外圆表面的加工方法和加工方案

dannytsai

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。
7 d; {+ C' i8 j7 b( n! X; j0 k　　一、外圆表面的车削加工
* u; T0 q- K' s: c$ q3 G, M　　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。
% @! {' l# u' a　　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 。
0 P) {  K! |3 t8 Y* @8 C' b5 U6 N　　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。
9 ]  a# G+ C* P) ^* [* D9 s　　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。
" p6 u+ _5 ?% D, L' J' X　　（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 W5 b3 I+ Y. f" |; f! D　　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。

  F7 Y, C! H% P) Y/ ~0 _) Y　　（二）无心磨削
2 D3 ~/ }. ?- |* W# _6 z( ]　　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。
( _' g4 }- ^- y9 N　　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
) I: ]8 r# u1 R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 。
. I- I( D: o0 S 　　
# B: x! \" d1 ], L9 x* A　　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：
6 z- [9 @  o% k% \5 K　　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。
' `7 |  r, ^- Z! G* ?　　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。
0 J3 l# C" y$ z/ ^" a　　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 ° 。
2 p/ ?4 H- ?! x* P$ U0 v) A　　无心磨削时，工件尺寸精度可达 IT6-IT7 ，表面粗糙度 Ra0.8-0.2um.
. j$ p/ |1 I7 h; g* C% H2 ^. f& [　　（三）外圆磨削的质量分析
& D6 |7 r8 O& D! S+ b7 x9 o7 v/ M　　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：
; t% {) M% _* q5 x4 }* l　　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。
( `* `7 Z# N, ^) c+ e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。
. w- Y) b1 l! C* z% W% }) e* R& b  I6 z
　　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。
9 M( v% d- S  q+ C 　　　　
　　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。
% ~* V! R: j# c  R' y& k) M+ f　　4 ．烧伤 可分为螺旋形烧伤和点烧伤，如图 6-9 所示。
- }1 B1 `6 |$ r　　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
: h/ v+ N& v* O1 K: Z　　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

9 C0 E) f/ }' U% i　　　　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）。
7 T' E7 p, p# \. [( |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。
$ r2 ?/ q7 J- T7 |

　　（二）超精加工
- [& I' }: J8 k: u7 \5 `! B　　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：
3 j( J! G* s1 q; F* H　　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。
& m: C8 ]* e, X2 V　　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。
, ~/ X2 l8 k& a; U1 q' D* r8 G　　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。
6 D) o+ U. O* `' c1 [$ z6 q: s3 E　　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。
( T9 A' b5 q0 f, A& `　　（三）研磨
5 k. p; G" a: _! h" e9 r2 m" C　　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。
' H4 k3 Q, ]" O) u. D. M　　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。
! {  T. G. F- R  C- g! V6 p! g7 Q　　（四）滚压加工
% v  B2 @8 z* j" x  \4 k8 y4 c2 H　　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。
1 K5 v% \. M4 n( S　　图 6-12 为滚压加工示意图。滚压加工有如下特点：
. L% M9 c, L+ h3 U
　　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 。
4 {6 H: j; |: `　　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
- G% M, h/ U1 g　　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。
5 T! G  a8 A# t) u表3-14  外圆柱面加工方法
序号
$ R5 Y* t' V0 Y4 G. _加工方法
经济精度
( 公差等级表示 )
经济粗糙度值
% I( [. P# L% A' rRa ／ 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
4 q/ O2 u- v4 C% Y$ w" C( X, L+ ]2
# q5 |+ Y' _. t: j4 k  ]粗车 - 半精车
! W8 g8 H: R& U8 b) ?; x* Z; xIT11~10
3.2~6.3
2 g/ {. c/ Q- e& y; y& b/ l3
粗车 - 半精车 - 精车
IT7~8
9 B' z* W$ R3 M( m0.8~1.6
( \( M, [. g9 h; T% d! _# _! b) T. A4
) V5 W. ?$ R/ K5 s9 }' U粗车 - 半精车 - 精车 -滚压（或抛光）
IT7~8
# X5 A+ s, g; r7 p/ y- O& \0.25~0.2
5
( N4 @. b0 z8 ^% I4 A粗车 - 半精车 -磨削
IT7~8
0.4~0.8
1 d& J' X' O/ n8 L3 T$ k" F主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢，但不宜加工有色金属
. z4 V1 Y. {1 X4 ~* }  m# s/ p6
" f, C' q# k9 ]0 m6 }+ e粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨
IT6~7
0.1~0.4
+ a6 j: j; u" O+ ~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)
* R4 G! L/ c% n8
粗车 - 半精车 -精车 -精细车（金刚车）
IT6~7
0.025~0.4
) m4 s7 h) s3 H/ @7 J/ ^主要用于要求较高的有色金属加工
$ Y5 ^( y4 M$ Q0 X$ ^9
粗车 - 半精车 - 粗磨 -精磨 -超精磨（或镜面磨）
IT5 以上
; D( N4 d2 ~0 {. ?! W0.006~0.025
( 或 R Z 0.05)
极高精度的外圆加工
10
- l: @8 P# W, ], h& R5 n( z) ^粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨 -研磨
% v4 _( t% d" B) e' u6 eIT5 以上
/ }* p) @) P. n+ `3 F2 d9 n0.006~0.1
( 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。
文章关键词： 车削加工