轴颈精度和表面质量标准

第一节　轴类零件的加工

一、概述

1．轴类零件的功用和种类

（1）轴类零件的功用

轴类零件是机械产品中的一类典型零件，用来支承传动零件（如齿轮、带轮、凸轮等）传递转矩、承受载荷并保证装在轴上的零件（或刀具）具有一定的回转精度。

（2）轴的分类

轴类零件的结构特征是一类长径比大的回转体。它的分类方法很多：

1）按轴的结构形状　可分为光轴、台阶轴、空心轴和异形轴（如曲轴、凸轮轴、偏心轴等）四类。

2）按轴的长度与直径的比值（长径比）　可分为刚性轴（L／d≤12）和挠性轴（L／d＞12）两类。

3）按轴所受载荷不同　可分为心轴（只承受弯矩而不承受转矩的轴）、传动轴（只承受转矩而不承受弯矩或承受很小弯矩的轴）和转轴（既承受转矩又承受弯矩的轴）三类。

从轴的工艺特性考虑，主要采用前两种分类方法。

（3）轴类零件的加工表面　轴类零件的加工表面通常有内、外圆柱面，内、外圆锥面，台阶平面和端平面，以及螺纹、花键、键槽和沟槽等。

2．轴类零件的材料和毛坯

（1）轴类零件的材料

轴类零件的材料一般有碳素结构钢和合金结构钢两类。此外，在仪表中也有使用有色金属（如铅黄铜HPb59－1）的。

应用最多的是45号钢，用45号钢制造的轴类零件，一般需经调质、表面淬火等热处理，可以获得一定的强度、硬度、韧性和耐磨性，主要适于中等复杂程度、一般重要的轴类零件。

对精度要求较高、转速较高的轴可采用中碳合金结构钢，如40Cr、40MnB、35SiMn、38SiMnMo等。

对在高转速、重载荷等恶劣条件下工作的轴，可采用渗碳合金结构钢，如20Cr、20CrMnTi、20MnVB等。

（2）轴类零件的毛坯

1）圆棒料（型材）分热轧和冷拉两种，用于一般要求的光轴和直径相差不大的台阶轴。

2）锻件　用于直径相差较大的台阶轴，以节省材料和减少切削加工工作量；对于直径相差虽不大，但要求有较高的抗拉、抗弯、抗扭转强度的重要轴，也采用锻件毛坯，以利用锻造提高材料的力学性能。

3）铸钢件　用于结构形状复杂或尺寸较大的轴。

二、轴类零件的主要技术要求

1．轴颈

轴上与其他零件相配合的外圆表面称为轴颈。轴颈是轴类零件的主要表面。与轴上传动零件相配合的轴颈称为配合轴颈；与轴承相配合的轴颈称为支承轴颈。

轴的主要技术要求：是指这些轴颈的尺寸精度、形状精度、相互位置精度和表面粗糙度要求。轴颈的尺寸、形状、位置精度的高低，对与之配合的传动零件和轴承的配合性质、配合精度及其回转精度有着直接的影响。

2．尺寸与形状精度

根据轴的使用要求不同，轴颈的尺寸精度通常为IT9～IT6，高精度的轴颈尺寸精度为IT5。

轴颈的形状精度（圆度、圆柱度）误差，应限制在轴颈的直径公差范围内，形状精度要求较高时，则应在零件图样上另行作出规定。

由于支承轴颈的精度将影响轴上所有传动零件的工作精度，所以支承轴颈的尺寸精度、形状精度应高于配合轴颈的尺寸精度、形状精度。

3．位置精度

轴类零件的最主要的相互位置精度是指配合轴颈的轴线相对支承轴颈的轴线的同轴度或配合轴颈相对支承轴颈轴线的圆跳动，以及轴肩端面对轴线的垂直度。

形状精度和相互位置精度应高于尺寸精度。

普通精度的轴，同轴度误差为Φ0．03～Φ0．01mm，高精度轴的同轴度误差为Φ0．005～Φ0．001mm。

4．表面粗糙度

轴颈的表面粗糙度随精度等级、配合性质和旋转速度不同而异。支承轴颈的表面粗糙度值应小于配合轴颈的表面粗糙度值。

配合轴颈的表面粗糙度Ra值一般为1．6～0．4μm。

支承轴颈的表面粗糙度Ra值一般为0．4～0．1μm。

三、轴类零件机械加工的主要工艺问题

1．定位基准

轴是长径比较大的回转体零件，轴线是轴上各回转表面的设计基准，以轴两端的中心孔作精基准符合基准重合原则，并且在一次安装中可以加工多个外圆表面及端面，也符合基准统一原则。用中心孔定位加工的各外圆表面可以获得很高的位置精度。因此，中心孔是轴类零件切削加工时最常用的定位基准。

