外圆表面的加工方法和加工方案

外圆表面是轴类零件的主要表面,因此要能合理地制订轴类零件的机械加工工艺规程,首先应了解外圆表面的各种加工方法和加工方案。本章主要介绍常用的几种外圆加工方法和常用的外圆加工方案。

一、外圆表面的车削加工

根据毛坯的制造精度和工件最终加工要求,外圆车削一般可分为粗车、半精车、精车、精细车

粗车的目的是切去毛坯硬皮和大部分余量。加工后工件尺寸精度IT11～IT13 ,表面粗糙度Ra50～12.5 μ m 。

半精车的尺寸精度可达 IT8～IT10 ,表面粗糙度 Ra6.3～3.2 μ m 。半精车可作为中等精度表面的终加工,也可作为磨削或精加工的预加工。

精车后的尺寸精度可达 IT7～IT8 ,表面粗糙度 Ra1.6～0.8 μ m 。

精细车后的尺寸精度可达 IT6～IT7 ,表面粗糙度 Ra0.4～0.025 μ m 。精细车尤其适合于有色金属加工,有色金属一般不宜采用磨削,所以常用精细车代替磨削。

二、外圆表面的磨削加工

磨削是外圆表面精加工的主要方法之一。它既可加工淬硬后的表面,又可加工未经淬火的表面。根据磨削时工件定位方式的不同,外圆磨削可分为:中心磨削和无心磨削两大类。

(一)中心磨削

(一)中心磨削

中心磨削即普通的外圆磨削,被磨削的工件由中心孔定位,在外圆磨床或万能外圆磨床上加工。磨削后工件尺寸精度可达 IT6~IT8 ,表面粗糙度 Ra0.8～0.1 μ m 。按进给方式不同分为纵向进给磨削法和横向进给磨削法。

1 ．纵向进给磨削法(纵向磨法)

如图 6-2 所示,砂轮高速旋转,工件装在前后顶尖上,工件旋转并和工作台一起纵向往复运动。

2 ．横向进给磨削法(切入磨法)

如图 6-3 所示,此种磨削法没有纵向进给运动。当工件旋转时,砂轮以慢速作连续的横向进给运动。其生产率高,适用于大批量生产,也能进行成形磨削。但横向磨削力较大,磨削温度高,要求机床、工件有足够的刚度,故适合磨削短而粗,刚性好的工件；加工精度低于纵向磨法。

(二)无心磨削

无心磨削是一种高生产率的精加工方法,以被磨削的外圆本身作为定位基准。目前无心磨削的方式主要有:贯穿法和切入法。

如图 6-4 所示为外圆贯穿磨法的原理。

工件处于磨轮和导轮之间,下面用支承板支承。磨轮轴线水平放置,导轮轴线倾斜一个不大的 λ 角。这样导轮的圆周速度 υ 导 可以分解为带动工件旋转的 υ 工 和使工件轴向进给的分量 υ 纵 。

如图 6-5 为切入磨削法磨削的原理。导轮 3 带动工件 2 旋转并压向磨轮 1 。加工时,工件和导轮及支承板一起向砂轮作横向进给。磨削结束后,导轮后退,取下工件。导轮的轴线与砂轮的轴线平行或相交成很小的角度( 0.5~1 o ),此角度大小能使工件与挡铁 4 (限制工件轴向位置)很好地贴住即可。

无心磨削时,必须满足下列条件:

1 ．由于导轮倾斜了一个 λ角度,为了保证切削平稳,导轮与工件必须保持线接触,为此导轮表面应修整成双曲线回转体形状。

2 ．导轮材料的摩擦系数应大于砂轮材料的磨擦系数；砂轮与导轮同向旋转,且砂轮的速度应大于导轮的速度；支承板的倾斜方向应有助于工件紧贴在导轮上。

3 ．为了保证工件的圆度要求,工件中心应高出砂轮和导轮中心连线。高出数值 H 与工件直径有关。当工件直径 d 工 =8 ～ 30mm 时, H ≈ d 工 /3 ；当 d 工 =30 ～ 70mm 时, H ≈ d 工 /4 。

4 、导轮倾斜一个 λ 角度。如图 6-4 ,当导轮以速度 v 导 旋转时,可分解为:

v 工 =v 导 · cos λ ; v 纵 =v 导 · sin λ

粗磨时, λ 取 3 ° ～ 6 ° ；精磨时, λ 取 1 ° ～ 3 ° 。

无心磨削时,工件尺寸精度可达 IT6-IT7 ,表面粗糙度 Ra0.8-0.2um.

