第三章 常见表面加工方法 组成零件的各种典型表面,如外圆面、孔、平面、螺 纹面、齿轮齿面、成形面等,不仅有一定的形状和尺寸, 而且还有一定的技术要求,如尺寸精度、形状和位置精度、 表面质量等。因而工件表面的加工过程,也就是逐步实现 符合技术要求的过程。 加工方法和工艺的选配都应遵循下两个基本原则: (1)粗、精加工要分开。粗加工是切除大部分赘余的 材料,为精加工准备好条件;精加工则是获得符合技术要 求的表面。 (2)要组合采用多种不同的加工方法。 第一节 外圆面加工 第二节 孔加工 第三节 平面加工 第四节 螺纹加工 第五节 齿轮齿形加工 第六节 成形面加工 第一节 外圆面加工 外圆面是轴、圆盘、套筒类零件的主要或辅助表面, 在零件的切削加工中占有很大的比重。 对外圆提出的技术要求,主要有: 尺寸精度:外圆面直径和长度尺寸精度; 形状精度:圆度、轴线的直线度和圆柱度等; 位置精度:与其它外圆表面(或孔)之间的同轴度、与规 定平面间的垂直度等; 表面质量:表面粗糙度等。 外圆面的主要加工方法有车削、磨削、研磨、超精加 工、抛光等。 一、车削 1、车削方法 车削外圆面视频 机动进给车削外圆面与平面视频 车削是外圆面加工的主要方法,可在不同类型车床上 进行。 单件小批生产中,各种轴、盘、套等类的中小型零件, 多在卧式车床上加工; 生产率要求高的中小型零件,可选用数控车床加工; 大型圆盘类零件(如火车轮、大型齿轮等),多用立 式车床加工; 成批或大批生产中小型轴、套类件则广泛使用多刀半 自动车床及自动车床进行加工。 由于车刀的几何角度不同和切削用量不同,车削可以 获得不同的精度和表面粗糙度,所以,车削外圆可分为粗 车、半精车、精车和精细车。 粗车对加工质量无太高的要求,提高生产率是主要 的。一般多使用切削部分强度高的外圆车刀,以较大的 切削深度、较大的进给量和较低的切削速度,尽快地从 毛坯上切去大部分多余的金属层。 半精车的目的是提高精度和减小表面粗糙度Ra值, 可作为中等精度外圆的终加工,也可作为精加工外圆前 的预加工。半精车的切削深度和进给量较粗车时小。 精车的主要目的是保证零件所要求的精度和表面 粗糙度。一般以较小的切削深度、较小的进给量、高 速或低速进行精车。 精细车一般适合技术要求高的有色金属零件的加 工,是代替磨削的光整加工。精细车所用机床应有很 高的精度和刚度,多使带切削部分经仔细刃磨的金刚 石 车 刀 。 车 削 时 采 用 小 的 切 削 深 度 ( ap≤0.03mm~0.05mm ) 、 小 的 进 给 量 ( f=0.02mm/r~0.2mm/r ) 和 高 的 切 削 速 度 (vc>2.6m/s)。 2、车削外圆的工艺特点 ① 容易保证零件各加工面的位置精度。车削时,工件上各表面具有同 一个回转轴线。一次装夹中车出外圆、内孔、端平面、沟槽等。能保 证各外圆轴线之间及外圆与内孔轴线间的同轴度要求,保证外圆轴线 与端面的垂直度等。 ② 生产率较高。车削的切削过程大多是连续的,切削面积不变,切削 力变化很小,切削过程比刨削和铣削平稳,常可采用高速切削和强力 切削,生产率较高,车削加工既适宜单件小批生产,也适宜大批大量 生产。 ③ 生产成本较低。车刀是刀具中最简单的一种,制造、刃磨和安装均 很方便,故刀具费用低,车床附件多,装夹及调整时间较短,加之切 削生产率高,故车削成本较低。 ④ 适于车削加工的材料广泛。除难以切削30HRC以上硬度高的淬火 钢件外,可以车削黑色金属、有色金属及非金属材料,特别适合有色 金属零件的精加工。 二、磨削 磨削是外圆面精加工的主要方法,多作为半精车 外圆后的精加工工序。对精密铸造、精密模锻、精密 冷轧的毛坯,因加工余量小,也可不经车削,直接磨 削加工。 由于砂轮粒度及采用的磨削用量不同,磨削外圆 的精度和表面粗糙度也不同。磨削可分粗磨和精磨。 磨外圆视频 1、磨削方法 外圆磨削多在外圆磨床上进行。外圆磨削可采用纵 磨法、横磨法或深磨法,也可在无心磨床上进行无心外 圆磨削。 ① 纵磨法 磨削时砂轮高速旋转为主运动,工件旋转为圆周进 给,工件直线往复运动为纵向进给。每一往复行程终了 时,砂轮作周期性横向进给(磨削深度)。每次的磨削 深度很小,经多次横向进给磨去全部磨削余量。 纵磨法的精度较高,表面粗糙度较小。此外,用一个 砂轮可以加工不同长度的外圆面,但生产率较低,故广 泛用于单件小批生产,特别适于细长轴的精磨。 视频 图 纵磨法 ② 横磨法 磨削时工件不作纵向往复运动,而由砂轮作慢速的横 向进给,直到磨去全部磨削余量。 这种方法生产率高,但由于砂轮与工件接触面大,磨 削力大,发热量多,磨削温度高,工件易发生变形和烧伤。 同时砂轮的修整精度以及砂轮的磨钝情况,均直接影响到 工件的尺寸精度和形状精度,所以横磨法适宜用于成批、 大量生产中,加工精度较低、刚性较好的工件。 图 横磨法 ③ 深磨法 工件的运动与纵磨法相同,但在一次走刀中磨去全部 余量,因此砂轮不需作横向进给运动,磨削深度可达0.10.35mm。纵向进给量较小,一般f=l-2mm/ r,约为纵磨 法的15%。 深磨法生产率高,适宜于磨削刚性大的短轴。 图5-13 深磨法 ④ 无心外圆磨削 无心外圆磨视频 无心外圆磨削是一种生产率很高的精加工方法。工件置于磨轮和 导轮之间,靠托板支承。由于不用顶尖支承,所以称为无心磨削。工 件用外圆柱面自身定位,其中心略高于磨轮与导轮中心连线。磨削时, 磨轮以一般的磨削速度(v轮=30~40m/s)旋转,导轮以较低的速度同向 旋转(v导=0.16~0.5m/s)。由于导轮是用橡胶结合剂做的,磨粒较粗, 工件与导轮之间摩擦较大,所以工件由导轮带动旋转。导轮轴线相对 于工件倾斜一角度(α =1~5),故导轮和工件接触点的线速度可以分 解为两个分量v工和v通。v工为工件旋转速度,即圆周进给速度。v通为工 件轴向移动速度,即纵向进给速度。v通使工件沿轴向作自动进给。 图5-14 无心外圆磨削示意图 1一工件;2—磨轮 3—托板 4—导轮 2、外圆磨削的特点 ① 可以较容易地达到高精度和小的表面粗糙度,同时 形位公差还可以达到较高的要求。其主要原因是:磨床的 结构刚性好;砂轮切入运动机构可以精密调节,所以可精 密控制切削深度ap;同时砂轮的磨粒锐利、微细、分布稠 密并作高速旋转,每一个磨粒仅从工件表面切下极薄的一 层切屑,因而在工作表面留下的残留面积小。 ② 由于砂轮的磨料硬度和耐热性都高,所以磨削既可 以加工未经淬火的钢件和铸铁件,也可以加工金属刀具难 以切削的淬火钢和硬质合金等材料。