典型轴类零件的加工工艺

3.4　典型轴类零件的加工工艺

3.4.1　花键轴的加工工艺

1）花键轴的加工工艺

（1）热处理工序的安排

图3.13花键轴中的技术条件为调质处理后硬度达240HBS。调质处理的工序，可安排在粗车前或粗车后，安排在粗车后进行调质比较合理，因为这样可消除粗车时产生的内应力。

（2）定位基准的选择

该花键轴的各挡外圆尺寸精度要求都比较高，用精车或磨削的方法都能达到。因属中批生产，故虽然表面粗糙度要求不高，仍采用磨削来保证加工精度较为合适。在车削和磨削外圆时，均以两端中心孔作为精基准定位。而加工两端面和中心孔以及左端螺孔时，均以外圆作为粗基准。由于热处理时中心孔易产生变形或锈蚀，故最好能安排研中心孔工序，其次序放在车孔口倒60°和120°角之后，半精车外圆之前。

（3）花键的加工

精度不高的花键轴可在铣床上用分度头在两顶尖中安装，用成形铣刀铣出。精度要求较高的花键轴须在专用的花键铣床上，用花键滚刀加工。若花键轴表面需经淬火处理，则需用花键磨床进行磨削。根据图中花键部分要求：键侧面对A—B轴线的位移度均为0.02mm，必须采用花键滚刀滚切才能达到要求。由于工件两端阶台长度较短，为了保证花键滚刀越出行程长度，同时便于夹紧和加工时承受转矩，加长尺寸应由花键滚刀直径来决定，现确定将工件右端加长28mm，待精磨后车去。

2）花键轴的加工工艺

花键轴的加工工艺路线为：备料→车端面、钻中心孔→粗车→钻孔（车床）→攻螺纹（钳工）→调质→精车→粗滚花键→精滚花键→修毛刺→磨外圆→车（去工艺夹头）→清洗→检验入库。

花键轴的加工工艺过程见表3.4。

表3.4　花键轴的加工工艺过程

3.4.2　钻床主轴的加工工艺

图3.14为钻床主轴的零件图，图3.15为钻床主轴部件的装配图（部分）。其材料为40Cr，生产类型为中批生产。

1）钻床主轴的结构分析

根据对钻床主轴零件图的分析，该零件的结构具有以下特点：从形状上看，该零件为多阶台结构的细长轴，且外圆直径相差较多；从加工表面类型看，外圆表面有光轴、花键和螺纹；内孔表面为锥孔，且有两径向腰形孔，与锥孔相交。

2）钻床主轴的技术条件分析

钻床主轴的技术条件是根据其功用和工作条件制订的。从图3.14钻床主轴零件图和图3.15主轴部件装配图可以看出，主轴的支承轴颈A、B是主轴部件的装配基准，因此技术条件中各项精度指标均是以支承轴颈A、B为基准确定的。现将主要加工表面的技术要求分析如下：

图3.14　钻床主轴

图3.15　钻床主轴部件装配图

（1）支承轴颈的技术要求

主轴支承轴颈与两对角接触轴承相配合，前端A比后端B对主轴的回转精度影响大，故与轴承的配合A比B要紧些，其尺寸精度都按IT5级公差制造，都属过渡配合性质。A、B的圆度和圆柱度要求都很高（0.004mm），而表面粗糙度要求一般（Ra0.63μm），这也和装配滚动轴承有关。

由于主轴支承轴颈是主轴部件的装配基准，因而它的制造精度直接影响到主轴部件的回转精度。当支承轴颈有同轴度误差时，必将引起主轴的径向圆跳动，从而影响工件的加工质量，故A、B的同轴度要求很高（φ0.008mm）。

（2）锥孔的技术要求

主轴锥孔（莫氏4号）对支承轴颈A、B的跳动，在轴端处要求0.008mm；离轴端300mm处要求0.015mm；锥孔涂色检查接触面不小于70%；表面粗糙度值为Ra0.32μm；硬度要求45～48HRC。

主轴锥孔是用来安装钻头、铰刀或钻夹头、锥度套的，其轴心线与两个支承轴颈的轴心线应尽量重合，否则将影响机床精度和工件加工质量。由于钻床工作时，需经常调换钻头、铰刀或工具，要求锥孔有一定的硬度和较细的表面粗糙度，以减少磨损和保持紧密接触。

（3）轴肩的技术要求

主轴轴肩与角接触球轴承的端面相接触，要求轴肩与支承轴颈A、B的端面跳动在0.02mm内，如果端面跳动量过大，会使轴承内圈轴心线倾斜，从而引起主轴的径向圆跳动。

（4）花键的技术要求

主轴的花键部分是与传动主轴的V带轮花键孔相配合的，要求其轴心线与支承轴颈A、B的径向圆跳动在0.03mm内，否则在传动时容易引起主轴振动。由于花键采用小径C（φ26h7）定心，故键侧面要求与基准C的轴心线平行度为0.05mm、对称度为0.012mm。

（5）螺纹的技术要求

一般控制螺纹轴心线与支承轴颈轴心线的同轴度误差不超过0.025mm。若同轴度误差较大，螺纹轴心线产生歪斜时，会使主轴部件上的锁紧螺母同样产生歪斜，导致滚动轴承内圈轴心线倾斜，引起主轴的径向圆跳动。因此在加工主轴螺纹时，应与主轴颈在一次安装内同时加工，这样才能控制其同轴度。

