轴类零件的精密加工

3.2　轴类零件的精密加工

3.2.1　高速精细车

高速精细车的特点是切削速度高（v_c＝100～300m／min），切削深度小（a_p＝0.1～0.3mm），进给量小（f＝0.04～0.08mm／r），因为切削速度很高，而切削截面小，故切屑塑性变形小，切削力小，发热小，所以表面质量好。加工尺寸公差等级可达IT5～IT7，表面粗糙度值为Ra0.8～0.1μm。

高速精细车是加工小型有色金属零件的主要方法，比加工铸铁和钢料能获得较细的表面粗糙度（为Ra0.4～0.1μm）。在加工大型精密外圆表面时，精细车常用以代替磨削加工。

图3.2　金刚石车刀切削刃形状

高速精细车要求机床精度高，刚性好，传动平稳，能微量进给，无爬行现象。

高速精细车一般采用硬质合金刀具，当要求达到Ra值小于0.05μm时，须使用金刚石刀具，通常称为镜面车削。金刚石车刀的切削刃形状，如图3.2所示，其几何角度如下：前角γ₀＝－1°～＋6°，后角α₀＝6°～15°，主偏角κ_r＝5°～45°，副偏角 5°～12°，刀尖圆弧半径r_e＝0.15～5mm，切削刃可制成直线形、圆弧形、多棱形等形式。由于金刚刀在788℃时开始发生石墨化而变软，因此，在车削时，一定要对切削区进行强制冷却（一般采用酒精喷雾冷却）。金刚石车刀价格昂贵，并且需用高精度车床才能进行镜面车削，所以一般轴类零件加工时无法考虑使用，目前只用于加工如计算机磁盘基片、录像机上的磁鼓以及复印机上的硒鼓等。因为这些零件一般用有色金属或不锈钢制成，用磨削方法一般无法达到其精度和表面粗糙度。

3.2.2　超精密磨削

磨削加工后，工件表面粗糙度值Ra≥0.1μm的称为一般磨削；Ra0.1～0.05μm称为精密磨削；Ra0.025～0.012μm称为超精密磨削；Ra＜0.012μm称为镜面磨削。

图3.3　磨粒的微刃

超精密磨削的实质在于砂轮磨粒的作用，经过精细修整后砂轮表面的磨粒形成许多微刃（图3.3），这些微刃的等高性程度大大提高，磨削时参加磨削的切削刃就大为增加，能在工件表面切下微细的切屑，形成粗糙度较细的表面。随着磨削过程的继续进行，锐利的微刃逐渐磨损而变得稍钝，这就是半钝化状态（半钝化期）。这种半钝化的微刃虽然切削作用降低了，但是在一定压力下能产生摩擦抛光作用，可使工件获得更细的表面粗糙度，直至最后磨粒处于钝化期时，磨粒在被磨削的工件表面就起抛光作用了。

砂轮的粒度和结合剂以及砂轮修整的质量对磨削的效果有着直接的影响。精密磨削时采用普通粒度（60^＃～80^＃）的砂轮，经过精细修整后，以较小的进给量（0.002～0.005mm）经几次（1～3次）光磨后就可达到。超精密磨削时采用较细粒度（60^＃～320^＃）的砂轮，经过更精细修整后，以更小的进给量（＜0.002　5mm），经过多次（4～6次）光磨后才能达到。镜面磨削时需用细粒度（W14～W10）树脂结合剂砂轮，经过多次精细修整，以极小的进给量（＜0.002 5mm），经过很多次（20～30次或更多）光磨后才能取得。

3.2.3　超精加工

超精加工是用细粒度的油石，以较低的压力和切削速度对工件表面进行精密加工。加工时有三种运动，如图3.4所示，即工件低速回转运动、磨头轴向进给运动、油石高速往复振动，这三种运动的合成使磨粒在工件表面上形成不重复的轨迹。超精加工的切削与磨削和研磨不同，当工件粗糙的表面磨平后，油石能自动停止切削。