但对于塑性较大、硬 度较低的材料(如铜、铝等有色金属),由于其切屑容易 嵌塞砂轮,一般不适于磨削,常用精车和精细车代替。 ③ 磨削温度高。磨削时,砂轮表面的磨粒在高速下切 削金属,因此金属变形速度很高,磨削区的温度很高, 瞬时温度可达100℃左右。磨削的高温使工件表面容易 产生烧伤,使金相组织发生变化,表面硬度降低。对于 导热性差的材料,磨削的高温容易在工件内部与表层之 间产生很大的温度差,使工件表层产生残余应力。当残 余应力超过材料的强度极限时,会产生很细的表面裂纹, 降低了表面质量。 为了减少磨削高温对加工质量的影响,在磨削过程 中应采用大量的切削液。切削液不仅可以降低磨削温度, 而且可以冲走细碎的切屑以及碎裂和脱落的磨粒,减小 砂轮与工件表面的摩擦,从而减小工件的表面粗糙度和 提高砂轮的耐用度。 三、研磨 研磨是用研磨工具和研磨剂,从工件上研去一 层极薄表面层的精加工方法。 1、研磨方法 研磨的基本原理是研具以一定的压力作用于 工件表面,二者间作复杂的相对运动,靠研磨剂 的机械及化学作用,从工件表面切除一层极微薄 的金属层。从而获得高精度和低的表面粗糙度值。 研磨分手工研磨和机械研磨两种方法。 手工研磨是操作者手持研具或工件进行研磨的方法, 所用研具为研磨环。研磨时,将弹性研磨环套在工件上, 并在研磨环与工件之间涂上研磨剂,调整螺钉使研磨环 对工件表面形成一定的压力。工件装夹在前后顶尖中, 以低速旋转(20m/min~30m/min),同时手握研磨环 作轴向往复移动,并经常检测工件,直至合格为止。手 工研磨生产率低,只适用于单件小批生产。 图5-15 手工研磨外圆 机械研磨在专用研磨机床上进行。下图是研磨小件外圆 用的研磨机,研具由上下两块铸铁研磨盘5、2组成,二者可 同向或反向旋转。下研磨盘与机床转轴刚性联接,上研磨盘 与悬臂轴6活动铰接,可按照下研磨盘自动调位,以保证压 力均匀。在上下研磨盘之间有一个与偏心轴1相联的分隔盘4, 其上开有安置工件的长槽,槽与分隔盘径向倾斜角为γ 。当 研磨盘转动时,分隔盘由偏心轴带动作偏心转动,工件3既 可在槽内自由转动,又可因分隔盘的偏心而作轴向滑动,因 而其表面形成网状轨迹 。从而保证从工件表面切除均匀的 加工余量。悬臂轴可向两旁摆动,以便装夹工件。 机械研磨生产率高,适合大批大量生产。 图 研磨机工作示意图 1一偏心轴 2下研磨盘 3一工件 4一分隔盘 5上研磨盘 6一悬臂 轴 研磨所用研具的材料应比工件材料软,以便磨料 部分嵌入研具表面,对工件表面进行切削和挤压摩擦。 研具材料还应组织均匀,具有耐磨性,以使其磨损均 匀,保持原有几何形状精度。 铸铁是最常用的研具材料,适合加工各种材料的 工件,并能保证较好的研磨质量和生产效率,制造容 易,成本也低。此外,还可以用软钢、黄铜、塑料及 硬木等制造研具。 对有精密配合要求的两个零件,如柱塞泵的柱塞 与泵体、液压阀心与阀套、发动机的气门与气门座等, 往往采用两个零件互为研具,用配研的方法达到配合 精度要求。 2、研磨的工艺特点 ① 方法简便。研磨除可在专用研磨机床上进行外,也可在 改装后的通用机床上研磨。设备和研具均简单。 ② 研磨质量高。因研磨的切削力小、切削热少,所以可提 高尺寸、形状精度,降低表面粗糙度值。但不能纠正位置 误差。 ③ 研磨工件材料广泛。