如何加工轴类零件的支承轴颈？

1.概述

轴类零件是机器中的主要零件之一，它的主要功能是支承传动件（齿轮、带轮、离合器等）和传递转矩。常见的轴的种类如图3-20所示。

从轴类零件的结构特征来看，它们都是长度L大于直径d的旋转零件，若L/d≤12，通常称为刚性轴，而L/d＞12则称为挠性轴，其加工表面主要有内外圆柱面、内外圆锥面、螺纹、花键、沟槽等。

（1）轴类零件的技术要求

1）尺寸精度。轴类零件的支承轴颈一般与轴承配合，是轴类零件的主要表面，它影响轴的旋转精度与工作状态，通常对其尺寸精度要求较高，为IT5～IT7级。装配传动件的轴段尺寸精度为IT6～IT9级。

2）形状精度。轴类零件的形状精度主要是指支承轴颈的圆度、圆柱度、一般应将其限制在尺寸公差范围内，对精度要求高的轴，应在图样上标注其形状公差。

图3-20 轴的类型

a）光轴 b）空心轴 c）半轴 d）阶梯轴 e）花键轴 f）十字轴 g）偏心轴 h）曲轴 i）凸轮轴

3）位置精度。保证配合轴颈（装配传动件的轴段）相对支承轴颈（装配轴承的轴段）的同轴度或跳动量，是轴类零件位置精度的普通要求，它会影响传动件（齿轮等）的传动精度。普通精度轴的配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动，一般规定为0.01～0.03mm，高精度轴为0.001～0.005mm。

4）表面粗糙度。一般与传动件相配合的轴颈的表面粗糙度值为Ra2.5～0.63μm，与轴承相配合的支承轴颈的表面粗糙度值为Ra0.63～0.16μm。

（2）轴类零件的材料、毛坯及热处理

1）轴类零件的材料。轴类零件应根据不同工作条件和使用要求选用不同材料和不同的热处理，以获得一定的强度、韧性和耐磨性。

45钢是一般轴类零件常用的材料，经过调质处理后可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合力学性能，重要表面经局部淬火后再回火，表面硬度可达到45～52HRC。40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴，这类钢经调质和表面淬火处理后，具有较高的综合力学性能。轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn可制造较高精度的轴，这类钢经调质和表面高频感应加热淬火后再回火，表面硬度可达到50～58HRC，并具有较高的疲劳性能和耐磨性能。对于高转速、重载荷等条件下工作的轴，可选用20CrMoTi，20Mn2B等低碳合金钢或38CrMoAl中碳合金渗氮钢，低碳合金钢经正火和渗碳淬火处理后可获得很高的表面硬度较软的心部，因此冲击韧度好，但缺点是热处理变形较大；而对于渗氮钢，由于渗氮温度比淬火低，经调质和表面渗氮后，变形很小而硬度却很高，具有很好的耐磨性和疲劳强度。

2）轴类零件的毛坯。轴类零件最常用的毛坯是圆棒料和锻件，只有某些大型或结构复杂的轴（如曲轴），在质量允许时才采用锻件。由于毛坯经过加热锻造后，能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，可获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度，所以除光轴，直径相差不大的阶梯轴可使用热轧棒料或冷拉棒料外，一般比较重要的轴大都采用锻件，这样即可改善力学性能，又能节约材料，减少机械加工量。

根据生产规模的大小，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。自由锻设备简单，容易投产，但毛坯精度较差，加工余量大且不易锻造形状复杂的毛坯，所以多用于中小批量生产；模锻的毛坯制造精度高，加工余量小，生产率高，可以锻造形状复杂的毛坯，但模锻需昂贵的设备和专用锻模，所以只适用于大批量生产。

另外，对于一些大型轴类零件，例如低速船用柴油机曲轴，还可以采用组合毛坯，即将轴预先分成几段毛坯，经各自锻造加工后，再采用红套等过盈连接方法拼装成整体毛坯。

3）轴类零件的热处理。轴的质量除与所选钢材种类有关外，还与热处理有关。轴的锻造毛坯在机械加工之前，均需进行正火或退火处理（碳的质量分数大于0.7%的碳钢和合金钢），使钢材的晶粒细化（或球化），以消除锻造后的残余应力，降低毛坯硬度，改善切削加工性能。