图3.4　超精加工的运动（a）超精加工运动　（b）超精加工轨迹

超精加工需在充足的切削液供应下进行。切削液的作用，在工作开始阶段是冲洗切屑和脱落的磨粒，以促进切削的进行；在工作后期是在油石与工件之间形成油膜，使磨粒由磨削过程逐步转入摩擦抛光的过程。常用的切削液成分是80%煤油和20%机油，切削液需要有精细的过滤装置。

超精加工的特点：

（1）生产率高，特别是在加工镜面时，比镜面磨削的效率要高得多，并且对预加工表面的要求也不高（表面粗糙度值Ra0.4μm）；

（2）磨削力和磨削热都很小，所以加工表面几乎不产生表面烧伤、退火等变质层，并能消除预加工时留下的螺旋形、多边形、波纹等缺陷；

（3）表面粗糙度值一般为Ra0.04μm，最小可达0.01μm；

（4）使用的设备简单，一般将旧车床改装后，即可进行超精加工；

（5）纠正工件的形位误差能力差（只能微量减少某些形状误差，如圆度、波纹度），所以工件的形状和位置精度须由预加工工序得到保证。

由于超精加工具有以上特点，所以广泛应用于加工内燃机的曲轴、凸轮轴、轧辊、轴承和精密量具等，并能加工外圆、内孔、平面和球面等各种表面。

3.2.4　研磨

研磨是一种简便而又可靠的精密加工方法。研磨时，将微粒磨料涂在工件表面与研具之间，研具在一定的压力下与工件表面作复杂的相对运动，对工件表面进行微量磨削。经过研磨的表面，尺寸与形状精度可达1～3μm，表面粗糙度值为Ra0.04～0.01μm。

研磨方法可分为机械研磨和手工研磨两种。机械研磨在研磨机上进行，生产效率高，但只能加工形状简单的小型零件，如滚动轴承中的滚珠和滚柱。手工研磨生产率低，劳动强度大，可以研磨轴类零件。

图3.5　研磨外圆工具

研磨外圆时，所用的研具如图3.5所示。研磨套2开有直槽，与夹套为间隙配合，将研磨套装入夹套内孔后，在螺孔3内旋入螺钉，并对准凹坑4，以防止研磨套受力后发生转动。工件可夹在车床卡盘上或用顶尖支承，作低速旋转，在工件外圆涂一层均匀的研磨膏，套入研磨套的内孔。转动螺钉5和6，使夹套1和研磨套2产生弹性变形，工件即受到一定的研磨压力，用手握住手柄7推动研具往复运动，即可对工件外圆进行研磨。

研磨的质量在很大程度上取决于前道工序的加工质量，加工余量也不大，一般为0.01～0.02mm。

研磨广泛用于精密量具（如量块、千分尺）、轴承（如滚珠、滚柱）、油泵喷油嘴等的加工中，可以加工平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、螺纹等。

3.2.5　滚压加工

滚压加工是利用金属产生塑性变形，从而达到改变工件的表面粗糙度、形状和尺寸精度的目的。

滚压加工是采用高硬度的滚珠或滚轮，对工件表面挤压产生塑性变形，使表面粗糙度值达到Ra0.63～0.08μm。塑性变形还使表面层产生冷作硬化和残余压应力，从而强化了表面层金属，强化层深度达0.2～1.5mm，表面硬度可提高20%～40%，因而使零件的抗疲劳强度、耐磨性和耐蚀性都有显著的提高。图3.6为滚压加工示意图，图3.6（a）是用滚珠在弹簧的压力作用下对工件外圆进行滚压加工；图3.6（b）是用滚轮对工件外圆和圆弧面进行滚压加工。

滚压加工是一种无切屑加工，所以工件的形状精度和相互位置精度要由前一道工序来保证。由于滚压加工的生产率高，当工件的形状和位置精度要求不太高的情况下，可以代替磨削和研磨加工。

图3.6　滚压加工示意图

（a）滚珠滚压　（b）滚轮滚压