可加工钢件、铸铁件、铜、铝等有 色金属件和高硬度的淬火钢件、硬质合金及半导体元件、 陶瓷元件等。 ④ 金属切除率低。研磨对工件进行的是微量切削,前道工 序为研磨留的余量,一般不超过0.01mm~0.03mm。 四、超精加工 1、加工方法 超精加工是用细粒度的磨具对工件施加很小的压力, 并作往复振动和慢速纵向进给运动,以实现微量磨削的一 种光整加工方法,见下图,加工时,工件以0.lm/s~0.5m/s低 速回转,磨头除了以1mm/r的进给量沿工件轴线作缓慢的 进给运动外,还以8s-1、~33s-1的频率和lmm~5mm的振幅作 往复振动。由于磨头与工件间的这种运动关系,使磨粒在 工件表面形成密集的网状轨迹,从而获得良好的表面质量。 图 超精加工外圆 2、超精加工工艺特点 ① 设备简单、操作方便。超精加工除可以在 专门机床上进行外,也可以在改装的卧式车床上进 行。 ② 生产率较高。因超精加工只是切去工件表 面的微观凸峰,加工时间很短,一般约为30s-60s。 ③ 表面粗糙度值小。因超精加工的工件表面 呈 现 交 叉 致 密 的 网 纹 、 使 表 面 粗 糙 度 Ra 值 可 达 0.1~0.08μ m。但超精加工不能提高工件的尺寸精 度和形位精度,所以前道工序不留加工余量。 五、抛光 1、抛光方法 抛光是利用机械、化学或电化学的作用,使工件获 得光亮、平整表面的加工方法。 抛光轮用棉织品、皮革、毛毡、橡胶或压制纸板等 材料叠制而成;是具有一定弹性的软轮。抛光膏由磨料 和油脂(硬脂酸、石蜡、煤油)调制而成。 抛光时,由于工件表面与抛光膏的化学作用而形成 一层极薄的软化氧化膜,其中的磨料一般比工件材料软, 因此,工件表面不留划痕。另外,高速抛光产生的高温, 使工件表面出现极薄的熔流层,工件表面的微观凹谷被 其填平。 2、抛光工艺特点 ① 方法简便、成本低。抛光一般不用复杂、特殊设备, 加工方法简单,成本低。 ② 适宜曲面的加工。由于弹性的抛光轮压于工件曲面 时,能随工件曲面而变形,也即与曲面相吻合,所以 容易实现曲面的抛光。 ③ 不能提高加工精度。由于抛光轮与工件间无刚性的 运动联系,又因抛光轮的弹性,所以不能保证从工件 表面去除均匀的材料,而只能减小表面粗糙度值,不 能提高加工精度。所以抛光仅限于某些制品表面的装 饰加工,或者作为产品电镀前的预加工。 六、外圆面典型加工方案 粗 车 IT12~IT11 Ra50~12.5 半精车 IT10~IT9 Ra6.3~3.2 精 车 IT8~IT7 Ra1.6~0.8 粗 磨 IT8~IT7 Ra1.6~0.8 精 车 IT8~IT7 Ra1.6~0.8 精 磨 IT6 Ra0.4~0.2 粗细车 IT6~IT5 Ra0.8~0.2 超精加工 IT6~IT5 Ra0.1~0.01 研 磨 IT6~IT5 Ra0.1~0.01 精细磨 IT6~IT5 Ra0.1~0.01 外圆表面加工方案的说明 1、加工淬火钢件的外圆面 粗车→半精车→(淬火) →磨削→研磨 2、加工不淬火钢件和铸铁件的外圆面 (1)先车后磨:粗车→半精车→磨削 (2)粗车→半精车→精车 ①单件小批加工盘套类零件。 ②加工短轴销的外圆。 ③加工外圆磨床上难以装夹和磨削零件的外圆。 3、加工有色金属材料的外圆面(易堵塞砂轮,不宜磨削) 粗车→半精车→精车→精细车