轴类零件是回转体零件，一般来说其长度大于直径。轴类零件的主要加工表面是内、外旋转表面，次要表面有键槽、花键、螺纹和横向孔等。轴类零件按结构形状可分为光轴、阶梯轴、空心轴和异型轴（如曲轴、凸轮轴、偏心轴等），按长径比（l/d）又可分为刚性轴（l/d≤12）和挠性轴（l/d＞12）。其中，以刚性光轴和阶梯轴工艺性较好。
2.轴类零件的技术要求
（1）尺寸精度。尺寸精度包括直径尺寸精度和长度尺寸精度。精密轴颈为IT5级，重要轴颈为IT6～IT8级，一般轴颈为IT9级。轴向尺寸一般要求较低。
（2）相互位置精度。相互位置精度，主要指装配传动件的轴颈相对于支承轴颈的同轴度及端面对轴心线的垂直度等。通常用径向圆跳动来标注。普通精度轴的径向圆跳动为0.01～0.03㎜，高精度的轴径向圆跳动通常为0.005～0.01㎜。
（3）几何形状精度。几何形状精度主要指轴颈的圆度、圆柱度，一般应符合包容原则（即形状误差包容在直径公差范围内）。当几何形状精度要求较高时，零件图上应单独注出规定允许的偏差。
（4）表面粗糙度。轴类零件的表面粗糙度和尺寸精度应与表面工作要求相适应。通常支承轴颈的表面粗糙度值Ra为3.2～0.4μm,配合轴颈的表面粗糙度值Ra为0.8～0.1μm。
3.轴类零件的材料与热处理
轴类零件应根据不同的工作情况，选择不同的材料和热处理规范。一般轴类零件常用中碳钢，如45钢，经正火、调质及部分表面淬火等热处理，得到所要求的强度、韧性和硬度。对中等精度而
转速较高的轴类零件，一般选用合金钢（如40Cr等），经过调质和表面淬火处理，使其具有较高的综合力学性能。对在高转速、重载荷等条件下工作的轴类零件，可选用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金钢，经渗碳淬火处理后，具有很高的表面硬度，心部则获得较高的强度和韧性。对高精度和高转速的轴，可选用38CrMoAl钢，其热处理变形较小，经调质和表面渗氮处理，达到很高的心部强度和表面硬度，从而获得优良的耐磨性和耐疲劳性。
4.轴类零件的毛坯
图3－1CA6140车床主轴简图
轴类领件的毛坯常采用棒料、锻件和铸件等毛坯形式。一般光轴或外圆直径相差不大的阶梯轴采用棒料，对外圆直径相差较大或较重要的轴常采用锻件；对某些大型的或结构复杂的轴（如曲轴）可采用铸件
3.1.2车床主轴加工工艺分析
1.车床主轴技术条件的分析
图3－1所示为CA6140车床的主轴简图。
①主轴支轴承颈的技术要求。
主轴的支轴承颈是主轴的装配基准，它的制造精度直接影响主轴的回转精度，主轴上各重要表面均以支轴承颈为设计基准，有严格的位置要求。
支轴承颈为了使轴承内圈能涨大以便调整轴承间隙，故采用锥面结构。轴承内圈是薄壁零件，装配时轴颈上的形状误差会反映到内圈的滚道上，影响主轴回转精度，故必须涂色检查接触面积，严格控制轴颈形状误差。
②主轴工作表面的技术要求
车床主轴锥孔是用来安装顶尖或刀具锥柄的，前端圆锥面和端面是安装卡盘或花盘的。这些安装夹具或刀
轴类零件是机械零件中的关键零件之一，主要用以传递旋转运动和扭矩，支撑传动零件并承受载荷，而且是保证装在轴上零件回转精度的基础。
具的定心表面均是主轴的工作表面。对于它们的要求有：内外锥面的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度和接触精度；定心表面相对于支承轴颈A-B轴心线的同轴度；定位端面D相对于支承轴颈A-B轴心线的跳动等。它们的误差会造成夹具或刀具的安装误差，从而影响工件的加工精度。图3－2表示不同情况下安装误差的影响。
图3－2安装误差对加工精度的影响
a）卡盘安装偏心b）莫氏锥孔和支承轴颈不同轴c）定心表面倾斜于回转中心线
O—O定位面轴心线O1—O1实际回转中心线
当主轴轴端外锥相对于支承轴颈不同轴时（图3－2a），会使卡盘产生安装偏心；主轴的莫氏锥度相对于支承轴颈表面的同轴度误差也会使前后顶尖形成的轴心线与实际的回转轴心线偏离（图3－2b）。此外主轴端部定心表面轴心线对支承轴颈表面的轴心线倾斜，会造成安装在定心表面上的夹具及工件或刀具和回转中心不同轴，而且离轴端愈远，同轴度误差值愈大（图3－2c）。因此在机床精度检验标准中，规定了近主轴端部和离轴端300mm处的圆跳动误差。
③空套齿轮轴颈的技术要求
空套齿轮轴颈是主轴与齿轮孔相配合的表面，它对支轴承颈应有一定的同轴度要求，否则会引起主轴传动齿轮啮合不良。当主轴转速很高时，还会产生震动和噪声，使工件外圆产生振纹，尤其在精车是，这种影响更为明显。
空套齿轮轴颈对支轴承颈A－B的径向跳动允差为0.015mm。
④螺纹的技术要求
主轴上的螺纹一般用来固定零件或调整轴承间隙。螺纹的精度要求是限制压紧螺母端面跳动量所必须的。如果压紧螺母端面跳动量过大，在压紧滚动轴承的过程中，会造成轴承内环轴心线的倾斜，引起主轴的径向跳动（在一定条件下，甚至会使主轴产生弯曲变形），不但影响加工精度，而且影响到轴承的使用寿命。因此主轴螺纹的精度一般为6h；其轴心线与支承轴颈轴心线Ａ－Ｂ的同轴度允差为f0.025mm。
⑤主轴各表面的表面质量要求
所有机床主轴的支承轴颈表面、工作表面及其它配合表面都受到不同程度的摩擦作用。在滑动轴承配合中，轴颈与轴瓦发生摩擦，要求轴颈表面有较高的耐磨性。在采用滚动轴承时摩擦转移给轴承环和滚动体，轴颈可以不要求很高的耐磨性，但仍要求适当地提高其硬度，以改善它的装配工艺性和装配精度。
定心表面（内外锥面、圆柱面、法兰圆锥等）因相配件（顶尖、卡盘等）需经常拆卸，表面容易产生碰伤和拉毛，影响接触精度，所以也必须有一定的耐磨性。当表面硬度HRC45以上时，拉毛现象可大大改善。主轴表面的粗糙度Ra值在0.8～0.2mm之间。
2.车床主轴的机械加工工艺过程
经过对车床主轴结构特点、技术条件的分析，即可根据生产批量、设备条件等编制主轴的工艺规程。编制过程中应着重考虑主要表面（如支轴颈、锥孔、短锥及端面等）和加工比较困难的表面（如深孔）的工艺措施。从而正确地选择定位基准，合理安排工序。
CA6140车床主轴成批生产的工艺过程如表3－1所示。
3.车床主轴加工工艺过程分析
⑴主轴毛坯的制造方法
毛坯的制造方法根据使用要求和生产类型而定。
毛坯形式有棒料和锻件两种。前者适于单件小批生产，尤其适用于光滑轴和外圆直径相差不大的阶梯轴，对于直径较大的阶梯轴则往往采用锻件。锻件还可获得较高的抗拉、抗弯和抗扭强度。单件小批生产一般采用自由锻，批量生产则采用模锻件，大批量生产时若采用带有贯穿孔的无缝钢管毛坯，能大大节省材料和机械加工量。
⑵主轴的材料和热处理
主轴常用材料及热处理见表3－2。45钢是普通机床主轴的常用材料，淬透性比合金钢差，淬火后变形较大，加工后尺寸稳定性也较差，要求较高的主轴则采用合金钢材料为宜。
选则合适的材料并在整个加工过程中安排足够和合理的热处理工序，对于保证主轴的力学性能、精度要求和改善其切削加工性能非常重要。车床主轴的热处理主要包括：
①毛坯热处理
车床主轴的毛坯热处理一般采用正火，其目的是消除锻造应力，细化晶粒，并使金属组织均匀，以利于切削加工。
②预备热处理
表3－1CA6140主轴加工工艺过程
在粗加工之后半精加工之前，安排调质处理，目的是获得均匀细密的回火索氏体组织，提高其综合力学性能，同时，细密的索氏体金相组织有利于零件精加工后获得光洁的表面。
③最终热处理
主轴的某些重要表面（如f90g5轴颈、锥孔及外锥等）需经高频淬火。最终热处理一般安排在半精加工之后，精加工之前，局部淬火产生的变形在最终精加工时得以纠正。
精密要求高的主轴，在淬火回火后还要进行定性处理。定性处理的目的是消除加工的内应力，提高主轴的尺寸稳定性，使它能长期保持精度。定性处理是在精加工之后进行的，如低温人工时效或水冷处理。
表3-2主轴材料及热处理
主轴种类
材料
预备性热处理方法
最终热处理方法
表面硬度
车床、铣床主轴
45钢
正火或调质
局部淬火后回火
45-52HRC
外圆磨床砂轮轴
65Mn
调质
高频淬火后回火
50-58HRC
专用车床主轴
40Cr
52-56HRC
齿轮磨床主轴
20CrMnTi
正火
渗碳淬火
58-63HRC
卧式镗床主轴
精密外圆磨床砂轮轴
38CrMoAlA
消除内应力处理
渗氮
65HRC以上
⑶加工阶段的划分
主轴加工过程中的各加工工序和热处理工序均会不同程度地产生加工误差和应力。为了保证加工质量，稳定加工精度，CA6140车床主轴加工基本上划分为下列三个阶段。
①粗加工阶段
Ⅰ毛坯处理：毛坯备料、锻造和正火（工序1～3）。
Ⅱ粗加工：锯去多余部分，铣端面、钻中心孔和荒车外圆等（工序4、5）
这一阶段的主要目的是：用大的切削用量切除大部分余量，把毛坯加工到接近工件的最终形状和尺寸，只留下少量的加工余量。通过这阶段还可以及时发现锻件裂纹等缺陷，采取相应措施。
②半精加工阶段
Ⅰ半精加工前热处理：对于45钢一般采用调质处理，达到220～240HBS（工序6）。
Ⅱ半精加工：车工艺锥面（定位锥孔）、半精车外圆端面和钻深孔等（工序7～12）。
这个阶段的主要目的是：为精加工作好准备，尤其为精加工作好基面准备。对于一些要求不高的表面，如大端端面各孔，在这个阶段加工到图样规定的要求。
③精加工阶段
Ⅰ精加工前热处理：局部高频淬火（工序13）。
Ⅱ精加工前各种加工：粗磨定位锥面、粗磨外圆、铣键槽和花键槽，以及车螺纹等（工序14～19）。
Ⅲ精加工：精磨外圆和两处1：12外锥面及莫氏6号内锥孔，从而保证主轴最重要表面的精度（工序20～23）。
这一阶段的目的是：把各表面都加工到图样规定的要求。
