8　靠模法车锥面

1—锥度靠模；2—接杆；3—滑块

（5）车成形表面

有些零件的轴向剖面呈曲线形，如单球手柄、三球手柄、橄榄手柄等，如图6-9所示，具有这些特征的表面称为成形面。

常用的成形刀具按形状可分为以下几类，如图6-10所示。

①普通成形刀与普通车刀相似，可用手磨，精度低。

图6-9　具有成形面的零件

（a）单球手柄；（b）三球手柄；（c）橄榄手柄

图6-10　常用成形刀

（a）普通成形刀；（b）棱形成形刀；（c）圆形成形刀

②棱形成形刀由刀头和刀杆组成，精度高。

③圆形成形刀圆轮形开一缺口。(www.xing528.com)

在车床上加工成形面时，应根据工件的表面特征、精度要求和生产批量大小，采用不同的加工方法。常用的加工方法有双手控制法、成形法（即样板刀车削法）、仿形法（靠模仿形）和专用工具法等。双手控制法车成形面是成形面车削的基本方法。

3.轴类零件的磨削加工

轴类零件的轴颈、轴肩等安装滚动轴承的结合面，要求较高的尺寸精度、形位精度和较小的表面粗糙度，常在半精车后通过磨削加工来达到要求。磨削加工是应用砂轮作为切削工具，多应用在淬硬外圆表面的加工，一般半精加工之后进行，也可在毛坯外圆表面直接进行磨削加工，因此，磨削加工既是精加工手段，又是高效率机械加工手段之一。磨削加工的精度可达IT5～IT8，表面粗糙度为Ra0.1～0.16 µm。

磨削加工时的切削工具为砂轮，砂轮是由磨料、结合剂组成的，由于磨料及结合剂的制造工艺不同，砂轮的特性也不同。砂轮的特性包括磨料、硬度、粒度、组织、结合剂、形状、尺寸及线速度。砂轮的特性已经标准化，可按砂轮上的标志查有关资料。

外圆表面的磨削在外圆磨床上进行时称为中心磨削，在无心磨床上磨削称为无心磨削。

（1）在外圆磨床磨削外圆

一般使用普通外圆磨床，外圆磨床的砂轮架可以在水平面内分别转动一定的角度，并带有内圆磨头等附件，所以不仅可以磨削外圆及外圆锥面，而且能磨削内圆柱面、内圆锥面和圆盘平面。

在外圆磨床上磨削外圆时，工件安装在前后顶尖上，用拨盘和鸡心夹头来传递动力和运动。常见的磨削方法有纵磨法、横磨法、综合磨法，如图6-11所示。

图6-11　在外圆磨床上磨削外圆

（a）纵磨法；（b）横磨法；（c）综合磨法

①纵磨法。纵磨法如图6-11（a）所示，机床的运动有：砂轮旋转为主运动，工件旋转和往复运动实现圆周进给和轴向进给运动，砂轮架水平进给实现径向进给运动，工件往复一次，外圆表面轴向切去一层金属，直到加工到工件要求尺寸。加工精度高，适用于细长轴类零件的外圆表面，但是生产率较低，多用于单件、小批量生产及精磨工序中。

②横磨法。横磨法如图6-11（b）所示，磨削时没有工件往复运动，砂轮连续的横向进给直到磨削至工件尺寸。横磨时，砂轮与工件接触面积大，散热条件差，工件易烧伤和变形，且工件表面加工后的几何精度受砂轮形状影响，加工精度没有纵磨法高，但生产效率高，适用于批量生产时磨削工件刚度较好、长度较短的外圆表面及有台阶的轴颈。

③综合磨法。综合磨法如图6-11（c）所示，是横磨法和纵磨法的综合应用，即先用横磨法将工件分段进行粗磨，工件上留有0.01～0.05 mm的精度余量，最后用纵磨法进行精磨，完成全部加工，适用于磨削余量较大、长度较短而刚度较好的工件。

（2）在无心磨床上磨削外圆表面

无心磨削时，工件的中心必须高于导轮和砂轮的中心连线，使工件与砂轮、导轮间的接触点不在工件的同一直径上，从而使工件上某些凸起表面在多次转动中能逐次磨圆，避免磨出棱圆形工件，如图6-12所示。实践证明：工件中心越高，越易获得较高的圆度，磨圆过程也越快。但工件中心高出的距离也不能太大，否则导轮对工件的向上垂直分力有可能引起工件跳动，从而影响加工表面的质量。一般取h=（0.15～0.25）d，d为工件直径。

