任务一 车削外圆锥面
一、工作任务
车削如图6．1所示外圆锥轴零件。
二、相关知识
1．圆锥知识
1）圆锥各部分名称及尺寸计算
（1）圆锥表面和圆锥。
①圆锥表面：由与轴线成一定角度且一端相交于轴线的一条直线段（母线），绕该轴线旋转一周所形成的表面（见图6．2）。
②圆锥：由圆锥表面和一定的轴向、径向尺寸所限定的几何体。圆锥又可以分为外圆锥和内圆锥两种（见图6．3）。
（2）圆锥的基本参数（见图6．4）。
图6．1 外圆锥轴零件图
图6．2 圆锥表面
1—圆锥表面；2—轴线；3—圆锥素线（母线）
图6．3 圆锥
（a）外圆锥；（b）内圆锥
图6．4 圆锥的基本参数
①最大圆锥直径D：简称大端直径。
②最小圆锥直径d：简称小端直径。
③圆锥长度L：最大圆锥直径处与最小圆锥直径处的轴向距离。
④锥度C：圆锥大、小端直径之差与圆锥长度之比，即
C＝（D－d）／L
⑤圆锥半角α／2：圆锥角α是在通过圆锥轴线的截面内，两条圆锥素线之间的夹角，在切削时经常用到α的一半，即圆锥半角α／2。
可以看出，锥度确定后，圆锥半角可以由锥度直接计算出来。因此，圆锥半角与锥度为同一参数，不能同时标注。
（3）圆锥基本参数计算。
①圆锥半角α／2与其他3个参数的关系（见图6．4）如下：
tan（α／2）＝（D—d）／2L
应用此公式计算α／2时，必须利用三角函数表，不太方便。当圆锥半角α／2小于6°时，可用下列近似公式计算：
α／2≈28．7°×（D－d）／L≈28．7°×C
采用近似公式计算时，要注意：圆锥半角要小于6°，并且计算结果要换算为度、分、秒的形式。
②锥度C与其他3个参数的关系如下：
C＝（D－d）／L
③圆锥半角α／2与锥度C的关系如下：
tan（α／2）＝C／2
例1 一外圆锥，已知D＝26mm，d＝24mm，L＝30mm。分别用三角函数表和近似法计算α／2。
解 ①三角函数表法，得
tan（α／2）＝（D－d）／2L＝（26－24）／（2×30）≈0．033 33
查表得α／2＝1°54′。
②近似法，得
α／2≈28．7°×（D－d）／L＝28．7°×（26－24）／30＝1．90°＝1°54′
例2 图6．5所示为磨床主轴的圆锥部分，已知C＝1∶5，D＝45mm，L＝50mm。求d 和α／2。
图6．5 磨床主轴圆锥部分
解 d＝D－CL＝45－1／5×50＝35mm
tan（α／2）＝C／2＝（1／5）／2＝0．1
查表得α／2＝5°42′38″。
2）标准工具圆锥
为了制造和使用方便，降低生产成本，常用的工具、刀具上的圆锥都已标准化，都有统一的号码规定，使用时，只要号码相同，就能互换。常用标准工具的圆锥有下面两种。
（1）莫氏圆锥。莫氏圆锥是机器制造业中应用最为广泛的一种，如车床主轴锥孔、顶尖、钻头柄、铰刀柄等都是莫氏圆锥。莫氏圆锥分为0、1、2、3、4、5、6七种型号。莫氏圆锥号码不同，圆锥尺寸和半角都不同，0号最小，6号最大。莫氏圆锥的锥度见表6．1。
表6．1 莫氏圆锥
（2）米制圆锥。米制圆锥分4、6、80、100、120、140、160、200八种，其中140号较少采用。它们的号码表示的是大端直径，锥度固定不变，即C＝1∶20。如200号米制圆锥的大端直径为200mm，锥度C＝1∶20。米制圆锥的优点是锥度不变，记忆方便。
除常用标准的工具圆锥，还常遇到各种专用的标准圆锥，其大小及应用场合见表6．2。
表6．2 专用标准圆锥
2．车外圆锥方法与技能训练
圆锥既有尺寸精度，又有角度要求。因此，在车削中要同时保证尺寸精度和圆锥角度。车外圆锥面主要有4种方法，即转动小滑板法、偏移尾座法、仿形法和宽刃刀法。本节只介绍转动小滑板法。
转动小滑板法（见图6．6）基本原理：将小滑板沿顺时针或逆时针方向按工件的圆锥半角α／2要求转动角度，使车刀的运动轨迹与所加工的圆锥在水平平面内的素线平行。
转动小滑板法操作简便、调整范围广，主要适用于单件、小批量生产，特别适用于加工工件长度较短、圆锥角较大的圆锥面。
1）转动小滑板法车外圆锥方法
（1）装夹工件和车刀：工件旋转中心必须与主轴旋转中心重合，刀尖严格对准工件旋转中心。
（2）车床调整：确定小滑板转动角度（α／2）和方向，转动小滑板，并调整好小滑板导轨与镶条的配合间隙。
图6．6 转动小滑板车圆锥
（3）按圆锥大端直径（留0．5～1mm的精车余量）和圆锥长度将圆锥部分先车成圆柱。