粗加工、半精加工、精加工阶段的划分大体以热处理为界。
由此可见，整个主轴加工的工艺过程，就是以主要表面（支承轴颈、锥孔）的粗加工、半精加工和精加工为主，适当插入其它表面的加工工序而组成的。这就说明，加工阶段的划分起主导作用的是工件的精度要求。对于一般精度的机床主轴，精磨是最终机械加工工序。对精密机床的主轴，还要增加光整加工阶段，以求获得更高的尺寸精度和更低的表面粗糙度。
⑷工序顺序的安排
由表3－1可见，主轴的工艺路线安排大体如下：毛坯制造——正火——车端面钻中心孔——粗车——调质——半精车表面淬火——粗、精磨外圆——粗、精磨圆锥面——磨锥孔。
轴类零件各表面的加工顺序，与定位基准的转换有关，即先行工序必须为后续工序准备好定位基准。粗、精基准选定（后述）后，加工顺序也就大致排定。
在安排工序顺序时，还应注意下面几点。
①外圆加工顺序安排要照顾主轴本身的刚度，应先加工大直径后加工小直径，以免一开始就降低主轴钢度。
②就基准统一而言，希望始终以顶尖孔定位，避免使用锥堵，则深孔加工应安排在最后。但深孔加工是粗加工工序，要切除大量金属，加工过程中会引起主轴变形，所以最好在粗车外圆之后就把深孔加工出来。
③花键和键槽加工应安排在精车之后，粗磨之前。如在精车之前就铣出键槽，将会造成断续车削，既影响质量又易损坏刀具，而且也难以控制键槽的尺寸精度。但这些表面也不宜安排在主要表面最终加工工序之后进行，以防在反复运输中，碰伤主要表面。
④因主轴的螺纹对支承轴颈有一定的同轴度要求，故放在淬火之后的精加工阶段进行，以免受半精加工所产生的应力以及热处理变形的影响。
⑤主轴系加工要求很高的零件，需安排多次检验工序。检验工序一般安排在各加工阶段前后，以及重要工序前后和花费工时较多的工序前后，总检验则放在最后。必要时，还应安排探伤工序。
⑸定位基准的选择
以两顶尖孔作为轴类零件的定位基准，既符合基准重合原则，又能使基准统一。所以，只要有可能，就尽量采用顶尖孔作为定位基准。
表3－1所列工序中的粗车、半精车、精车、粗磨、精磨各外圆表面和端面、铣花键和车螺纹等工序，都是以顶尖孔作为定位基准的。
两顶尖孔的质量好坏，对加工精度影响很大，应尽量做到两
顶尖孔轴线重合、顶尖接触面积大、表面粗糙度低。否则，将会因工件与顶尖间的接触刚度变化而产生加工误差。因此经常注意保持两顶尖孔的质量，是轴类零件加工的关键问题之一。
深孔加工后，因顶尖孔所处的实体材料已不复存在，所以采用带顶尖孔的锥堵作为定位基准。
为了保证支承轴颈与两端锥孔的同轴度要求，需要应用互为基准原则。例如CA6140主轴的车小端1：20锥孔和大端莫氏6号内锥孔时（表3－1中工序10、11），用的是与前支承轴颈相邻而又是用同一基准加工出来的外圆柱表面为定位基面（直接用前支承轴颈作为定位基准当然更好，但由于轴颈有锥度，在制造托架时会增加困难）；工序14精车各外圆包括支承轴颈的1：12锥度时，即是以上述前后锥孔内所配锥堵的顶尖孔作为定位基准面；在工序16粗磨莫氏6号内锥孔时，又是以两圆柱表面为定位基准面，这就符合互为基准原则。在工序21和22中，粗精磨两个支承轴颈的1：12锥度时，再次以粗磨后的锥孔所配锥堵的顶尖孔为定位基准。在工序23中，最后精磨莫氏6号内锥孔时，直接以精磨后的前支承轴颈和另一圆柱面为基准面，基准再一次转换。随着基准的不断转换，定位精度不断提高。转换过程就是提高过程，使加工过程有一次比一次精度更高的定位基准面。基准转换次数的多少，要根据加工精度要求而定。
在精磨莫氏6号内锥孔的定位方法中，采用了专用夹具，机床主轴仅起转递扭矩的作用，排除了主轴组件本身的回转误差，因此提高了加工精度。
精加工主轴外圆表面也可用外圆表面本身来定位，既在安装工件时以支承轴颈表面本身找正。如图3-3所示，外圆表面找正是采用一种可拆卸的轴套心轴，心轴依靠螺母4和垫圈3压紧在主轴的两端面上。心轴两端有中心孔，主轴靠心轴中心孔安装在机床的前后顶尖上。以支承轴颈表面找正时，适当敲动工作，使支承轴颈的径向圆跳动在规定的范围内（心轴和主轴靠端面上摩擦力结合在一起，主轴和锥套并不紧配，留有间隙，允许微量调整），然后进行加工。
用这种定位方法，只需要准备几套心轴，因此简化了工艺装备，节省了修正中心孔工序，并可在一次安装中磨出全部外圆。
4.主轴加工中的几个工艺问题
图3－3锥套心轴
⑴锥堵和锥堵心轴的使用
对于空心的轴类零件，当通孔加工后，原来的定位基准——顶尖孔已被破坏，此后必须重新建立定位基准。对于通孔直径较小的轴，可直接在孔口倒出宽度不大于2mm的60度锥面，代替中心孔。而当通孔直径较大时，则不宜用倒角锥面代替，一般都采用锥堵或锥堵心轴的顶尖孔做为定位基准。
当主轴锥孔的锥度较小时（如车床主轴的锥孔为1：20和莫氏6号）就常用锥堵，如图3－4所示。
当锥度较大时（如X62卧式铣床的主轴锥孔是7：24），可用带锥堵的拉杆心轴，如图3－5所示。
图3－4锥堵
图3－5带有锥堵的拉杆心轴
使用锥堵或锥堵心轴时应注意以下问题。
①一般不宜中途更换或拆装，以免增加安装误差。
②锥堵心轴要求两个锥面应同轴，否则拧紧螺母后会使工件变形。图4－5所示的锥堵心轴结构比较合理，其左端锥堵与拉杆心轴为一体，其锥面与顶尖孔的同轴度较好，而右端有球面垫圈，拧紧螺母时，能保证左端锥堵与孔配合良好，使锥堵的锥面和工件的锥孔以及拉杆心轴上的顶尖孔有较好的同轴度。
⑵顶尖孔的修磨
因热处理、切削力、重力等影响，常常会损坏顶尖孔的精度，因此在热处理工序之后和磨削加工之前，对顶尖孔要进行修磨，以消除误差。常用的顶尖孔修磨方法有以下几种。
Ⅰ用
Ⅱ用油石或橡胶砂轮夹在车床的卡盘上，用装在刀架上的金刚钻将它的前端修整成顶尖形状(60o圆锥体)，接着将工件定在油石或橡胶砂轮顶尖和车床后顶尖之间(图3－6)，并加少量润滑油(柴油)，然后开动车床使油石或橡胶砂轮转动，进行研磨。研磨时用手把持工件并连续而缓慢地转动。这种研磨中心孔方法效率高，质量好，也简便易行。
图3－6用油石研磨顶尖孔
Ⅲ用硬质合金顶尖刮研。把硬质合金顶尖的60°圆锥体修磨成角锥的形状，使圆锥面只留下4～6条均匀分布的刃带（图3－7），这些刃带具有微小的切削性能，可对顶尖孔的几何形状作为量的修整，又可以起挤光的作用。这种方法刮研的顶尖孔精度较高,表面粗糙度达Ra0.8μm以下,并具有工具寿命较长、刮研效率比油石高的特点,所以一般主轴的顶尖孔可以用此法修研。
图3－7六棱硬质合金顶尖
上述三种修磨顶尖孔的方法,可以联合应用。例如先用硬质合金顶尖刮研,再选用油石或橡胶砂轮顶尖研磨,这样效果会更好。
⑶外圆表面的车削加工
主轴各外圆表面的车削通常分为粗车、半精车、精车三个步骤。粗车的目的是切除大部分余量；半精车是修整预备热处理后的变形；精车则进一步使主轴在磨削加工前各表面具有一定的同轴度和合理的磨削余量。因此提高生产率是车削加工的主要问题。在不同的生产条件下一般采用的机械设备是：单件小批生产采用普通卧式车床；成批生产多用带有液压仿形刀架的车床或液压仿形车床；大批大量生产则采用液压仿形车床或多刀半自动车床。
采用液压仿形车削可实现车削加工半自动化，其上下料仍需手动，更换靠模、调整刀具都较简便，减轻了劳动强度，提高了加工效率，对成批生产是很经济的。仿形刀架的装卸和操作也很方便，成本低，能使普通卧式车床充分发挥使用效能。但是它的加工精度还不够稳定，不适宜进行强力切削，仍应继续改进。
⑷主轴深孔的加工
一般把长度与直径之比大于5的孔称为深孔。深孔加工比一般孔加工要困难和复杂，原因是：
①刀具细而长，刚性差，钻头容易引偏，使被加工孔的轴心线歪斜；
②排屑困难；
③冷却困难，钻头散热条件差，容易丧失切削能力。
生产实际中一般采取下列措施来改善深孔加工的不利因素：
①用工件旋转、刀具进给的加工方法，使钻头有自定中心的能力；
②采用特殊结构的刀具——深孔钻，以增加其导向的稳定性和适应深孔加工的条件；
③在工件上预加工出一段精确的导向孔，保证钻头从一开始就不引偏；
④采用压力输送的切削润滑液并利用在压力下的冷却润滑液排出切屑。
在单件小批生产中，深孔加工一般是在卧式车床上用接长的麻花钻加工。在加工过程中需多次退出钻头，以便排出切屑和冷却工件及钻头。在批量较大时，采用深孔钻床及深孔钻头，可获得较好的加工质量并具有较高的生产率。
钻出的深孔一般都要经过精加工才能达到要求的精度和表面粗糙度。精加工的方法主要有镗和铰。由于刀具细长，目前较多采用拉镗和拉铰的方法，使刀杆只受拉力而不受压力。这些加工一般也在深孔钻床
上进行。
⑸主轴锥孔加工
主轴前端锥孔和主轴支承轴颈及前端短锥的同轴度要求高，因此磨削主轴的前端锥孔，常常成为机床主轴加工的关键工序。
磨削主轴前端锥孔，一般以支承轴颈作为定位基准，有以下三种安装方式。
②将前后支承轴颈分别安装在两个中心架上，用千分表校正好中心架位置。工件通过弹性联轴器或万向接头与磨床床头连接。此种方式可保证主轴轴颈的定位精度，且不受磨床床头误差的影响，但调整中心架费时，质量不稳定，一般只在生产规模不大时使用。
③成批生产时大多采用专用夹具加工，图3－8为磨主轴锥孔的一种夹具，是由底座、支承架及浮动卡头三部分组成。前后两个支承架与底座连成一体。作为定位元件的V形架镶有硬质合金，以提高耐磨性。工件的中心高应调整到正好等于磨头砂轮轴的中心高。后端的浮动卡头装在磨床主轴锥孔内，工件尾部插入弹性套内。用弹簧把浮动卡头外壳连同工件向后拉，通过钢球压向镶有硬质合金的锥柄端面，依靠压簧的涨力限制了工件的轴向窜动。采用这种连接方式，机床只传递切削扭矩，排除了磨床主轴圆跳动或同轴度误差对工件影响，也可减小机床本身的振动对加工精度的影响。