图6-12　无心外圆磨削加工原理图

无心外圆磨床有纵磨法和横磨法两种，如图6-13所示。纵磨法适用于磨削不带凸台的圆柱形工件，磨削表面长度可大于或小于砂轮宽度，磨削加工时，一件接一件地连续对工件进行磨削，生产率高。横磨法适用于磨削有阶梯的工件或成形回转体表面，但磨削表面长度不能大于砂轮宽度。

图6-13　无心磨削

1—磨削砂轮；2—导轮；3—托板；4—前导板；5—后导板；6—挡块；7—工件
（a）纵磨法；（b）横磨法

在无心外圆磨床上磨削外圆表面时，工件不需钻中心孔，装夹工件省时省力，可连续磨削；由于有导轮和托板沿全长支承工件，因而刚度差的工件也可用较大的切削用量进行磨削。所以无心外圆磨削生产率较高。

4.轴类零件的精密加工

轴类零件的尺寸精度在IT6以上，工件表面粗糙度在0.4 µm以下，就要采用精密加工的方法，如研磨、抛光、超精加工、滚压加工等。

（1）研磨

研磨是指用研具和研磨剂从工件表面研去极薄一层金属的加工方法，研磨过程实际上是用研磨剂对工件表面进行刮划、滚擦以及微量切削的综合作用过程。研磨法分手工和机械两种。

手工研磨适用于单件小批量的生产。研磨外圆时，工件夹持在车床卡盘上或用顶尖支承，做低速回转，研具套在工件上，在研具和工件之间加入研磨剂，然后用手推动研具做往返运动。外圆研具如图6-14所示。如图6-14（a）所示，粗研具套孔内有油槽，可储存研磨剂；如图6-14（b）所示，精研具套孔内无油槽。研具往复运动速度常选20～70 m/min。

图6-14　外圆研具

（a）粗研具；（b）精研具

机械研磨适用于成批量生产，生产效率较高，研磨质量较稳定。图6-15所示为一种行星传动式的双面研磨机。通过研磨加工，工件可获得IT3～IT6的精度等级，表面粗糙度为Ra0.01～0.012 µm，但研磨一般不能纠正表面之间的位置精度，研磨余量一般为0.005～0.02 µm。

图6-15　行星齿轮研磨

图6-16　超级光磨外圆

（2）超精加工

超精加工的原理如图6-16所示。此图为超级光磨外圆，加工时使用油石，以较小的压力（150 kPa）压向工件，加工中有三种运动：工件低速转动、磨头轴向进给运动及磨头的高速往复振动。这样，使工件表面形成不重复的磨削轨迹。加工中一般使用煤油做冷却液。超精加工可获得表面粗糙度为Ra0.08～0.1 µm的表面。但超精加工不能纠正上道工序留下的几何形状及位置误差。

（3）抛光

抛光工作是在高速旋转的抛光轮上进行的，只能减小表面粗糙度，不能提高尺寸和形位精度，也不能保持抛光前的加工精度。抛光的主要作用有消除表面的加工痕迹，提高零件的疲劳强度；作为表面装饰加工；需要电镀的零件，为了保证质量，镀前抛光等。其目的都不是提高加工精度。

抛光轮一般是用毛毡、橡胶、皮革、布等材料制成的，具有弹性，能对各种形面进行抛光。抛光液（磨膏）是用氧化铝、氧化铁等加入磨料和油酸、软脂等配制而成的，抛光时涂于抛光轮上。将工件手持压于轮上，在磨膏的作用下，工件表层金属因化学作用形成一层极薄软膜，可被软于工件材料的磨料切除而不留痕迹。此外，由于抛光速度很高，摩擦使工件表面温度很高，致使工件表层出现塑性流动，填补表面凹坑之处，从而使表面粗糙度变小。

（4）滚压加工

滚压加工是用滚压工具对金属材质的工件施加压力，使其产生塑性变形，从而降低工件表面粗糙度，强化表面性能的加工方法。它是一种无切屑加工。图6-17所示为滚压加工示意图。

图6-17　滚压加工示意图

（a）滚轮滚压；（b）滚珠滚压

5.其他表面的加工方法

（1）花键的加工

花键按截面形状不同可分为矩形、渐开线形、梯形和三角形四种，其中矩形花键盘应用最广。定心方式常见的是以小径定心和大径定心，轴类零件的花键加工常用铣削、滚削和磨削三种方法，如图6-18所示。

图6-18　花键的加工

（a）铣削；（b）滚削；（c）磨削

（2）螺纹的加工

螺纹是轴类零件的常见加工表面，其加工方法很多，常用的方法有车削、铣削、滚压和磨削，如图6-19所示。

图6-19　螺纹的加工

（a）车削；（b）铣削；（c）滚压；（d）磨削