(三)外圆磨削的质量分析

在磨削过程中,由于有多种因素的影响,零件表面容易产生各种缺陷。常见的缺陷及解决措施分析如下:

1 ．多角形 在零件表面沿母线方向存在一条条等距的直线痕迹,其深度小于 0.5 μ m ,如图6-6 所示。

产生原因主要是由于砂轮与工件沿径向产生周期性振动所致。如砂轮或电动机不平衡；轴承刚性差或间隙 太大 ；工件中心孔与顶尖接触不良；砂轮磨损不均匀等。消除振动的措施,如仔细地平衡砂轮和电动机；改善中心孔和顶尖的接触情况；及时修整砂轮；调整轴承间隙等。

2 ．螺旋形 磨削后的工件表面呈现一条很深的螺旋痕迹,痕迹的间距等于工件每转的纵向进给量。如图 6-7 所示。

产生原因主要是砂轮微刃的等高性破坏或砂轮与工件局部接触。如砂轮母线与工件母线不平行；头架、尾座刚性不等；砂轮主轴刚性差。消除的措施,修正砂轮,保持微刃等高性；调整轴承间隙；保持主轴的位置精度；砂轮两边修磨成能成台肩形或倒圆角,使砂轮两端不参加切削；工件台润滑油要合适,同时应有卸载装置；使导轨润滑为低压供油。

3 ．拉毛(划伤或划痕) 常见的工件表面拉毛现象如图 6-8 所示。

产生原因主要是磨粒自锐性过强；切削液不清洁；砂轮罩上磨屑落在砂轮与工件之间等。消除拉毛的措施,选择硬度稍高一些的砂轮；砂轮修整后用切削液和毛刷清洗；对切削液进行过滤；清理砂轮罩上的磨屑等。

4 ．烧伤 可分为螺旋形烧伤和点烧伤,如图 6-9 所示。

烧伤的原因主要是由于磨削高温的作用,使工件表层金相组织发生变化,因而使工件表面硬度发生明显变化。消除烧伤的措施,降低砂轮硬度；减小磨削深度；适当提高工件转速；减少砂轮与工件接触面积；及时修正砂轮；进行充分冷却等。

三、外圆表面的精密加工

随着科学技术的发展,对工件和加工精度和表面质量要求也越来越高。因此在外圆表面精加工后,往往还要进行精密加工。外圆表面的精密加工方法常用的有高精度磨削、超精度加工、研磨和滚压加工等。

高精度磨削

使轴的表面粗糙度值在 Ra0.16 μ m 以下的磨削工艺称为高精度磨削,它包括精度磨削( Ra0.6-0.06 μ m )、超精密磨削( Ra0.04-0.02 μ m )和镜面磨削( Ra ﹤ 0.01 μ m)。

高精度磨削的实质在于砂轮磨粒的作用。经过精细修整后的砂轮的磨粒形成了同时能参加磨削的许多微刃。如图 6 -10a,b,这些微刃等高程度好,参加磨削的切削刃数大大增加,能从工件上切下微细的切屑,形成粗糙度值较小的表面。随着磨削过程的继续,锐利的微刃逐渐钝化,如图 6 -10c。钝化的磨粒又可起抛光作用,使粗糙度进一步降低。

(二)超精加工

用细粒度磨具的油石对工件施加很小的压力,油石作往复振动和慢速沿工件轴向运动,以实现微量磨削的一种光整加工方法。

如图 6-11 所示为其加工原理图。加工中有三种运动:工件低速回转运动 1 ；磨头轴向进给运动 2 ；磨头高速往复振动 3 。如果暂不考虑磨头轴向进给运动,磨粒在工件表面上走过的轨迹是正弦曲线,如图 6-11b 所示。

超精加工大致有四个阶段:

1 ．强烈切削阶段 开始时,由于工件表面粗糙,少数凸峰与油石接触,单位面积压力很大,破坏了油膜,故切削作用强烈。

2 ．正常切削阶段 当少数凸峰磨平后,接触面积增加,单位面积压力降低,致使切削作用减弱,进入正常切削阶段。

3 ．微弱切削阶段 随着接触面积进一步增大,单位面积压力更小,切削作用微弱,且细小的切屑形成氧化物而嵌入油石的空隙中,因而油石产生光滑表面,具有摩擦抛光作用。

4 ．自动停止切削阶段 工件磨平,单位面积上的压力很小,工件与油石之间形成液体摩擦油膜,不再接触,切削作用停止。

经超精加工后的工件表面粗糙度值 Ra0.08-0.01 μ m. 。然而由于加工余量较小(小于 0.01mm ),因而只能去除工件表面的凸峰,对加工精度的提高不显著。