凡要求局部表面淬火以提高耐磨性的轴，需在淬火前安排调质处理（有的采用正火）。当毛坯加工余量较大时，调质放在粗车之后，半精车之前，使粗加工产生的残余应力能在调质时消除；当毛坯余量较小时，调质可安排在粗车之前进行。表面淬火一般放在精加工之前，可保证淬火引起的局部变形在精加工中得到纠正。

对于精度要求较高的轴，在局部淬火和粗磨之后，还需安排低温时效处理，以消除淬火及磨削中产生的残余应力和残余奥氏体，控制尺寸稳定；对于整体淬火的精密主轴，在淬火、粗磨后，要经过较长时间的低温时效处理；对于精度更高的主轴，在淬火之后，还要进行定性处理，定性处理一般采用冰冷处理方法，以进一步消除加工应力，保持主轴精度。

2.轴类零件加工工艺过程与工艺分析

图3-21所示为磨床主轴零件简图，表3-1是主轴的生产工艺过程。对于磨床主轴，其主要表面的精度和表面质量要求较高，其工艺特点如下：

1）选择定位基准时，为了保证支承轴ϕ55mm与其他外圆的位置精度，全部以两个中心孔定位，符合基准统一原则；并且十分重视定位基准，其中心孔先后安排了三次研磨工序，使定位基面的精度逐次提高。

图3-21 磨床主轴

表3-1 主轴生产工艺过程

2）有要求表面的加工工序划分的很细，如支承轴颈ϕ55mm，表面经过粗车、半精车、粗磨、半粗磨、精磨、高精磨6道工序，可有效地确保主要轴颈的加工精度；并且在工序间还安排多次热处理，以减少加工中产生的残余应力。

3）两端M20螺纹的加工安排在精加工阶段中进行，一方面可避免过早地使主轴两端轴颈尺寸变小，降低工件刚度；另一方面，也是根据图样要求，车去螺纹外层经渗氮处理后留下的不需要的渗氮层。

4）采用渗氮层和渗氮热处理可减少热处理变形，获得很高的表面硬度900HV（相当于66HRC）。但渗氮前的调质处理非常严格，不仅要求调质后获得均匀细微的索氏体组织，而且要求距表面8～10mm层内的铁素体含量不得超过5%，铁素体在金相组织中呈点状均匀分布，否则会形成渗氮脆性，产生裂纹。为此，专门在调质后安排割试片送理化室作金相检查的工序，如果金相组织检验不合格，则退回热处理，对工件重新调质。

5）渗氮前主要轴颈的余量要求严格控制，粗磨后留余量0.04～0.06mm（公差仅0.02mm），如此高的留余量要求，主要是为了确保渗氮质量。这是因为渗氮层表面硬度梯度很大，渗氮后最外层表面硬度可达到72HRC；而距表面0.1mm层以下，硬度急剧下降至60HRC以下；经测定，在表面0.1mm层以内，硬度损失却很小，仅从72HRC变化至70HRC左右。因此，渗氮前严格控制余量小于0.1mm非常重要。

6）主轴检验时确保主轴加工质量的一个重要环节是除了工序间检验以外，在全部工序完成之后，应对主轴的尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度进行全面的检验，以便确定主轴是否达到各项技术要求，而且还可从检验的结果及时发现各道工序中存在的问题，以便纠正，监督工艺过程的正常进行。

检验的依据是主轴零件图。检验工作按一定的顺序进行，先检验各档外圆的尺寸精度，素线平行度和圆度，用外观比较法验证各表面的表面粗糙度及表面缺陷，然后在专用检验夹具上测量位置偏差。在成批生产时，若工艺过程比较稳定，且机床精度较好，有些项目常常采用抽检的办法，并不逐项检验。主要配合表面的硬度应在热处理车间检验。

图3-22表示某车床主轴的专用检验夹具及检验方法。在倾斜的夹具底座上固定着两个V形块及一个挡铁，主轴以支承颈在V形块上定位。在主轴小头的锥孔中装入一个锥形堵塞（堵塞上有中心孔），主轴因自重的作用通过堵塞、钢球顶在夹具的挡块上，达到轴向定位的目的。在主轴大端的锥孔中插入一根检验心轴，它的测量部分长300mm。按照检验要求在各有关位置上放置指示表，用手轻轻转动主轴，从指示表读数的变化即可测出各项误差，包括主轴锥孔及有关表面相对支承轴颈的径向圆跳动和轴向圆跳动误差。