（1）作为主要精基准的中心孔必须有足够高的精度和足够的支承能力，对中心孔的主要要求有：

1）中心孔结构尺寸的大小应与两端轴颈尺寸大小相适应，并且锥角应准确。中心孔尺寸不够和锥角不准会使中心孔和机床顶尖很快磨损。中心孔的形式和尺寸规格已标准化，可由GB／T145－2001《中心孔》查得。

2）中心孔应打在毛坯的轴线上，以保证各个外圆的加工余量均匀。

3）两端中心孔应在同一轴线上（即两中心孔的轴线应重合），以避免中心孔与顶尖接触不良而造成变形和磨损，致使圆度、圆柱度误差过大。

4）成批生产时，同一批毛坯两端中心孔的轴向距离应保持一致。

5）在加工过程中，应始终保持准确和洁净。

（2）除中心孔外，轴类零件加工时用做定位基准的还有外圆表面和内孔表面。

粗加工时，切削余量大，切削力也大，为了提高工艺系统的刚度，常采用轴的外圆表面定位，或外圆表面和中心孔共同作为定位基准（即“一夹一顶”装夹工件）。

空心轴加工内孔时，常用轴上加工过的合适的轴颈表面作定位基准。

精度较高的带孔轴类零件（如车床主轴、铣床主轴等），在内孔钻出后，作为定位基准的中心孔消失，后继的轴的外圆表面的半精加工、精加工为了保证较高的相互位置精度而仍需要以中心孔作为定位基准，这时常采用如下措施：

1）轴上的通孔直径较小时，可直接在孔口加工出宽度不大于2mm的60°锥面，代替中心孔。

2）轴上的通孔直径较大，孔口锥度（通常是因工艺需要而加工）较小时，采用带中心孔的锥堵，以锥堵中心孔作定位基准。锥堵（图12－1）具有较高的精度，其锥面与中心孔的同轴度误差极小，应根据轴孔配制，工艺过程中锥堵只能一次性使用，不允许卸下后重新安装使用，以避免由此而产生的安装误差。

3）轴上的通孔直径较大，孔口锥度较大时，采用带中心孔的锥套心轴装夹工件，用心轴上的中心孔定位，如图12－2所示。

图12－1　锥锗

图12－2　锥套心轴

2．加工顺序的安排

（1）按照“先粗后精”的原则，将粗、精加工分开进行。先完成各表面的粗加工，再完成半精加工和精加工，而主要表面的精加工则放在最后进行。各加工阶段通常以热处理工序分界。轴为回转体，各外圆表面的粗、半精加工一般采用车削，精加工采用磨削。一些精密轴类零件的轴颈表面还需要进行光整加工。

（2）粗加工外圆表面时，应先加工直径大的外圆，后加工直径小的外圆，以避免一开始加工就明显降低工件刚度，引起弯曲变形和振动。

（3）空心轴的深孔加工应安排在工件经调质处理后和外圆经粗车或半精车之后进行。原因：工件经调质处理后变形较大，如若先加工深孔，调质后引起的孔轴线弯曲变形不易或无法纠正；而外圆先经加工可以使深孔加工时有一个较精确的轴颈作为定位基准，从而保证孔与外圆的同轴，工件壁厚均匀。

（4）轴上的花键、键槽应安排在外圆经精车或粗磨后、磨削或精磨前加工。

（5）轴上螺纹应在轴颈经表面淬火后进行加工，以避免因表面淬火引起螺纹变形。

（6）主要表面经精磨以后不宜再安排其他表面的加工，以免破坏表面的质量。

3．热处理工序的安排

结构尺寸不大的中碳钢普通轴类零件，一般在切削加工前进行凋质热处理。

重要的轴类零件（如机床主轴）在机械加工过程中常需进行多次热处理，热处理工序的合理安排对零件质量有很大的影响，必须根据需要，正确、合理地安排好各种热处理，以保证轴的力学性能及加工精度要求，并改善工件的切削性能。通常的安排如下：