（4）粗车外圆锥面。
①开动车床，移动大、中滑板使刀尖与轴端外圆轻轻接触后，记下中滑板刻度，作为进刀时的起始刻度，小滑板退出。
②中滑板按刻度进刀（ap），双手匀速交替不间断转动小滑板车至终端，将中滑板退出，小滑板快速后退复位。
③中滑板在上次车削刻度基础上继续按刻度进刀，反复粗车外圆锥面，直至工件能塞进套规1／2时，检验圆锥角度。
（5）根据检验结果，找正小滑板角度后，粗车至圆锥长度方向留0．5～1mm精车余量。
（6）精车外圆锥面：因圆锥角度已找正，所以精车主要是提高表面质量、控制圆锥尺寸精度。图6．7所示为控制量规界限法保证圆锥尺寸的方法。首先用卡尺测出圆锥端面至套规过端界限面的距离a，用计算法计算出背吃刀量
ap＝a×tan（α／2）或ap＝a×C／2
图6．7 用套规控制圆锥尺寸的方法
然后移动中小滑板，使刀尖轻轻接触圆锥小端表面后退出，中滑板向前进给ap值，摇小滑板手动进给开始精车圆锥面至尺寸（见图6．8）。
图6．8 计算法车圆锥
此外，也可以用移动床鞍法确定背吃刀量（见图6．9），先量出长度方向的余量a（图（a）），使车刀接触工件小端端面，移动小滑板，使车刀轴向离开工件端面一个a的距离（图（b）），然后移动床鞍使车刀接触工件小端端面（图（c）），此时虽然没移动中滑板，但车刀已经切入了一个所需的ap，再转动小滑板精车圆锥面至尺寸。
图6．9 移动床鞍控制圆锥尺寸的方法
2）转动小滑板法车外圆锥特点
（1）操作简便，调整范围广，适用于单件、小批量生产，特别是长度较短、锥角较大的场合。
（2）受行程限制，只能加工锥度较大、锥面不长的工件。
（3）手动进给，表面结构较难控制。
3）转动小滑板法车外圆锥面的注意事项
（1）刀尖严格对准工件旋转中心，否则易产生双曲线误差。
（2）用套规检测时，套规和工件表面用丝绸擦净；工件表面结构应满足Ra＜3．2μm的要求并去毛刺；涂色应薄而均匀，套规在工件上转动应小于半圈，不能来回旋转。
3．外圆锥面的检验
圆锥的检验主要是圆锥角度和尺寸的检验。常用万能角度尺、角度样板、正弦规或套规涂色法来评定圆锥精度。
1）角度的检验
（1）用万能角度尺检测：万能角度尺的结构如图6．10所示，它可以测量0°～320°范围内的任意角度。
图6．10 万能角度尺结构
（a）主视图；（b）后视图
1—主尺；2—角尺；3—游标尺；4—制动器；5—基尺；6—直尺；7—卡块；8—捏手；9—小齿轮；10—扇形齿轮
万能角度尺主要由主尺1、角尺2、游标尺3、制动器4、基尺5、直尺6、卡块7等组成。基尺可以带着主尺沿着游标尺移动，当转到所需角度时，可以用制动器锁紧。卡块将角尺和直尺固定在所需的位置上。在测量时，转动背面的捏手8，通过小齿轮9转动扇形齿轮10，使基尺改变角度（见图6．10（b））。
万能角度尺的示值一般分为5′和2′两种。下面介绍示值为2′的万能角度尺读数原理。
主尺刻度每格为1°，游标尺上总角度为29°，并等分为30格（见图6．11（a）），每格的角度为
29°／30＝60′×29／30＝58′
因此，主尺一格与游标尺一格相差
1°－29°／30＝60′－58′＝2′
即此万能角度尺的测量精度为2′。
万能角度尺的读数方法与游标卡尺的读数方法相似，即先从主尺上读出游标零线前面的整读数，然后在游标尺上读出分数值，两者相加就是被测件的角度数值。如图6．11（b）所示读数为10°50′。
图6．11 示值为2′万能角度尺的读数原理及读数方法
（a）读数原理；（b）读数方法
用万能角度尺检测外圆锥角度时，应根据工件角度的大小，选择不同的测量方法（见图6．12）：测量0°～50°的工件，可选择图（a）所示方法；测量50°～140°的工件，可选择图（b）所示方法；测量140°～230°的工件，可选择图（c）、图（d）所示方法；若将角尺2和直尺6都卸下，由基尺和扇形板（主尺1）的测量面形成的角度，还可测量230°～320°之间的工件。
（2）用角度样板检测：角度样板属于专用量具，常用在成批和大量生产时，以减少辅助时间。图6．13所示为角度样板测量圆锥齿轮坯角度情况。