为了消除检验心轴测量部分和圆锥体之间的同轴度误差，在测量主轴端及300mm处的圆跳动时，应将心轴转过180°插入主轴锥孔再测量一次，然后取两次读数的平均值，即可使心轴的同轴度误差互相抵消，不影响测量的结果。

锥孔的接触精度用专用锥度量规涂色检验，要求接触面积在70%以上，分布均匀且大端接触较“硬”，即锥度只允许偏小。这项检验应在检验锥度孔跳动之前进行。

图3-22 主轴的检验方法

1—挡铁 2、9—钢球 3、6—V形块 4—B面 5—指示表 7—A面 8—检验心轴

3.外圆表面的精加工与光整加工

外圆表面磨削是轴类零件精加工的主要方法，工序安排在最后。当外圆表面有更高要求时，还可增加光整加工工序。现在就外圆表面的磨削与光整加工方法叙述如下：

（1）外圆表面的磨削加工方法 随着科学技术的发展，产品、零件的精度要求越来越高，高强度、高硬度材料的广泛采用，使磨削加工的重要性显得更加突出，应用越来越广。磨削既能加工淬火的钢铁材料零件，也可以加工不淬火非铁金属以及超硬非金属零件（如玻璃、陶瓷、半导体材料、高温合金）等。常用的磨削加工方法有中心磨削法和无心磨削法。

（2）提高磨削生产率的方法 随着精密锻造，精密铸造，挤压成形等少、无切削加工越来越广泛的应用，毛坯的加工余量普遍减少，磨削加工所占的比重逐渐增大。因此提高磨削效率，降低磨削成本，已成为磨削加工中的重要问题之一。提高磨削效率大体有两条途径：一是缩短辅助时间，如自动装卸工件，自动测量，数字显示尺寸，砂轮自动修正及补偿，采用新的磨料，延长砂轮的寿命以减少修整次数；二是改变磨削用量以及增大磨削面积。例如：

1）高速磨削。它是指砂轮线速度高于50m/s的磨削加工。其特点是：生产效率高、能提高砂轮的使用寿命、降低工件表面粗糙度值。

2）深的切深、缓进给磨削。它是以很大的背吃刀量（可达2～12mm）和缓慢的进给速度进行磨削，也称为蠕动磨削或深磨。其特点是：生产效率高、砂轮与工件的冲击小，同时也减少了机床振动，能获得较高的表面质量。

3）砂带磨削。它是用涂满砂粒的环状布（即砂带）作为切削工具的一种加工方法，如图3-23所示。其特点是：所需设备简单，磨削性能好，能磨削复杂型面，但是加工精度低于砂轮磨削，不能加工小直径深孔及不通孔。

图3-23 砂带磨削

a）中心磨 b）无心磨 c）自由磨

1—工件 2—砂带 3—张紧轮 4—接触轮 5—导轮

4）宽砂轮磨削与多片砂轮磨削。它的实质就是增加砂轮的宽度，提高磨削生产率（普通砂轮宽度为50mm左右，磨削时需要增加纵向运动）。其磨削方法见图3-24a、图3-24b。

图3-24 宽砂轮与多片砂轮磨削

a）宽砂轮磨削 b）多片砂轮磨削

5）快速点磨削。图3-25a所示为传统外圆磨削，图3-25b所示为砂轮轴线相对工件轴线有一个微小的倾斜，形成砂轮与工件的点接触。点磨机床采用数控系统，配置薄片砂轮，特别适宜于复杂形状的曲轴、凸轮轴、传动轴、齿轮轴等的加工。点磨法的特点是：磨削效率高、不会发生磨削烧伤、砂轮驱动功率可以减小等。

（3）外圆表面的光整加工方法 精密磨床的砂轮主轴，其主轴支承轴颈的尺寸精度要求达到1μm，表面粗糙度值为Ra0.02～0.02μm。外圆表面的光整加工方法是提高表面质量的重要手段。其方法有：