（1）毛坯锻造后安排正火热处理，目的是消除锻造应力，改善金属组织，细化晶粒，调整硬度，改善切削加工性能。

（2）粗加工后安排调质热处理，目的是提高零件的综合力学性能，并作为需要表面淬火或氮化热处理的零件的预备热处理。

（3）工作中与配合零件有相对运动的轴颈和需要经常拆卸的配合表面，在半精加工后、精加工前安排表面淬火处理，目的是提高这些表面的耐磨性。

四、轴类零件加工实例——车床主轴加工

轴类零件的典型工艺过程：

毛坯准备—正火—加工端面和中心孔—粗车—调质—半精车一花键、键槽、螺纹等加工—表面淬火—粗磨一精磨

1．零件图样

车床主轴简图如图12－3所示。

2．零件及其工艺过程分析

对机床主轴的共同要求是必须满足机床的工作性能，即回转精度、刚度、热变形、抗震性、使用寿命等多方面的要求。该车床主轴是带有通孔的多台阶轴，普通精度等级，材料为45钢，生产类型为大批生产。

（1）主要表面及其精度要求

1）支承轴颈　支承轴颈是两个锥度为1∶12的圆锥面，分别与两个双列圆锥滚子轴承相配合。支承轴颈是主轴部件的装配基准，其精度直接影响主轴部件的回转精度，尺寸精度一般为IT5。该主轴两支承轴颈的圆度公差和对其公共轴线的径向圆跳动允许误差均为0．005mm，表面租糙度Ra值不大于0．4μm。

2）配合轴颈　配合轴颈是与齿轮传动件连接的表面，共有Φ80h5、Φ89f6、Φ90g5三段。前两段轴颈与齿轮分别采用键连接与花键连接；Φ90g5轴颈上的齿轮为空套齿轮，工作时齿轮与轴颈之间有相对运动，因此该轴颈表面需淬火处理。配合轴颈的尺寸精度为IT6～IT5，表面粗糙度Ra值不大于0．4μm。

3）莫氏6号锥孔　锥孔是主轴的主要工作表面之一，用于安装夹具或刀具。由于工作中经常装卸夹具，锥孔表面需淬火以提高其耐磨性。锥孔对支承轴颈公共轴线的径向圆跳动允许误差在轴端处为0．005mm，在离轴端300mm处为0．01mm，表面粗糙度Ra值不大于0．4μm。

4）轴端短圆锥　圆锥是安装通用夹具（车床附件）卡盘或拨盘的定位面，锥角14°15′（锥度为1∶4）。此圆锥面对支承轴颈公共轴线的径向圆跳动允许误差为0．008mm，表面粗糙度Ra值不大于0．8μm，表面也需淬火。

（2）毛坯选择　主轴是机床的重要零件，其质量直接影响到机床的工作精度和使用寿命；结构为多台阶空心轴，直径差很大（本例最大外圆直径为195mm，最小外圆直径为70mm）。从上述两方面应考虑使用锻造毛坯，不仅能改善和提高主轴零件的力学性能，而且可以节省大量材料和切削加工工作量。由于其属于大批生产，所以采用模锻毛坯。

（3）定位基准选择　主要定位基准为两端中心孔。粗车时切削力大，采用外圆表面和中心孔“一夹一顶”。在通孔加工后，加工外圆表面时使用带中心孔的锥堵。精加工内锥孔时用有较高精度的外圆表面及台阶端面定位。

（4）主要表面的加工方法选择

1）支承轴颈、配合轴颈及短圆锥　粗车—半精车—粗磨—精磨

2）莫氏6号锥孔　钻孔—车内锥—粗磨—精磨

3）其他表面　花键　粗铣—精铣

　　　　　　　螺纹　车

（5）热处理工艺安排

1）正火—毛坯锻造后

2）调质—粗车后、半精车前

3）表面淬火一磨削前

3．加工工艺过程

车床主轴加工工艺过程见表12－1。

表12－1　车床主轴机械加工工艺过程