⑹主轴各外圆表面的精加工和光整加工
主轴的精加工都是用磨削的方法，安排在最终热处理工序之后进行，用以纠正在热处理中产生的变形，最后达到所需的精度和表面粗糙度。磨削加工一般能达到的经济精度和经济表面粗糙度为IT16和Ra0.8~0.2μm。对于一般精度的车床主轴，磨削是最后的加工工序。而对于精密的主轴还需要进行光整加工。
图3－8磨主轴锥孔专用夹具
光整加工用于精密主轴的尺寸公差等级IT5以上或表面粗糙度低于Rɑ0.1μm的加工表面，其特点是：
①加工余量都很小，一般不超过0.2mm。
②采用很小的切削用量和单位切削压力，变形小，可获得很细的表面粗糙度。
③对上道工序的表面粗糙度要求高。一般都要求低于Rɑ0.2μm，表面不得有较深的加工痕迹。
④除镜面磨削外，其他光整加工方法都是“浮动的”，即依靠被加工表面本身自定中心。因此只有镜面磨削可部分地纠正工件的形状和位置误差，而研磨只可部分地纠正形状误差。其它光整加工方法只能用于降低表面粗糙度。
几种光整加工方法的工作原理和特点简表3-3。由于镜面磨削的生产效率高。且适应性广，目前已广泛应用在机床主轴的光整加工中。
⑺轴类零件的检验
轴类零件在加工过程中和加工完以后都要按工艺规程的技术要求进行检验。检验的项目包括表面粗糙度、硬度、尺寸精度、表面形状精度和相互位置精度。
表3-3外圆表面的各种光整加工方法的比较
光整加工方法
工作原理
特点
镜面磨削
加工方式与一般磨削相同，但需要用特别软的砂轮，较低的磨削用量，极小的切削深（1~2μm），仔细过滤的冷却润滑液。修正砂轮时用极慢的工作台进给速度。
1）粗糙度可达Ra0.012~0.006适用范围广
2）能够部分的修正商道工序留下来的形状和位置误差
3）生产效率高，可配备自动测量仪
4）对机床设备的精度要求的精度很高
1)
研磨
研磨套在一定的压力下与工件做复杂的想对运动，工件缓慢转动，带动磨粒起切削作用。同时研磨剂还能与金属表面层起化学作用，加速切削作用。研磨余量为0.01~0.02mm。
1）表面粗糙度可达Ra0.025~0.006适用范围广
2）能部分纠正形状误差，不能纠正位置误差
3）方法简单可靠，对设备要求低
4）生产率很低，工人劳动强度大，正为其他方法所取代，但仍用得相当广泛
超精加工
工件作低速转动和轴向进给（或工件不进给，磨头进给），磨头带动磨条以一定的频率（每分钟几十次到上千次）沿工件的轴向振动，磨粒在工件表面上形成复杂轨迹。磨条采用硬度很软的细粒度油石。冷却润滑液用煤油。
1）表面粗糙度可达Ra0.025~0.012适用范围广
2）不能纠正上道工序留下来的形状误差和位置误差
3）设备要求简单，可在普通车床上进行
4）加工效果受石油质量的影响很大
双轮珩磨
珩磨轮相对工作轴心线倾斜27°~30°，并以一定的压力从相对的方向压在工件表面上。工件（或珩磨轮）沿工件轴向作往复运动。在工件转动时，因摩擦力带动珩磨轮旋转，并产生相对滑动，起微量的切削作用。冷却润滑液为煤油或油酸。
1)表面粗糙度可达Ra0.025~0.012不适用于带肩轴类零件和锥形表面；
2)不能纠正上道工序留下来的形状误差和位置误差
3)备要求低，可用旧机床改装
4)工艺可靠,表面质量稳定
5)珩磨轮一般采用细粒度磨料自制使用寿命长
6)生产效率比上述三种都高
①表面粗糙度和硬度的检验
硬度是在热处理之后用硬度计抽检。
表面粗糙度一般用样块比较法检验，对于精密零件可采用干涉显微镜进行测量。
②精度检验
精度检验应按一定顺序进行，先检验形状精度，然后检验尺寸精度，最后检验位置精度。这样可以判明和排除不同性质误差之间对测量精度的干扰。
Ⅰ形状精度检验
车床主轴的形状误差主要是指圆度误差和圆柱度误差。
圆度误差为轴的同一截面内最大直径与最小直径之差。一般用千分尺按照测量直径的方法即可检测。精度高的轴需用比较仪检验。
圆柱度误差是指同一轴向剖面内最大直径与最小直径之差，同样可用千分尺检测。弯曲度可以用千分表检验，把工件放在平板上，工件转动一周，千分表读数的最大变动量就是弯曲误差值。
Ⅱ尺寸精确检验
在单件小批生产中，轴的直径一般用外径千分尺检验。精度较高（公差值小于0.01mm）时，可用杠杆卡规测量。台肩长度可用游标卡尺、深度游标卡尺和深度千分尺检验。
大批大量生产中，为了提高生产效率常采用极限卡规检测轴的直径。长度不大而精度又高的工件，也可用比较仪检验。
Ⅲ位置精度检验
在主轴前锥孔中插入检验心棒，按测量要求放置千分表，用手轻轻转动主轴，从千分表读数的变化即可测量各项误差，包括锥孔及有关表面相对支承轴颈的径向挑动和端面跳动。
图3－9主轴位置精度检验示意图
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，分布均匀而大端接触较“硬”，即锥度只允许偏小。这项检验应在检验锥孔跳动之前进行。
图3－9中各量表的功用如下：量表7检验锥孔对支承轴颈的同轴度误差；距轴端300mm处的量表8检查锥孔轴心线对支承轴颈轴心线的同轴度误差；量表3、4、5、6检查各轴颈相对支承轴颈的径向跳动；量表10、11、12检验端面跳动；量表9测量主轴的轴向窜动。
3.2箱体零件加工
3.2.1概述
1.箱体零件的功用和结构特点
箱体是机器的基础零件，它将机器和部件中的轴、齿轮等有关零件连接成一个整体，并保持正确的相互位置，以传递转矩或改变转速来完成规定的运动。因此箱体的加工质量直接影响机器的工作精度、使用性能和寿命。
图3-10为某车床主轴箱简图。由图可知，箱体类零件结构复杂，壁薄且不均匀，加工部位多，加工难度大。具统计，一般中型机床制造厂花在箱体零件的机械加工劳动量约占整个产品加工量的15%～20%。
2.箱体零件的主要技术要求
箱体类零件中以机床主轴箱的精度要求最高，现以某车床主轴箱为例，可归纳以下五项精度要求。
⑴孔径精度
孔径的尺寸误差和几何形状误差会使轴承与孔配合不良。孔径过大，配合过松，使主轴回转轴线不稳定，并降低了支撑刚度，易产生振动和噪音；孔径过小使配合过紧，轴承将因外界变形而不能正常运转，寿命缩短。装轴承的孔不圆，也使轴承外环变形而引起主轴的径向跳动。
从以上分析可知对孔的精度要求较高。主轴孔的尺寸精度约为IT6级，其余孔为IT6～IT7级。孔的几何形状精度除作特殊规定外，一般都在尺寸公差范围内。
⑵孔与孔的位置精度
同一轴线上各孔的同轴度误差和孔端面对轴线垂直度误差，
会使轴和轴承装配到箱体上后产生歪斜，致使主轴产生径向跳动和轴向窜动，同时也使温度升高，加剧轴承磨损。孔系之间的平行度误差会影响齿轮的啮合质量。一般同轴上各孔的同轴度约为最小孔尺寸公差的一半。
⑶孔和平面的位置精度
一般都要规定主要孔和主轴箱安装基面的平行度要求，他们决定了主轴与床身导轨的相互位置关系。这项精度是在总装过程中通过刮研达到的。为减少刮研工作量，一般都要规定主轴轴线对安装基面的平行度公差。在垂直和水平两个方向上只允许主轴前端向上和向前偏。
⑷主要平面的精度
装配基面的平面度误差影响主轴箱与床身连接时的接触刚度。若在加工过程中作为定位基准时，还会影响轴孔的加工精度。因此规定底面和导向面必须平直和相互垂直。其平面度、垂直度公差等级为5级。
⑸表面粗糙度
重要孔和主要表面的表面粗糙度会影响连接面的配合性质或接触刚度，其具体要求一般用Ra值来评价。主轴孔为Ra0.4μm，其它各纵向孔为Ra1.6μm，孔的内端面为Ra3.2μm,装配基准面和定位基准面为Ra0.63μm～Ra2.5μm，其它平面为Ra2.5μm～Ra10μm。
3.箱体的材料及毛坯
箱体材料一般选用HT200～HT400的各种牌号的灰铸铁，最常用的为HT200，这是因为灰铸铁不仅成本低，而且具有较高的耐磨性、可铸性、可切削性和阻尼特性。在单件生产或某些简易机床的箱体，为了缩短生产周期和降低成本，可采用钢材焊接结构。此外，精度要求较高的坐标镗床主轴箱可选用耐磨铸铁，负荷大的主轴箱也可采用铸钢件。
毛坯的加工余量与生产批量、毛坯尺寸、结构、精度和铸造方法等因素有关，有关数据可查有关资料及数据具体情况决定。如Ⅱ级精度灰铸铁件，在大批大量生产时，平面的总加工余量为6~10mm，孔的半径余量为7~12mm；单件小批量生产时，平面为7~12mm，孔半径余量为8~14mm；成批生产时小于Ф30mm的孔和单件小批生产小于Φ50mm的孔不铸出。
毛坯铸造时，应防止砂眼和气孔的产生。为了减少毛坯制造时产生残余应力，应使箱体壁厚尽量均匀，箱体铸造后应安排退火或时效处理工序。
图3-10车床主轴箱简图
4.箱体零件结构工艺性
箱体零件的结构工艺性对实现机械加工优质、高产、低成本具有重要意义。
箱体的基本孔可分为通孔、阶梯孔、盲孔、交叉孔等几类。通孔工艺性最好，通孔内又以孔长L与孔径D之比L/D≤1～1.5的短圆柱孔工艺性为最好；L/D>5的孔，称为深孔，若深度精度要求较高、表面粗糙度值较小时，加工就很困难。
阶梯孔的工艺性与“孔径比”有关。孔径相差越小则工艺性越好；孔径相差越大，且其中最小的孔径又很小，则工艺性越差。
相贯通的交叉孔的工艺性也较差，如图3-11a所示?100孔与?70孔贯通相交，在加工主轴孔时，刀具走到贯通部分时，由于刀具径向受力不均，孔的轴线就会偏移。为此可采取图3-11b所示，?70孔不铸通，加工?100主孔后再加工?70孔即可。
a)b)
图3-11交叉孔的工艺性
盲孔
的工艺性最差，因为在精铰或精镗盲孔时，刀具送进难以控制，加工情况不便于观察。此外，盲孔的内端面的加工也特别困难，故应尽量避免。