(三)研磨

用研磨工具和研磨剂,从工件表面上研去一层极薄的表层的精密加工方法称为研磨。

研磨用的研具采用比工件材料软的材料(如铸铁、铜、巴氏合金及硬木等)制成。研磨时,部分磨粒悬浮在工件和研具之间,部分研粒嵌入研具表面,利用工件与研具的相对运动,磨粒应切掉一层很薄的金属,主要切除上工序留下来的粗糙度凸峰。一般研磨的余量为 0.01 -0.02mm 。研磨除可获得高的尺寸精度和小的表面粗糙度值外,也可提高工件表面形状精度,但不能改善相互位置精度。

当两个工件要求良好配合时,利用工件的相互研磨(对研)是一种有效的方法。如内燃机中的气阀与阀座,油泵油咀中的偶件等。

(四)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 6-12 为滚压加工示意图。滚压加工有如下特点:

1 ．滚压前工件加工表面粗糙度值不大于 Ra5 μ m ,表面要求清洁,直径余量为 0.02 -0.03mm 。

2 ．滚压后的形状精度和位置精度主要取决于前道工序。

3 ．滚压的工件材料一般是塑性材料,并且材料组织要均匀。铸铁件一般不适合滚压加工。

4 ．滚压加工生产率高。

四、外圆表面加工方案的选择

上面介绍了外圆表面常用的几种加工方法及其特点。零件上一些精度要求较高的面,仅用一种加工方法往往是达不到其规定的技术要求的。这些表面必须顺序地进行粗加工、半精加工和精加工等加工方法以逐步提高其表面精度。不同加工方法有序的组合即为加工方案。表 3-14 即为外圆柱面的加工方案。

表3-14 外圆柱面加工方法

序号

加工方法

经济精度

( 公差等级表示 )

经济粗糙度值

Ra ／ um

适用范围

1

粗车

IT18~13

12.5~50

适用于淬火钢以外的各种金属

2

粗车 - 半精车

IT11~10

3.2~6.3

3

粗车 - 半精车 - 精车

IT7~8

0.8~1.6

4

粗车 - 半精车 - 精车 -滚压(或抛光)

IT7~8

0.25~0.2

5

粗车 - 半精车 -磨削

IT7~8

0.4~0.8

主要用于淬火钢,也可用于未淬火钢,但不宜加工有色金属

6

粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨

IT6~7

0.1~0.4

7

粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨 -超精加工(或轮式超精磨)

IT5

0.012~0.1

( 或 R Z 0.1)

8

粗车 - 半精车 -精车 -精细车(金刚车)

IT6~7

0.025~0.4

主要用于要求较高的有色金属加工

9

粗车 - 半精车 - 粗磨 -精磨 -超精磨(或镜面磨)

IT5 以上

0.006~0.025

( 或 R Z 0.05)

极高精度的外圆加工

10

粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨 -研磨

IT5 以上

0.006~0.1

( 或 R Z 0.05)

确定某个表面的加工方案时,先由加工表面的技术要求(加工精度、表面粗糙度等)确定最终加工方法,然后根据此种加工方法的特点确定前道工序的加工方法,如此类推。但由于获得同一精度及表面粗糙度的加工方法可有若干种,实际选择时还应结合零件的结构、形状、尺寸大小及材料和热处理的要求全面考虑。

表 3-14 中序号 3 (粗车—半精车—精车)与序号 5 (粗车—半精车—磨)的两种加工方案能达到同样的精度等级。但当加工表面需淬硬时,最终加工方法只能采用磨削。如加工表面未经淬硬,则两种加工方案均可采用。若零件材料为有色金属,一般不宜采用磨削。

再如表 3-14 中序号 7 (粗车—半精车—粗磨—精磨—超精加工)与序号 10 (粗车—半精车—粗磨—精磨—研磨)两种加工方案也能达到同样的加工精度。当表面配合精度要求比较高时,终加工方法采用研磨较合适；当只需要求较小的表面粗糙度值,则采用超精加工较合适。但不管采用研磨还超精加工,其对加工表面的形状精度和位置精度改善均不显著,所以前道工序应采用精磨,使加工表面的位置精度和几何形状精度已达到技术要求。

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