1）高精度磨削。高精度磨削与一般磨削方法相同，但需要特别软的砂轮和较小的磨削用量。例如采用树脂或橡胶作为砂轮结合剂，并加入一定量的石墨作填料。

图3-25 普通磨削与点磨削

a）传统外圆磨削 b）点磨法

高精度磨削特点是能够修正上道工序留下的形状误差和位置误差，生产效率高，可配备自动测量仪，但对机床本身精度要求也很高，机床回转精度与振幅须在0.001mm以下，进给机构不能有低速“爬行”现象。

图3-26 超精加工

2）超精加工。超精加工原理如图3-26所示，它是将细粒度的磨石以一定的压力压在工作表面，加工时工件低速转动，磨头轴向进给，磨石高速往复移动，此三种运动使磨粒在工件表面上形成复杂运动轨迹，以完成对工件表面的切削作用，故其实质就是低速微量磨削。

超精加工切削过程分为四个阶段：强烈切削阶段、正常切削阶段、微弱切削阶段、自动停止切削阶段。超精加工特点是：加工时发热量小，可得到表面粗糙度值为Ra0.08～0.01μm，这种加工方法不能纠正工件的圆度与同轴度误差（依靠前道工序保证）。

3）研磨。研磨原理与研具如图3-27所示，研磨套在一定压力下与工件作复杂的相对运动，工件缓慢转动，带动磨料对工件表面起切削作用。

研磨特点是：研磨一般都在低速下进行，研磨过程的塑性变形小，切削热少，可获得较小的表面粗糙度值（Ra0.16～0.01μm）；研磨可提高表面形状精度与尺寸精度，但是一般不能提高表面位置精度。研磨方法简单，对加工设备要求的精度不高，不仅可以加工金属，而且也可加工非金属，如光学玻璃、陶瓷、半导体、塑料等。

图3-27 研磨原理与研具

a）外圆研磨示意 b）外圆柱面研具

1—工件 2—研具 3—开口可调研磨环 4—三点式研具

4）珩磨。外圆珩磨如图3-28所示。图3-28a所示为双轮珩磨示意图，珩磨轮相对工件轴心线倾斜一定的角度，并以一定的压力从相对的方向压向工件表面，工件（或珩磨轮）作轴向往复运动。在工件转动时，因摩擦力带动珩磨轮旋转，并产生相对滑动，起微量切削作用，它是类似于超精加工的方法。

图3-28 外圆珩磨

a）双轮珩磨 b）无心珩磨 c）在两顶尖上珩磨

1—珩磨轮 2—工件 3—托架 4—导轮

图3-28b所示为无心珩磨示意图。这是在无心磨基础上发展起来的一种新型珩磨方式。对置的珩磨轮1和导轮4，与工件2的轴线倾斜一个角度，它们起两个作用——工件的进给和珩磨。由于径向和轴向切削分力互相平衡，故可保证工件以均匀的进给速度v_f平稳移动，提高已加工表面的精度。这种无心珩磨的生产率相当于外圆磨，表面质量相当于研磨，可实现超精珩磨加工。

图3-28c所示为在两顶端尖上高速珩磨的示意图。当工件表面线速度v_w提高到珩磨轮线速度v_t时，若两者逆向回转，切削速度v_c将是珩磨轮速度v_t的两倍。这种珩磨方式可降低单位能耗和发热量，延长珩磨轮的寿命。

珩磨特点是：设备要求简单，加工表面的粗糙度值可达到Ra0.04～0.01μm，但不适用于带肩轴类零件和锥形表面，不能纠正上道工序留下的形状误差和位置误差。

5）滚压加工。滚压加工原理如图3-29所示。采用硬度比工件高的滚轮（图3-29a）或滚珠（图3-29b），对半精加工后的零件表面加压，使受压点产生塑性变形，工件表面上原有的波峰被填充到相邻的波谷中去（图3-29c），其结果不但能降低表面粗糙度值，而且使表面的金属结构和性能发生变化，表面留下残余压应力。另外，表面层强度极限和屈服强度增大，显微硬度提高使零件疲劳强度，耐磨性和耐腐蚀性都有显著改善。

图3-29 滚压加工

a）滚轮 b）滚珠 c）辗光时表面的形成

滚压加工特点是：生产效率高，要求前道工序加工的表面粗糙度值不大于Ra5μm，直径方向上留下余量0.02～0.03mm；滚压前表面要清洁，滚压加工不能纠正上道工序留下的形状误差和位置误差；适用于材料组织均匀的塑性金属零件。