同一轴线上孔径大小向一个方向递减，便于镗孔时镗杆从一端伸入，逐个加工或同时加工同轴线上几个孔，以保证较高的同轴度和生产率。单件小批生产时一般采用这种分布形式（图3-12a）。同孔径大小从两边向中间递减，加工时便于组合机床以两边同时加工，镗杆刚度好，适合大批大量生产（图3-12b）。
同轴线上的孔的直径的分布形式，应尽量避免中间壁上的孔径大于外壁的孔径。因为加工这种孔时，要将刀杆伸进箱体后装刀和对刀，结构工艺性差（图3-12c）。
a)b)c)
图3-12同轴孔径的排列方式
为便于加工、装配和检验，箱体的装配基面尺寸应尽量大，形状应尽量简单。
箱体外壁上的凸台应尽可能在一个平面上，以便可以在一次走刀中加工出来，而无须调整刀具的位置，使加工简单方便。
箱体上的紧固孔和螺孔的尺寸规格应尽量一致，以减少刀具数量和换刀次数。
3.2.2箱体平面及孔系的加工方法
箱体零件的主要加工表面为平面及孔系。
1.箱体的平面加工
箱体平面加工的常用方法有刨、铣和磨三种。刨削和铣削常用作平面的粗加工和半精加工，而磨削则用作平面的精加工。
刨削加工的特点是：刀具结构简单，机床调整方便，通用性好。在龙门刨床上可以利用几个刀架，在工件的一次安装中完成几个表面的加工，能比较经济地保证这些表面间的相互位置精度要求。精刨还可以代替刮研来精加工箱体平面。精刮时采用宽直刃精刨刀，在经过检修和调整的刨床上，以较低的切削速度（一般为4~12m/min），在工件表面上切去一层很薄的金属（0.007~0.1mm）。精刨后的表面粗糙度Ra值可达0.63~2.5μm,平面度可达0.002mm/m。因为宽刃精刨的进给量很大（5～25mm/双行程），生产率极高。
铣削生产率高于刨销，在中批以上生产中多用铣削加工平面。当加工尺寸较大的箱体平面时，常在多轴龙门铣床上，用几把铣刀同时加工各有关平面，以保证平面间的相互位置精度并提高生产率。
平面磨削的加工质量比刨和铣都高，而且还可以加工淬硬零件。磨削平面的粗糙度Ra可达0.32~1.25μm。生产批量较大时，箱体的平面常用磨削来精加工。为了提高生产率和保证平面间的相互位置精度，生产实际中还经常采用组合磨削（见图3-13）来精加工平面。
图3-13组合磨削
2.箱体孔系的加工方法
箱体上一系列有相互位置精度要求的的孔的组合，称为孔系。孔系可分为平行孔系、同轴孔系和交叉孔系。由于箱体功用及结构需要，箱体上的孔往往本身精度要求高，而且孔距精度和相互位置精度要求也高，所以孔系加工是箱体加工的关键。根据箱体生产批量不同和孔系精度要求不同，孔系加工所用的方法也不同。
⑴平行孔系的加工
所谓平行孔系是指这样一些孔，它们的轴线互相平行且孔距也有精度要求。因此平行孔系加工的主要技术要求是保证孔的加工精度，保证各平行孔轴心线之间以及轴心线与基面之间的尺寸精度和相互位置精度。下面主要介绍生产中保证孔距精度的方法。
①找正法
找正法是工人在通用机床上利用辅助工具来找正要加工孔的正确位置的加工方法。这种方法加工效率低，一般只适用于单件小批生产。根
据实施找正的具体手段不同，找正法又可分为以下几种：
Ⅱ心轴和块规找正法。如图3-14所示，镗第一排孔时将精密心轴插入主轴孔内（或直接利用镗床主轴），然后根据孔和定位基准的距离组合一定尺寸的块规来校正主轴位置。校正时用塞尺测量块规与心轴之间的间隙，以避免块规与心轴直接接触而损伤块规（图3-14a）。镗第二排孔时，分别在机床主轴和已加工孔中插入心轴，采用同样的方法来校正主轴轴线的位置图（3-14b）。这种找正法的孔心距精度可达±0.03mm。
图3-14用心轴和块规找正
a）第一工位b）第二工位
1—心轴2—镗床主轴3—块规4—塞尺5—镗床工作台
Ⅲ样板找正法。如图3-15所示，用10～20mm厚的钢板按箱体的孔系关系制造样板1，样板上的孔距精度较箱体孔系的孔距精度高（一般为±0.01mm），样板上的孔径较工件孔径大，以便于镗杆通过。样板上孔径尺寸精度要求不高，但有较高的形状精度和较细的表面粗糙度。使用时将样板准确地装到工件上(垂直于各孔的端面)，，在机床主轴上装一个千分表2，按样板逐个找正主轴位置，换上镗刀即可加工。此法加工中找正迅速，不易出错，孔距精度可达±0.05mm，且样板成本低（仅为镗模成本的1/7～1/9），常用于小批量大型箱体的加工。
图3-15样板找正法
②坐标法
坐标法镗孔是加工前先将图纸上被加工孔系间的孔距尺寸及其公差换算为以机床主轴中心为原点的相互垂直的坐标尺寸及公差，加工时借助于机床设备上的测量装置，调整机床主轴与工件在水平与垂直方向的相对位置，从而保证孔距精度的一种镗孔方法。进行尺寸换算时，可利用三角几何关系及工艺尺寸链理论推算，复杂时可由计算机应用相应的坐标转换计算程序完成。
坐标法镗孔的孔距精度取决于坐标位移精度，归根结底取决于机床坐标测量装置的精度。目前，生产实际中采用坐标法加工孔系的机床有两类：一类如坐标镗床、数控镗铣床或加工中心，自身具有精确的坐标测量系统，可进行高精度的坐标位移、定位及测量等坐标控制；另一类没有精密坐标位移及测量装置，如普通镗床等。用前一类机床加工孔系，孔距精度主要由机床本身的坐标控制精度决定。用后一类机床加工孔系，往往采用相应的工艺措施以保证坐标位移精度，较常用的有：
Ⅰ利用百分表与块规测量装置。图3-16为在普通镗床上用百分表1和块规2调整主轴垂直坐标和工作台水平坐标的示意图，所控制的位置精度可达±0.02～0.04mm。该法调整难度大且效率低，仅用于单件小批量生产。
图3-16在普通镗床上用坐标法加工孔系
1—百分表2—块规
Ⅱ加装精密测量装置。该方法是在普通机床上加装一套由金属线纹尺和光学读数头组成的精密长度测量装置。该装置操作方便，精度较高，光学读数头的读数精度为0.01mm，可将普通镗床
的位移定位精度提高到0.02mm左右。这种方法提高了普通机床的运动部件位移测量精度，既经济又实用，应用广泛。
采用坐标法加工孔系时，应特别注意基准孔和镗孔顺序的选择，否则，坐标尺寸的累积误差会影响孔距精度。基准孔应选择本身尺寸精度高、表面粗糙度值小的孔，以使在加工过程中可方便地校验其坐标尺寸。有孔距精度要求的两孔应连在一起加工以减少累积误差；加工中尽可能使工作台向一个方向移动，避免工作台往复移动而由进给机构的间隙造成累积误差。
③镗模法
镗模法加工孔系是利用镗模板上的孔系保证工件上孔系位置精度的一种方法，在中批生产和大批大量生产中被广泛采用。镗孔时，工件装夹在镗模上，镗杆被支撑在镗模的导套里，由导套引导镗杆在工件的正确位置上镗孔。当用两个或两个以上的支架引导镗杆时，镗杆与机床主轴大多采用浮动连接，这种情况下机床主轴的回转精度对加工精度影响很小，孔距精度主要取决于镗模的制造精度。图3-17为镗杆与机床主轴浮动连接的一种结构形式。
图3-17镗杆浮动联接头
⑵同轴孔系的加工
同轴孔系的加工主要是保证各孔的同轴度精度。成批生产中，一般采用镗模法，所以同轴度精度由镗模保证。单件小批量生产中，同轴度精度的保证可采取如下的工艺方法：
①利用已加工孔作支承导向
如图3-18所示，当加工箱壁相距较近的同轴孔时，箱体前壁上的孔加工完毕后，在孔内装一导向套，支承和引导镗杆加工后壁上的孔，以保证两孔的同轴度要求。
图3-18利用已加工孔作支承导向
②利用镗床后立柱上的导向套支承导向
这种方法镗杆两端支承，刚性好，但调整麻烦，镗杆较长，往往用于大型箱体的加工。
③采用调头镗
当箱体箱壁上的同轴孔相距较远时，采用调头镗较为合适。加工时，工件一次装夹完，镗好一端的孔后，将镗床工作台回转180o，再镗另一端的孔。考虑到调整工作台回转后会带来误差，所以实际加工中一般用工艺基面校正，具体方法如下：镗孔前用装在镗杆上的百分表对箱体上的与所镗孔轴线平行的工艺基面进行校正，使其和镗杆轴线平行，如图3-19a所示。当加工完A壁上的孔后，工作台回转180o，并用镗杆上的百分表沿此工艺基面重新校正，如图3-19b所示。校正时使镗杆轴线与A壁上的孔轴线重合，再镗B壁上的孔。
图3-19调头镗对工件的校正
⑶交叉孔系的加工
图3-20找正法加工交叉孔系
3.2.3箱体机械加工工艺过程分析
1.箱体零件机械加工工艺过程
箱体零件的结构复杂，加工表面多，但主要加工表面是平面和孔。通常平面的加工精度相对来说较易保证，而精度要求较高的支承孔以及孔与孔之间、孔与平面之间的相互位置精度则较难保证，往往是箱体加工的关键。所以在制定箱体加工工艺过程时，应重点考虑如保证孔的自身精度及孔与孔、平面之间的相互位置精度，尤其
要注意重要孔与重要的基准平面（常作为装配基面、定位基准、工序基准）之间的关系。当然，所制定的工艺过程还应适合箱体生产批量和工厂具备的条件。
表3-4为某车床主轴箱（图3-10）的大批生产工艺过程。
表3-4某主轴箱大批生产工艺过程
序号
工序内容
定位基准
1
铸造
10
精镋各纵向孔
顶面A及两工艺孔
2
时效
11
精镋主轴孔Ⅰ
3
油漆
12
加工横向孔及各面上的次要孔
4
铣顶面A
Ⅰ孔与Ⅱ孔
13
磨B、C导轨面及前面D
5
钻、扩、铰2-?8H7工艺孔
顶面积A及外形
14
将2-?8H7及4-?7.8mm均扩钻至?8.5mm,攻6-M10
6
铣两端面E、F及前面D
顶面A及两个工艺孔
7
铣导轨面B、C
15
清洗、去毛刺、倒角
8
磨顶面A
导轨面B、C
16
检验
9
粗镗各纵向孔
2.箱体类零件机械加工工艺过程分析
⑴拟定箱体类零件机械加工工艺过程的基本原则为：
①先面后孔的加工顺序