（3）用正弦规检测：正弦规是利用三角函数的计算原理制成的，是用正弦（sin）关系来间接测量角度的一种精密量具。它由一块准确的钢质长方体和两个相同的精密圆柱体组成（见图6．14（a））。两个圆柱之间的中心距要求很精确，中心连线与长方体工作平面严格平行。测量时，将正弦规安放在平板上，圆柱的一端用量块垫高，被测工件放在正弦规的平面上（见图6．14（b））。量块组高度可以根据被测工件圆锥半角进行精确计算获得。然后用百分表检验工件圆锥面的两端高度，若读数值相同，就说明圆锥半角正确。用正弦规测量3°以下的角度，可以达到很高的测量精度。
使用正弦规测量时，圆锥半角α／2与量块组高度H间的关系为
H＝Lsin（α／2）或sin（α／2）＝H／L
式中 L——正弦规中心距。
图6．12 用万能角度尺测量工件的方法
（a）0°～50°；（b）50°～140°；（c），（d）140°～230°
图6．13 用角度样板测量圆锥齿轮坯的角度
图6．14 正弦规及使用方法
1，2—挡铁；3—圆柱；4—长方体；5—工件；6—量块
（4）用涂色法检测：对于标准圆锥或配合精度要求较高的圆锥工件，一般可以使用圆锥套规和圆锥塞规检测。圆锥套规（见图6．15）用于检测外圆锥，圆锥塞规用于检测内圆锥。
用圆锥套规检测外圆锥时，要求工件和套规表面清洁，工件外圆锥表面结构Ra小于3．2μm且无毛刺。检测时，首先在工件表面顺着圆锥素线薄而均匀地涂上周向均等的三条显示剂（印油、红丹粉、机油的调和物等）（见图6．16）；然后手握套规轻轻地套在工件上，稍加轴向推力，并将套规转动小于半圈（见图6．17）；最后取下套规，观察工件表面显示剂擦去的情况。若三条显示剂全长擦痕均匀，表面圆锥接触良好，说明锥度正确（见图6．18）；若小端擦着，大端未擦去，说明圆锥角小了；若大端擦着，小端未擦去，说明圆锥角大了。
图6．15 圆锥套规
图6．16 涂色方法
图6．17 用套规检查圆锥
图6．18 合格的圆锥面展开图
2）圆锥尺寸的检验
（1）用游标卡尺和千分尺检测：圆锥的大、小端直径和圆锥长度可以使用游标卡尺和千分尺测量。测量时必须注意卡尺或千分尺测量杆和工件的轴线垂直，测量位置必须在锥体的最大端处或最小端处。
（2）用圆锥套规检测：在圆锥套规上，根据工件的直径尺寸和公差，在套规小端处开有轴向距离为m的缺口（见图6．15），表示过端和止端。测量外圆锥时，如果锥体的小端平面在缺口之间，说明其小端直径尺寸合格（见图6．19（a））；若锥体未能进入缺口，说明其小端直径大了（见图6．19（b））；若锥体小端平面超过了止端缺口，说明其小端直径小了（见图6．19（c））。
三、工艺准备
1．分析图纸
（1）明确形状：该零件为一带有外圆锥面的简单轴类零件，由一个外圆柱面和一个锥度为1∶5的外圆锥面组成。
图6．19 圆锥套规检验外圆锥尺寸
（a）合格；（b）小端直径大；（c）小端直径小
1—工件；2—圆锥套规
（2）分析技术要求：该零件外圆的尺寸精度要求较高，外圆锥面的精度采用涂色法检测时接触面积要大于70%，外圆和锥面的表面结构为Ra1．6μm，是一个精度要求较高的工件。
2．刀具选择
该零件加工选择两把焊接式硬质合金90°偏刀（一把精车、一把粗车），一把硬质合金45°车刀。
3．量具、工具准备
选用游标卡尺、千分尺和深度尺，一个锥度为1∶5的圆锥检测套规，红丹粉。
4．编写加工工艺
（1）用三爪卡盘夹持φ40mm的毛坯材料，伸出60mm找正夹紧。
（2）车端面。
（3）粗车φ36mm外圆至φ36．8mm，长46mm。
（4）粗车φ30mm外圆至φ30．5mm，长36mm，并保证φ36mm外圆长10mm。
（5）粗、精车圆锥至尺寸，保证长度尺寸30mm。
（6）精车φ36mm、φ30mm外圆至尺寸。
（7）倒角、倒钝。
（8）综合检查后取下。
四、任务实施
（1）工件安装：三爪卡盘，伸出60mm夹紧。
（2）刀具安装：分别将90°偏刀、45°车刀安装在方刀架上，调整好刀具高度和伸出长度，夹紧刀具。
（3）按照编写的加工工艺对工件进行加工。
五、考核评价
（1）学生对工件进行自检，填写“考评评分表”（见表6．3），并同工件一起交给老师。
表6．3 考评评分表
（2）教师对工件进行检查，对学生整个任务的实施过程进行分析，并填写“考评评分表”对学生进行成绩评定。
六、思考与练习
（1）常用的圆锥检查和测量方法有哪些？
（2）按图6．1所示的技术要求，加工出一个合格的外圆锥轴。
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