通过以上分析可知：钻床主轴的主要加工表面是两个支承轴颈A、B；莫氏4号锥孔；轴肩端面和花键部分。其中保证支承轴颈本身的尺寸精度、几何形状精度、两支承轴颈之间的同轴度、锥孔和支承轴颈的相互位置精度，是主轴加工的技术关键。

3）钻床主轴的加工工艺过程

根据对主轴的结构特点、技术要求进行分析后，即可根据生产批量、设备条件等制订钻床主轴的加工工艺过程。制订前先列出钻床主轴的加工工艺路线：锻造→正火→车端面、钻中心孔→粗车→调质→半精车→划线（划腰形孔）→铣（腰形孔）→局部淬火→研中心孔→精车→粗铣花键→粗磨外圆→粗磨锥孔→车螺纹→精铣花键→时效处理→研中心孔→半精磨外圆→磨花键→精磨外圆→精磨锥孔→检验入库。

钻床主轴的加工工艺过程见表3.5。

4）钻床主轴的工艺过程分析

（1）毛坯的选择

由于工件各段直径相差较大，若毛坯采用热轧圆钢，则必须按最大直径来选择，这样就会既浪费材料，又增加工时，提高零件的生产成本。而采用锻件只需锻成两段直径不同、形状简单的阶台轴，材料经锻造后又能提高零件的强度。

（2）定位基准的选择

轴类零件的定位基准，一般都选择两端中心孔。因为轴类零件各外圆表面、锥孔、螺纹表面、花键表面的同轴度以及端面对旋转轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目，而这些表面的设计基准一般都是轴的中心线，如果用两端中心孔定位，就能符合基准重合的原则。而且，用中心孔作为定位基准，就能够最大限度地在一次安装中加工出多个外圆和端面，这也符合基准统一的原则。所以，应尽量采用中心孔作为轴加工的定位基准。

表3.5　钻床主轴加工工艺过程mm

但在粗加工外圆时，为了提高生产率，常采用轴的外圆表面作为定位基准，用卡盘装夹，或以一端外圆和一端中心孔定位，那是一夹一顶安装。另外当主轴前端加工出锥孔后，中心孔已经消失。为了在精磨时仍能用中心孔作定位基准，必须采用带有中心孔的锥堵（闷头）或锥堵心轴。常用的锥堵有带螺纹和不带螺纹两种，如图3.16所示。图3.16（a）为带螺纹的锥堵，装于主轴右端，当加工结束后，用螺母旋在锥堵螺纹处，旋紧螺母与工件端面接触，即可将锥堵取出。主轴左端装图3.16（b）的锥堵，其莫氏4号圆锥与主轴圆锥孔相配，另一端铣成两个平面，待加工结束后，用扳手转动锥堵即可取出。钻床主轴上装的锥堵就是这种形式。

图3.16　锥堵（闷头）

（a）带螺纹的锥堵　（b）不带螺纹的锥堵　（c）在工件两端装入锥堵

当主轴的锥孔锥度较大（如铣床主轴）或圆柱孔时，可用带锥堵的拉杆心轴，简称锥堵心轴，如图3.17所示。

（3）加工阶段的划分

由于主轴精度要求高，又是多阶台带锥孔和腰形孔的零件，切除大量金属后会引起内应力重新分布而变形。因此，应将粗精加工分开，先完成表面的粗加工，再完成各表面的半精加工和精加工，而主要表面的精加工则放在最后进行。这样，主要表面的精度就不会受到其它表面加工或内应力重新分布的影响。

图3.17　锥堵心轴

从表3.5钻床主轴加工的工艺过程可以看出其加工过程大致划分为三个阶段：调质以前的工序为粗加工阶段；调质以后至时效处理前的工序为半精加工阶段；时效处理后的工序为精加工阶段。要求较高的支承轴颈和莫氏4号锥孔的精加工，则放在最后进行。

（4）热处理工序的安排

在主轴加工的整个工艺过程中，应安排足够的热处理工序，以保证主轴的力学性能及加工精度的要求，并可改善工件的切削加工性能。

在主轴毛坯锻造后，应安排正火处理，以消除锻造应力，改善金属组织，细化晶粒，改善切削加工性能。在粗加工后，安排调质处理，可获得均匀细致的回火索氏体组织，提高零件的综合力学性能。在半精车外圆和加工出莫氏4号锥孔以及两腰形孔后，安排局部淬火，以提高主轴端的硬度。在最后半精磨和精磨前，安排时效处理，目的是消除以前加工时产生的内应力，提高精磨后工件尺寸的稳定性。

（5）主轴锥孔的磨削

因钻床主轴较长（1030mm），在一般万能外圆磨床上无法磨削锥孔，需在专用主轴孔磨床上用磨锥孔夹具才能磨削。该夹具如图3.18所示。夹具由底座、支承架和浮动夹头三部分组成，两个支承架固定在底座上，作为工件定位基准的两段支承轴颈放在支承架上的两个V形块上，V形块镶有硬质合金，以提高其耐磨性，保持夹具的定位精度。工件的中心高应等于砂轮主轴的中心高，否则磨削后锥孔素线会形成双曲线形状，影响内锥孔的接触精度。后端的浮动夹头用锥柄装在磨床头架主轴的锥孔内，工件尾端插入弹性套内，由弹簧将浮动夹头连同工件向左拉，通过钢球压向镶有硬质合金的锥柄端面，限制工件的轴向窜动。采用这种联结方式，可以避免磨床头架主轴误差对工件定位精度的影响。

图3.18　磨主轴锥孔夹具

在没有条件采用磨床磨削锥孔时，可用研磨来代替，此时须分粗、精研磨工序，因锥孔直径较小，研磨工作量不大，故一般采用手工研磨的方法。