箱体类零件的加工顺序均为先加工面，以加工好的平面定位，再来加工孔。因为箱体孔的精度要求高，加工难度大，先以孔为粗基准加工好平面，再以平面为精基准加工孔，这样既能为孔的加工提供稳定可靠的精基准，同时可以使孔的加工余量均匀。由于箱体上的孔一般分布在外壁和中间隔壁的平面上的，先加工平面，可切去铸件表面的凹凸不平及夹砂等缺陷，这不仅有利于以后工序的孔加工（例如，钻孔时可减少钻头引偏），也有利于保护刀具、对刀和调整。
表3-4中主轴箱大批生产时，先将顶面A磨好后才能加工孔系。
②加工阶段粗、精分开
但是，对单件小批量的箱体加工，如果从工序上严格区分粗、精加工，则机床、夹具数量要增加，工件运输工作量也会增加，所以实际生产中多将粗、精加工在一道工序内完成，但要采取一定的工艺措施，如粗加工后将工件松开一点，然后再用较小的夹紧力夹紧工件，使工件因夹紧力而产生的弹性变形在精加工前得以恢复。
③工序间安排时效处理
箱体毛坯结构复杂，铸造内应力较大。为了消除内应力，减少变形，保持精度的稳定，铸造之后要安排人工时效处理。主轴箱体人工时效的规范为：加热到500~550℃,加热速度50~120℃/h，保温4~6h,冷却速度≤30℃/h,出炉温度≤200℃。
④选择箱体上的重要基准孔作粗基准
箱体零件的粗基准一般都采用它上面的重要孔作粗基准，如主轴箱都用主轴孔作粗基准。
⑵箱体零件加工的具体工艺问题
①粗基准的选择
虽然箱体类零件一般都采用重要孔为粗基准，随着生产类型不同，实现以主轴孔为粗基准的工件装夹方式是不同的。
中小批生产时，由于毛坯精度较低，一般采用划线装夹，加工箱体平面时，按线找正装夹工件即可。
大批大量生产时，毛坯精度较高，可采用图3-21所示的夹具装夹。先将工件放在支承1、3、5上，使箱体侧面紧靠支架4，箱体一端靠住挡销6，这就完成了预定位。此时将液压控制的两短轴7伸入主轴孔中，每个短轴上的三个活动支柱8分别顶住主轴孔内的毛面，将工件抬起。离开1、3、5支承面，使主轴孔轴线与夹具的两短轴轴线重合，此时主轴孔即为定位基准。为了限制工件绕两短轴7转动的自由度，在工件抬起后，调节两可调支承10，通过用样板校正Ⅰ轴孔的位置，使箱体顶面基本成水平。再调节辅助支承2，使其与箱体底面接触，使得工艺系统刚度得到提高。然后再将液压控制的两夹紧块11伸入箱体两端孔内压紧工件，即可进行加工。
图3-21以主轴孔为粗基准铣顶面的夹具
②精基准的选择
箱体加工精基准的选择与生产批量大小有关。
单件小批生产用装配基准作定位基准。图3-10车床主轴箱单件小批加工孔系时，选择箱体底面导轨B、C面作为定位基准。B、C面既是主轴孔的设计基准，也与箱体的主要纵向孔系、端面、侧面有直接的位置关系，故选择导轨面B、C作为定位基准，不
仅消除了基准不重合误差，而且在加工各孔时，箱口朝上，便于安装调整刀具、更换导向套、测量孔径尺寸、观察加工情况和加注切削液等。
图3-22吊架式镗模夹具
大批量生产是采用一面双孔坐定位基准。大批量生产的主轴箱常以顶面和两定位销孔为精基准，如图3-23所示。
这种定位方式，箱口朝下，中间导向支架可固定在夹具上。由于简化了夹具结构，提高了夹具的刚度，同时工具的装卸也比较方便，因而提高了孔系的加工质量和劳动生产率。
这一定位方式也存在一定的问题，由于定位基准与设计基准不重合，产生了基准不重合误差。为保证箱体的加工精度，必须提高作为定位基准的箱体顶面和两定位销孔的加工精度。因此，大批大量生产的主轴工艺过程中，安排了磨A面工序，要求严格控制顶面A的平面度和A面至底面、A面至主轴孔轴心线的尺寸精度与平行度，并将两定位销孔通过钻、扩、铰等工序使其直径精度提高到H7，增加了箱体加工的工作量。此外，这种定位方式的箱口朝下，还不便在加工中直接观察加工情况，也无法在加工中测量尺寸和调整刀具（实际生产中采用定孔径刀具直接保证加工精度）。
图3-23一面两孔定位的镗模
③所用设备因批量不同而异
单件小批生产一般都在通用机床上加工，各工序原则上靠工人技术熟练程度和机床工作精度来保证。除个别必须用专用夹具才能保证质量的工序（如孔系加工）外，一般很少采用专用夹具。而大批量箱体的加工则广泛采用组合加工机床、专用镗床等。专用夹具也用得很多，这就大大地提高了生产率。
3.2.4箱体零件的数控加工
箱体零件大量生产时，多采用由组合机床与输送装置组成的自动线进行加工，我国目前在汽车、拖拉机、柴油机等行业中，较广泛地采用了自动线加工工艺。
现代机械制造业中，多品种、小批量的生产已逐步占据主导地位。像机床制造行业，为了适应市场需要，品种与规格需经常变化。显然，品种与规格的变化必然导致箱体零件结构与尺寸的改变，这样就不能采用高效率的自动线加工工艺。但如果采用普通机床加工，则占用设备多，生产周期长，生产效率低，生产成本高。为了解决这一矛盾，现代机械制造企业大多利用功率大、功能多的精密“加工中心”机床组织生产。
所谓“加工中心”，就是带有自动换刀装置的数控镗铣床。图3-24是立式与卧式加工中心外形示意图。各种刀具都存放在刀库内。工序转换、刀具和切削参数选择、各执行部件的运动都由程序控制来自动进行。加工中心可对工件各个表面连续完成钻、扩、镗、铣、锪、铰、攻螺纹等多种工序，而且各工序理论上可以按任意顺序安排。
a)立式加工中心b)卧式加工中心
图3-24加工中心外形示意图
箱体零件的数控加工与普通机床加工工艺原则上是一致的，如先面后孔的加工顺序、粗精基准选择原则等，都与
3.3套筒零件加工
3.3.1概述
1.套筒类零件的功用与结构特点
机器中套筒零件的应用非常广泛，常见的套筒零件有液压系统中的液压缸、内燃机上的气缸套、支承回转轴的各种形式的滑动轴承、夹具中的导向套等，如图3-25所示。套筒类零件一般功用为支承和导向。
图3-25常见的套筒零件
a)、b)滑动轴承c)钻套d)轴承衬套e)气缸套f)液压缸
套筒零件由于用途不同，其结构和尺寸有着较大的差异，但仍有其共同特点：零件结构不太复杂，主要表面为同轴要求较高的内、外旋转表面；多为薄壁件，容易变形；零件尺寸大小各异，但长度一般大于直径，长径比大于5的深孔比较多。
2.套筒类零件的技术要求
套筒零件各主要表面在机器中所起的作用不同，其技术要求差别较大，主要技术要求大致如下：
（1）内孔的技术要求。内孔是套筒零件起支承和导向作用最主要的表面，通常与运动着的轴、刀具或活塞相配合。其直径尺寸精度一般为IT7,精密轴承套为IT6；形状公差一般应控制在孔径公差以内，较精密的套筒应控制在孔径公差的1/3～1/2,甚至更小。对长套筒除了有圆度要求外，还对孔的圆柱度有要求。套筒零件的内孔表面粗糙度Ra为2.5～0.16μm，某些精密套筒要求更高，Ra值可达0.04μm。
（2）外圆的技术要求。外圆表面一般起支承作用，通常以过渡或过盈配合与箱体或机架上的孔相配合。外圆表面直径尺寸精度一般为IT6～IT7，形状公差应控制在外径公差以内，表面粗糙度Ra为5～0.63μm。
（3）各主要表面间的相互位置精度
①内外圆之间的同轴度。若套筒是装入机座上的孔之后再进行最终加工，这时对套筒内外圆间的同轴度要求较低；若套筒是在装配前进行最终加工则同轴度要求较高，一般为0.01～0.05mm。
②孔轴线与端面的垂直度。套筒端面如果在工作中承受轴向载荷，或是作为定位基准和装配基准，这时端面与孔轴线有较高的垂直度或端面圆跳动要求，一般为0.02～0.05mm。
3.套筒类零件的材料要求与毛坯
套筒零件常用材料是铸铁、青铜、钢等。有些要求较高的滑动轴承，为节省贵重材料而采用双金属结构，即用离心铸造法在钢或铸铁套筒内部浇注一层巴氏合金等材料，用来提高轴承寿命。
套筒零件毛坯的选择，与材料、结构尺寸、生产批量等因素有关。直径较小（如d<20mm）的套筒一般选择热轧或冷拉棒料，或实心铸件。直径较大的套筒，常选用无缝钢管或带孔铸、锻件。生产批量较小时，可选择型材、砂型铸件或自由锻件；大批量生产则应选择高效率、高精度毛坯，必要时可采用冷挤压和粉末冶金等先进的毛坯制造工艺。
3.3.2套筒类零件加工工艺分析
下面以液压缸为例，来说明套筒零件的加工工艺过程及其特点。
1.套筒零件的机械加工工艺过程
液压系统中液压缸体是比较典型的长套筒零件，结构简单，壁薄容易变形。如图3－26所示为某液压缸体，其主要技术要求为：①内孔必须光洁，无纵向刻痕；②内孔圆柱度误差不大于0.04mm；③内孔轴线的直线度误差不大于0.15mm；④端面与内孔轴线的垂直度不大于0.03mm；⑤内孔对两端支承外圆(φ82h6)的同轴度误差不大于0.04mm；⑥若为铸件,组织应紧密,不得有砂眼,针孔及疏松,必要时要用泵验漏。
该液压缸体加工面比较少，加工方法变化不大，其加工工艺过程见表3－5。
;图3－26液压缸体简图
表3－5液压缸体加工工艺过程
工序名称
定位与夹紧
配料
无缝钢管切断
车
①车端面及倒角；
三爪卡盘夹一端,搭中心架托外圆
②车φ82mm外圆到φ88mm及M88x1.5mm螺纹(工艺圆)；
三爪卡盘夹一端,大头顶尖顶另一端
③调头车φ82mm外圆到φ84mm；
④车端面及倒角取总长1686mm.(留加工余量1mm)。
三爪卡盘夹一端,搭中心架托φ84mm处
深孔推镗
①半精推镗孔到φ68mm；
一端用M88X1.5mm.螺纹固定在夹具中，另一端搭中心架托φ84mm处
②精推镗孔到φ69.85mm；
③精铰(浮动镗刀镗孔)到φ70H11,表面粗糙度Ra2.5um
滚压孔
用滚压头滚φ70H11,表面粗糙度Ra0.32um。
一端螺纹固定在夹具中,另一端搭中心架
①车去工艺螺纹,车φ82h6到尺寸，割R7槽。
软爪夹一端,以孔定位顶另一端
②镗内锥孔1°30′及车端面。
软爪夹一端,中心架托另
一端(百分表找正孔)
③调头,车82h6到尺寸，割R7槽。
软爪夹一端,顶另一端
④镗内锥孔1°30′及车端面取总长1685mm。
软爪夹一端,中心架托另一端(百分表找正孔)
2.套筒零件机械加工工艺分析
⑴液压油缸体的技术要求
该液压缸体主要加工表面为Φ70H11mm的内孔及Φ82h6mm两端外圆，尺寸精度、形状精度要求较高。为保证活塞在液压缸体内移动顺利且不漏油，还特别要求内孔光洁无划痕，不许用研磨剂研磨。两端面对内孔有垂直度要求，外圆面中间为非加工面，但A、B两端外圆要求加工至Φ82h6mm，且A、B两端外圆的中心线要作为内孔的基准。
⑵加工方法的选择
从上述工艺过程中可见套筒零件主要表面的加工多采用车或镗削加工；为提高生产率和加工精度也可采用磨削加工。孔加工方法的选择比较复杂，需要考虑生产批量、零件结构及尺寸、精度和表面质量的要求、长径比等因素。对于精度要求较高的孔往往需要采用多种方法顺次进行加工，如根据该液压缸的精度需要，内孔的加工方法及加工顺序为半精车（半精推镗孔）——精车（精推镗孔）——精铰（浮动镗）——滚压孔。
⑶保证套筒零件表面位置精度的方法
套筒零件主要加工表面为内孔、外圆表面，其加工中主要要解决的问题是如何保证内孔和外孔的同轴度以及端面对孔轴线的垂直度要求。因此，套筒零件加工过程中的安装是一个十分重要的问题。为保证各表面间的相互位置精度通常要注意以下几个问题。
①套筒零件的粗精车（镗）内外圆一般在卧式车床或立式车床上进行，精加工也可以在磨床上进行。此时，常用三爪卡盘或四爪卡盘装夹工件如图3-27a、b，且经常在一次安装中完成内外表面的全部加工。这种安装方式可以消除由于多次安装而带来的安装误差，保证零件内外圆的同轴度及端面与轴心线的垂直度。对于凸缘的短套筒，可先车凸缘端，然后调头夹压凸缘端，这种装夹方式可防止因套筒刚度降低而产生变形（图3-27c）。但是，这种方法由于工序比较集中，对尺寸较大的（尤其是长径比较大）套筒安装不方便，故多用于尺寸较小套筒的车削加工。
图3-27短套筒的安装
②以内孔与外孔互为基准，反复加工以提高同轴度。
Ⅰ.以精加工好的内孔作为定位基面，用心轴装夹工件并用顶尖支承轴心。由于夹具（心轴）结构简单，而且制造安装误差比较小，因此可以保证比较高的同轴度要求，是套筒加工中常见的装夹方法。
Ⅱ.以外圆作精基准最终加工内孔。采用这种方法装夹工件迅速可靠，但因卡盘定心精度不高，且易使套筒产生夹紧变形，故加工后工件的形状与位置精度较低。若要获得较高的同轴度，则必须采用定心精度高的夹具，如弹性膜片卡盘、液性塑料夹具，经过修磨的三爪卡盘和“软爪”等。
⑷防止套筒变形的工艺措施
套筒零件由于壁薄，加工中常因夹紧力、切削力、内应力和切削热的作用而产生变形。故在加工时应注意以下几点。
①为减少切削力和切削热的影响，粗、精加工应分开进行。使粗加工产生的热变形在精加工中得到纠正。并应严格控制精加工的切削用量，以减小零件加工时的形变。
②减少夹紧力的影响，工艺上可以采取以下措施：改变夹紧力的方向，即将径向夹紧为轴向夹紧，使夹紧力作用在工件刚性较强的部位；当需要径向夹紧时，为减小夹紧变形和使变形均匀，应尽可能使用径向夹紧力沿圆周均匀分布，加工中可用过度套或弹性套及扇形爪来满足要求；或者制造工艺凸边或工艺螺纹，以减小夹紧变形。
③为减少热处理变形的影响，热处理工序应置于粗加工之后、精加工之前，以便使热处理引起的形变在精加工中得以纠正。
3.深孔加工
套筒类零件因使用要求与结构需要，有时会有深孔。套筒零件的深孔加工与车床主轴的深孔加工（前述）方法及其特点基本一致，下面就其共性问题作一简要讨论。
孔的长度与直径之比L/D>5时，一般称为深孔。深孔按长径比又可分为以下三类：
L/D=5～20属一般深孔。如各类液压
刚体的孔。这类孔在卧式车床、钻床上用深孔刀具或接长的麻花钻就可以加工。
L/D=20～30属中等深孔。如各类机床主轴孔。这类孔在卧式车床上必须是用深孔刀具加工。
L/D=30～100属特殊深孔。如枪管、炮管、电机转子等。这类孔必须使用深孔机床或专用设备，并使用深孔刀具加工。
⑴深孔加工的具体特点
钻深孔时，要从孔中排出大量切屑，同时又要向切削区注放足够的切削液。普通钻头由于排屑空间有限，切削液进出通道没有分开，无法注入高压切削液。所以，冷却、排屑是相当困难的。另外，孔越深，钻头就越长，刀杆刚性也越差，钻头易产生歪斜，影响加工精度和生产率的提高。所以，深孔加工中必须首先解决排屑、导向和冷却这几个主要问题，以保证钻孔精度，保持刀具正常工作，提高刀具寿命和生产率。
当深孔的精度要求较高时，钻削后还要进行深孔镗削或深孔铰削。深孔镗削与一般镗削不同，它所使用的机床仍是深孔钻床，在钻杆上装上深孔镗刀头，即可进行粗、精镗削。深孔铰削是在深孔钻床上对半精镗后的深孔进行精加工的方法。
⑵深孔加工时的排屑方式
①内冷外排屑方式，高压冷却液从钻杆内孔注入，由刀杆与孔壁之间的空隙汇同切屑一起排出，见图3-28a。
这种外排屑方式的特点是：刀具结构简单，不需用专用设备和专用辅具。排屑空间大，但切屑排出时易划伤孔壁，孔面粗糙度值较大。适合于小直径深孔钻及深孔套料钻。
②内排屑方式，高压切削液从刀杆外围与工件孔壁间流入，在钻杆内孔汇同切屑一同排出，见图3－28b。
图3－28深孔加工时的排屑方式
内排屑方式的特点是：可增大刀杆外径，提高刀杆刚度，有利于提高进给量和生产率。采用高压切削液将切屑从刀杆中冲出来，冷却排屑效果好，也有利于刀杆的稳定，从而提高孔的精度和降低孔的表面粗糙度值。但机床必须装有受液器与液封，并须预设一套供液系统。
⑶深孔加工方式。深孔加工时、由于工件较长，工件安装常采用“以夹一托”的方式，工件与刀具的运动形式有以下三种。
①工件旋转、刀具不转只作进给。这种加工方式多在卧式车床上用深孔刀具或用接长的麻花钻加工中小型套筒类与轴类零件的深孔时应用。
②工件旋转、刀具旋转并作进给。这种加工方式大多在深孔钻镗床上和深孔刀具加工大型套筒类零件及轴类零件的深孔。这种加工方式由于钻削速度高，因此钻孔精度及生产率较高。
③工件不转刀具旋转并作进给。这种钻孔方式主要应用在工件特别大且笨重，工件不宜转动或孔的中心线不在旋转中心上。这种加工方式易产生孔轴线的歪斜，钻孔精度较差。
3.4圆柱齿轮加工
3.4.1．概述
1.圆柱齿轮的功用与结构特点
齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一，它的功用是按规定的比传递运动和动力。圆柱齿轮因使用要求不同而有不同形状，可以将它们分成是由轮齿和轮体两部分构成。按照轮齿的形式，齿轮可分为直齿斜齿和人字齿等；按照轮体的结构，齿轮可大致分为盘形齿轮、套类齿轮、轴类齿轮、内齿轮、扇形齿轮和齿条等。
2.圆柱齿轮的材料及毛坯
齿轮的材料种类很多。对于低速、轻载或中载的一些不重要的齿轮，常用45钢制作，经正火或调质处理后，可改善金相组织和可加工性，一般对齿面进行表面淬火处理。对于速度较高，受力较大或精度较高的齿轮，常采用20Cr、40Cr、20CrMnTi等合金钢。其中40Cr晶粒细，淬火变形小。20CrMnTi采用渗碳淬火后，可使齿面硬度较高，心部韧性较好和抗弯性较强。38CrMoAl经渗氮后，具有高的耐磨性和耐腐蚀性，用于制造高速齿轮。铸铁和非金属材料可用于制造轻载齿轮。
齿轮毛坯的形式主要有棒料、锻件和铸件。棒料用于小尺寸、结构简单且强度要求较低的齿轮。锻造毛坯用于强度要求较高、耐磨、
耐冲击的齿轮。直径大于400～600mm的齿轮常用铸造毛坯。
3.圆柱齿轮的技术要求
⑴齿轮传动精度
渐开线圆柱齿轮精度标准（GB10095--88）对齿轮及齿轮副规定了12个精度等级，第1级的精度最高，第12级的精度最低，按照误差的特性及对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差和极限偏差分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个公差组，分别评定运动精度、工作平稳性精度和接触精度。运动精度要求能准确传递运动，传动比恒定；工作平稳性要求齿轮传递运动平稳，少无冲击、振动和噪声；接触精度要求齿轮传递动力时，载荷沿齿面分布均匀。有关齿轮精度的具体规定读者可参看国家标准。
⑵齿侧间隙
齿侧间隙是指齿轮啮合时，轮齿非工作表面之间的法向间隙。为使齿轮副正常工作，齿轮啮合时必须有一定的齿侧间隙，以便贮存润滑油，补偿因温度、弹性变形所引起的尺寸变化和加工装配时的一些误差。
⑶齿坯基准面的精度
齿轮齿坯基准表面的尺寸精度和形位精度直接影响齿轮的加工精度和传动精度，齿轮在加工、检验和安装时的基准面（包括径向基准面和轴向辅助基准面）应尽量一致。对于不同精度的齿轮齿坯公差可查阅有关标准。
⑷表面粗糙度
常用精度等级的轮齿表面粗糙度与基准表面的粗糙度Ra的推荐值见表3-6。
表3-6齿轮各表面的粗糙度Ra的推荐值
注：当三个公差组的精度等级不同时，按最高的精度等级确定。
3.4.2圆柱齿轮加工的主要工艺问题
1.定位基准的选择与加工
齿轮加工时的定位基准应符合基准重合与基准统一的原则，对于小直径的轴齿轮，可采用两端中心孔为定位基准；对于大直径的轴齿轮，可采用轴颈和一个较大的端面定位；对带孔齿轮，可采用孔和一个端面定位。
不同生产纲领下的齿轮定位基准面的加工方案也不尽相同。带孔齿轮定位基准面的加工可采用如下方案：
①大批大量生产时，采用“钻-拉-多刀车”的方案。毛坯经过模锻和正火后在钻床上钻孔，然后到拉床上拉孔，再以内孔定心，在多刀或多轴半自动车床上对端面及外圆面进行粗、精加工。
②中批生产时，采用“车-拉-多刀车”的方案。先在卧式车床或转塔车床上对齿坯进行粗车和钻孔，然后拉孔，再以孔定位，精车端面和外圆。也可以充分发挥转塔车床的功能，将齿坯在转塔车床上一次加工完毕，省去拉孔工序。
③单件小批生产时，在卧式车床上完成孔、端面，外圆的粗、精加工。先加工完一端，再掉头加工另一端。
齿轮淬火后，基准孔常发生变形，要进行修正。基准孔的修正一般采用磨孔工艺，其加工精度高，但效率低。对淬火变形不大，精度要求不高的齿轮，可采用推孔工艺。
2.齿形加工
齿形加工方法可分为无屑加工和切削加工两类。无屑加工包括热轧、冷轧、压铸、注塑、粉末冶金等，无屑加工生产率高，材料消耗小，成本低，但加工精度低，且易受材料塑性的影响。齿形切削加工精度高，应用广泛，又可分为仿形法和展成法两种。仿形法采用有与被加工齿轮齿槽形状相同的刀刃的成形刀具来进行加工，常用的有模数铣刀铣齿、齿轮拉刀拉齿和成形砂轮磨齿。展成法的原理是使齿轮刀具（相当于小齿轮或齿条）和齿坯（相当于大齿轮）严格保持一对齿轮啮合的运动关系来进行加工，常见的有滚齿、插齿、剃齿、珩齿、挤齿和磨齿等。齿形加工方法中，展成法加工精度和生产率较高，应用十分广泛。
⑴滚齿
1）滚齿的原理及工艺特点
滚齿加工原理即滚刀和工件相当于齿轮齿条啮合，齿轮滚刀是一个经过开槽和铲齿的蜗杆，具有切削刃和后角，其法向剖面近似于齿条，滚刀旋转时，就相当于齿条在连续地移动，被切齿轮的分度圆沿齿条节线作无滑动的纯滚动，滚刀切削刃的包络线就形成被切齿轮的齿廓曲线。
滚齿是齿形加工中生产效率最高、应用最广的一种方法。用
一把滚刀可加工模数相同而齿数和螺旋角不同的直齿圆柱齿轮、斜齿轮，滚齿法还可用于蜗轮加工。滚齿既可用于齿形的粗加工，也可用于精加工。滚齿加工精度一般为6～9级，对于8、9级精度齿轮，可直接滚齿得到，对于7级精度以上的齿轮，通常滚齿可作为齿形的粗加工或半精加工。当采用AA级齿轮滚刀和高精度滚齿机时，可直接加工出7级精度以上的齿轮。
滚齿加工时齿面是由滚刀的刀齿包络而成，由于参加切削的刀齿数有限，齿面的表面质量不太高。为提高加工精度和齿面质量，宜将粗、精滚齿分开。精滚的加工余量一般为0.5～1mm，且应取较高的切削速度和较小的进给量。
2）滚刀
为了使滚刀能切出正确的齿形，滚刀切削刃必须在蜗杆的同一圆柱表面上，这个蜗杆称为滚刀的基本蜗杆。滚刀的基本蜗杆有：渐开线、阿基米德和法向直廓三种。理论上，加工渐开线齿轮应用渐开线蜗杆，但其制造困难；而阿基米德蜗杆轴向剖面的齿形为直线，易于制造，生产中常用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆。为使基本蜗杆形成滚刀，要对其开槽，以形成前刀面和前角。模数1～10mm标准齿轮滚刀均为零前角直槽。为了形成后角，滚刀的顶刃和测刃都需铲齿和铲磨。
标准齿轮滚刀精度分为四级：AA、A、B、C。加工时应按齿轮要求的精度，选用相应的齿轮滚刀。一般，AA级滚刀可加工6～7级齿轮；A级可加工7～8级齿轮；B级可加工8～9级齿轮；C级可加工9～10级齿轮。
3）滚齿的加工精度分析
滚齿加工中，由于机床、刀具、夹具和齿坯再制造、安装和调试中不可避免地存在一些误差，因而被加工齿轮在尺寸、形状和位置等方面也会产生一些误差。它们影响齿轮传动的准确性、平稳性、载荷分布的均匀性和齿侧间隙。
①影响传动准确性的误差分析
影响传动准确性的主要原因是在加工中滚刀和被加工齿轮的相对位置和相对运动发生了变化。相对位置的变化（几何偏心）产生齿轮的径向误差；相对运动的变化（运动偏心）产生齿轮的切向误差。
Ⅰ齿轮径向误差
齿轮径向误差是指滚齿时，由于齿坯的实际回转中心与其定为基准中心不重合，使被切齿轮的轮齿发生径向位移而引起的齿距误差。如图3-29所示：Ｏ为齿坯基准孔中心（即测量或使用时中心），Ｏˊ为加工时的回转中心，两者不重合产生几何偏心e。切齿时齿坯绕Ｏˊ回转，切出的轮齿沿其分度圆分布均匀（如图中实线圆的齿距p1=p2）,但在以Ｏ为中心测量或使用时，其分度圆上的轮齿的分布就不再均匀了（图中双点划线圆的齿距p1′≠p2′）。这种齿距的变化是由于几何偏心使齿廓径向位移引起的，故称为齿轮的径向误差，可通过齿圈径向跳动△Fr和径向综合误差△Fi来评定。
图3-29几何偏心引起的径向误差
切齿时产生齿轮径向误差的主要原因有：a)安装调整夹具时，定为轴心与机床工作台回转中心不重合；b)齿坯内孔与心轴间有间隙，安装偏心；c)基准端面定位不好，加紧后内孔相对工作台回转中心产生间隙。
Ⅱ齿轮切向误差
齿轮切向误差是指加工时，由于机床工作台的不等速旋转，使被切齿轮的轮齿沿切向（即圆周方向）发生位移所引起的齿距累积误差。滚齿时,刀具与齿坯间应保持严格的展成运动,但传动链中各元件的制造和装配误差，必然产生传动误差,使刀具与齿坯间的相对运动不均匀。如图3-30所示,轮齿的理论位置沿分度圆分布均匀(双点划线表示)。设滚切齿1时齿坯的转角误差为0°,当切齿2时,理论上齿坯应转过∠AOB角,实际上由于存在转角误差,齿坯多转了Δφ角,转到∠AOC位置(实线表示),结果轮齿沿切向发生了位移。各轮齿的切向位移不等必然引起齿距累积误差,影响传递运动的准确性。图中可见2、8齿间的公法线长度时明显大于4、6齿间的公法线长度。因此,机床分齿运动不准确所引起的齿
轮切向误差,可通过公法线长度变化量ΔFw来评定。
影响传动链误差的主要原因是工作台分度蜗轮本身齿距累积误差及安装偏心。
为了减少齿轮切向误差，可提高分度蜗轮的制造精度和安装精度和安装精度，也可采用校正装置去补偿蜗轮的分度误差。
②影响传动平稳性的加工误差分析
影响传动平稳性的主要因素是齿轮的基节偏差ΔfPb和齿形误差Δff。滚齿时工件的基节等于滚刀的基节,基节偏差一般较小,而齿形误差通常较大。齿形误差是指被切齿廓偏离理论渐开线而产生的误差,滚齿后常见的齿形误差有:齿面出棱、齿形角误差、齿形不对称、周期误差等,如图3-31所示。
图3-30齿轮的切向位移
产生齿形误差的主要因素是滚刀的制造误差、安装误差和机床分齿传动链的传动误差。滚刀刀齿沿圆周等分不好或安装后有较大的径向跳动及轴向窜动,会引起齿面出棱；滚刀刀齿的齿形角误差及前角0°不准确,会引起齿形角误差；滚刀前刀面与轴线不平行及滚刀对中不好,会引起齿形不对称；滚刀安装后的径向跳动和轴向窜动,分齿挂轮的运动误差,分度蜗杆的径向跳动和轴向窜动等小周期误差,会引起周期误差。
图3-31常见的齿形误差
a)出棱b)不对称c)齿形角误差d)周期误差e)根切
为了保证齿形精度要求,应根据齿轮的精度等级正确选择滚刀和机床的精度,特别要注意滚刀的刃磨精度和安装精度。
③影响载荷均匀性的加工误差分析
齿轮齿面的接触状况直接影响齿轮传动中载荷的均匀性。齿轮齿高方向的接触精度,由齿形精度和基节精度来保证；齿宽方向的接触精度,主要受齿向误差ΔFb的影响。
齿向误差是指轮齿齿向偏离理论位置。产生齿向误差的主要因素是滚刀进给方向与齿坯定位心轴不平行，包括齿坯定位心轴安装歪斜，刀架导轨相对工作台回转中心在齿坯径向或切向不平行。此外，差动交换齿轮传动比计算不够精确会引起斜齿轮的齿向误差。
减少齿向误差的措施有：a)提高夹具制造与安装精度；b)提高齿坯加工精度；c)导轨磨损后及时修刮；d)加工斜齿轮时，差动交换齿轮传动比计算应精确至小数点后5～6位。
⑵插齿
１）插齿的原理和工艺特点
插齿的加工原理为插齿刀与工件相当于一对平行轴的圆柱直齿轮啮合，一个齿轮磨出前后角以形成切削刃即插刀，通过严格的啮合运动，其包络线形成齿形。
插齿是齿形切削加工方法中应用范围最广的一种,可加工圆柱直齿轮、多联齿轮、内齿轮、扇形齿轮和齿条等；配上专门附件，也可加工斜齿轮。插齿既可用于齿形的粗加工，也可用于精加工。插齿精度一般为7～9级，最高可达6级。插齿过程为往复运动，有空行程；插齿系统刚度较差，切削用量不宜太大，故一般插齿的生产率比滚齿低。插齿多用于中小模数齿轮的加工。
２）插齿刀
插齿刀有盘形，碗形和带锥柄三种类型（图3-32）。盘形插齿刀以内孔和端面定位，用螺母紧固在机床主轴上，主要用于加工直齿外齿轮及大模数的内齿轮；碗形插齿刀以内孔和端面定位，夹紧螺母可容纳在刀体内，主要用于加工多联齿轮和带凸肩的齿轮；锥柄插齿刀用带有内锥孔的专用接头与机床主轴连接，主要用于加工内齿轮。
图3-32插齿刀的类型
插齿刀有三个精度等级：AA级适用于加工6级精度的齿轮；A级适用于加工7级精度的齿轮；B级适用于加工8级精度的齿轮。一般可根据被加工齿轮的传动平稳性精度等级选取相应的插齿刀。
3）插齿的加工质量分析
①传动准确性
齿坯安装时的几何偏心使工件产生径向位移，造成齿圈径向跳动；工作台分度蜗轮的运动偏心使工件产生切向位移，造成公法线长度变动，这与滚齿相同。但插齿传动链中多了刀具蜗杆副，且插齿刀全部刀齿参加切削，其本身制造的齿距累积误
差和安装误差，使插齿时齿轮沿切向产生较大的齿距累积误差，因而使插齿的公法线长度变动比滚齿大。
②传动平稳性
插齿刀设计时无近似误差，制造时可用磨削方法获得精确的齿形，所以插齿的齿形误差比滚齿小。
③载荷分布均匀性
机床刀架导轨对工作台回转中心的平行度，使工件产生齿向误差，这与滚齿相同；但插齿上下往复运动频繁，导轨易磨损，且刀具刚性差，因此插齿的齿向误差比滚齿大。
④表面粗糙度
滚齿时滚刀头数、刀槽数一定，切齿的包络刀刃数有限；而插齿圆周进给量可调，使要齿的包络刀刃数远比滚齿多，故插齿的齿面粗糙度值比滚齿小。
⑶剃齿
1）剃齿原理和剃齿刀
剃齿加工如同一对斜齿轮啮合，如图3-33a所示，因螺旋角不同，其轴线交错一个角度φ，剃齿刀回转时，其圆周速度V可分解为两个分量：一个与轮齿方向垂直的法向分速度Vn，以带动工件旋转；另一个与轮齿方向平行的齿向分速度Vt，使两啮合齿面产生相对滑移。剃齿刀实质上是一个高精度的斜齿轮，在齿面上开有小槽，沿渐开线方向形成刀刃（图3-33b），剃齿刀在Vt和一定压力的作用下，从工件齿面上剃下很薄的切屑，且在啮合过程中逐渐把余量切除。
图3-33剃齿原理示意图
1—剃齿刀2—工件
剃齿时剃齿刀和齿轮是无侧隙双面啮合，剃齿刀刀齿的两侧面都能进行切削。由图3-33c截面可见，按Vt方向，刀齿两侧的切削角是不同的，A侧为锐边具有正前角，起切削作用；B侧为钝边具有负前角，起挤压作用。当剃齿刀反向时，Vt也反向，剃齿刀两侧刀刃的作用互换，使轮齿两侧均能得到剃削。剃齿需具备以下运动：①剃齿刀高速正反转一主运动；②工件沿轴向往复进给运动---剃出全齿宽；③工件每一往复行程后的径向进给运动---剃出全齿深。由上述剃齿原理可知，剃齿刀由机床传动链带动旋转，而工件由剃齿刀带动，它们之间并无强制性的展成运动，是自由对滚，故机床传动链短，结构简单。
通用剃齿刀的制造精度分A、B、C三级，分别用于加工6、7、8级齿轮；剃齿刀的螺旋角有15°、10°、5°三种，15°和5°应用最广，15°多用于加工直齿圆柱齿轮，5°多用于加斜齿轮和多联齿轮中的小齿轮。剃齿时两轴线交错角φ不宜超过20o，否则剃齿效果不好。剃齿刀安装后，应认真检查其端面跳动和径向跳动，交错角φ可通过试切调整。
2）剃齿的工艺特点
剃齿是齿轮精加工方法之一。剃齿后的齿轮精度一般可达6-7级，齿面粗糙度值为Ra0.8-0.2μm，剃齿对各种误差的修正情况如下：
①齿圈径向跳动ΔFr剃前具有径向圆跳动的齿轮，在开始剃齿时，刀具不会同齿轮上各轮齿均作无侧隙啮合，而是先同距中心较远的轮齿作无侧隙啮合并进行剃齿。随着径向进给的增加，与刀具作无侧隙啮合的轮齿逐渐增加，齿圈径向圆跳动也就逐渐减少。当全部轮齿进入无侧隙啮合时，齿圈径向圆跳动误差全被消除，即剃齿对ΔFr有较强的修正能力。
②公法线长度变动ΔFwww若剃前齿轮无齿圈径向圆跳动，剃齿时，由于刀具与工件双面啮合和工件的径向进给，使刀具作用在轮齿两侧的压力相等，两侧被剃削的余量也相等。因此，原来沿圆周方向齿距分布不均的轮齿，剃后齿距分布依然不均。故其公法线长度变动没有的到修正。实际上，剃前齿轮总存在一些齿圈径向圆跳动，在剃除齿轮径向圆跳动的过程中，各轮齿被剃除的余量不等，从而导致公法线长度变动加大，故剃齿对ΔFw的修正能力很小。
③基节偏差Δｆpb和齿形误差Δff剃齿时通常剃齿刀与工件有两对齿啮合（图3-34）。若剃齿刀1和工件2的基节相等，两对齿在A、B、C三点接触，在A、C两点切下的金属相等；若
工件的基节大于剃齿刀基节，即Pb2>Pb1,则A点接触，C点切去较多的金属，齿轮基节减小，直至等于剃齿刀基节为止。因此，剃齿对Δfpb的校正能力较强。
图3-34剃齿对基节误差的修正
齿轮有齿形误差时，则同一齿面与剃齿刀齿面各点啮合时，各处的齿距不等，那么，剃齿刀就如同修正基节偏差一样，修正各处的齿形误差。因此，剃齿对Δff也有较强的修正能力，但剃后在齿轮的节圆附近出现中凹现象（图3-34b）。其原因是在节圆附近只有一个齿在被剃削，齿面啮合处的压力就大，剃齿力大，故多剃去了一些金属。这种齿面中凹现象常通过修磨剃齿刀使其齿形中凹来解决，也可用减少剃齿余量和径向进给量来弥补。
④齿向误差Δfb剃齿前仔细调整机床前后顶尖同轴及剃齿刀与齿轮两者轴线交错角φ，就能使齿轮的齿向误差得到较大的修正。
综上所述，由于剃齿刀与工件自由对滚而无强制性的啮合运动，剃齿对齿轮传动的准确性提高不多，对传动的平稳性和载荷分布均匀性都有较大提高，且齿面粗糙度值较小。
⑷珩齿
珩齿是齿轮热处理后的一种光整加工方法。珩齿原理与剃齿相似，珩轮与工件是一对斜齿轮副无侧隙的自由紧密结合，如图3-35b所示，珩齿所用的刀具（即珩轮-）是一个由磨料、环氧树脂等原料混合后在铁芯上浇铸而成的斜齿轮（图3-35a）。珩轮回转时的圆周速度V，可分解为法向分速度Vn，以带动工件回转；齿向分速度Vt，使珩轮与工件产生相对滑移。珩轮上的磨料借助珩轮齿面和工件齿面间的相对滑移速度Vt磨去工件齿面上的微薄金属。
图3-35珩齿原理
珩齿的运动与剃齿基本相同，即珩轮带动工件高速正反转；工件沿轴向往复运动及工件径向进给运动。所不同的是其径向进给是在开车后一次进给到预定位置。因此珩齿开始时齿面压力较大，随后逐渐减小，直至压力消失时珩齿便结束。
珩齿时，齿面间除沿齿向产生相对滑移进行切削外，沿渐开线方向的滑动使磨粒也能切削，因此齿面形成交叉复杂的刀痕，其齿面的表面粗糙度Ra可达0.8～0.4μm，且齿面不会烧伤，表面质量较好。
珩齿方法有外啮合珩齿、内啮合珩齿和蜗杆状珩磨轮珩齿三种，如图3-36所示。
图3-36珩齿方法
a)外啮合珩齿b)内啮合珩齿c)蜗杆状珩磨轮珩齿
珩磨轮的精度对于珩齿精度影响极大。被珩齿轮的误差由珩轮修正，且珩轮的误差也直接反映到齿轮上，因此要提高珩齿精度，就必须采用高精度的珩轮。
珩齿对齿轮的传动平稳性误差修正能力较强；对传动准确性误差修正能力较差；对齿向误差有一定的修正能力。
珩齿余量一般为单边0.01～0.02mm，珩轮转速在1000r/min以上，一般工作台3～5个往复行程即可完成珩齿，生产率很高（一般约一分钟珩一个齿轮）。
珩齿设备结构简单，操作方便，在剃齿机上即可珩齿。珩轮浇注简单，成本低。故珩齿多用于成批生产中淬火
后齿形的精加工，加工精度可达6～7级。
⑸挤齿
挤齿是一种齿轮无屑光整加工新工艺，可用来代替剃齿。挤齿时挤轮与被挤齿轮轴线平行，两挤轮同向旋转带动齿轮作无侧隙啮合的自由对滚，如图3-37所示。挤轮实质上是一个高精度的圆柱齿轮，其宽度大于被挤齿轮宽度，挤轮连续径向进给对工件施加压力，使工件齿廓表层金属产生塑性变形，以修正齿轮误差和提高表面质量。
图3-37挤齿原理
1-被挤齿轮；2-挤轮
挤齿为淬火前的齿轮精加工，一般精度可达6～7级，表面粗糙度值Ra为0.4～0.1μm；且被挤齿轮强度高，寿命长。挤齿机床结构简单，成本低；挤轮材料要有一定的强度和耐磨性，一般用铬锰钢或高速钢制造，其寿命长，相对其它齿轮刀具来说成本较低；挤齿生产率高，一般挤一个齿轮不到30s。
⑹磨齿
磨齿是齿形加工中精度最高的一种方法。磨齿精度为４～６级，最高可达３级，齿面粗糙度值Ｒａ为0.8～0.4μm。磨齿对磨前齿轮误差或热处理变形有较强的修正能力，故多用于高精度的硬齿面齿轮、插齿刀和剃齿刀等的精加工，但生产率较低，加工成本较高。
磨齿方法有仿形法和展成法两大类，生产中常用展成法。展成法又可分为锥面砂轮磨齿、碟形砂轮磨齿、蜗杆砂轮磨齿等。
1）锥面砂轮磨齿
如图3-38a所示，砂轮截面呈锥形，相当于齿条的一个齿。磨齿时，砂轮一面高速旋转（n），一面沿齿槽方向往复运动（f）以磨出全齿宽；工件一面旋转（w），一面移动（v），实现展成运动。在工件的一个往复过程中，先后磨出齿槽的两个侧面，然后工件快速离开砂轮进行分度，磨削下一个齿槽。
图3-38展成法磨齿
这种磨齿法砂轮刚性好，磨削效率较高。但机床转动链复杂，磨齿精度较低，一般为5～6级，多用于成批生产中磨削6级精度的淬硬齿轮。
2）碟形的砂轮磨齿
如图3-38b所示，两片碟形砂轮倾斜安装以构成齿条齿形的两个侧面。磨齿时，砂轮高速旋转（n）；工件一面旋转（w），一面移动（v），实现展成运动；工件沿轴线方向慢速进给运动（f）以磨出全齿宽。当一个齿槽的两侧面磨完后，工件快速离开砂轮进行分度，磨削下一个齿槽。
这种磨齿法的展成运动传动环节少，传动误差小，分齿精度较高，故加工精度可达3～5级。但砂轮刚性差，切深小，生产率低，故加工成本较高，适用于单件小批生产高精度的直齿圆柱齿轮、斜齿轮的精加工。
3）蜗杆砂轮磨齿
如图3-38c所示，蜗杆砂轮磨齿原理与滚齿相似，其砂轮制作成蜗杆状，砂轮高速旋转（n），工件通过机床的两台同步电动机作展成运动（w），工件还沿轴向作进给运动（f）以磨出全齿宽。
为保证必要的磨削速度，砂轮直径较大（Φ200～Φ400mm），且转速较高（2000r/min），又是连续磨削，所以生产效率很高。磨削精度一般为5级，最高可达3级，适用于大、中批生产的齿轮精加工。
3.4.3圆柱齿轮加工工艺分析
圆柱齿轮加工工艺，常随着齿轮的结构形状、精度等级、生产批量及生产条件不同而采用不同的工艺方法。图3-39所示为一双联齿轮，材料为40Cr，精度为7级，中批生产，其加工工艺过程见表3-7。
由表中可见，齿轮加工工艺过程大致要经过以下几个阶段：毛坯加工、热处理、齿坯加工、齿形粗加工、齿端加工、齿面热处理、修正精基准及齿形精加工等。
齿轮号
I
II
模数
m
齿数
z
28
42
精度等级
7GK
7JL
齿圈径向圆跳动
Fr
0.036
公法线长度变动
Fy
0.028
基节极限偏差
Fvb
±0.013
齿形公差
ff
0.011
齿向公差
Fβ
跨齿数
公法线平均长度
21.36
27.61
图3-39双联齿轮
表3-7双联齿轮加工工艺过程
毛坯锻造
20
30
粗车外圆级端面，留余量1.5～2mm，钻镗花键底孔至尺寸?30H12
外圆及端面
40
拉花键孔
Φ30H12孔及A面
50
钳工去毛刺
60
上心轴，精车外圆、端面及槽至尺寸要求
花键孔及A面
70
80
滚齿（z=42），留剃余量0.07～0.10mm
90
插齿（z=28），留剃余量0.04～0.06mm
100
倒角（Ⅰ、Ⅱ齿轮12°角）
花键孔及端面
110
120
剃齿（z=42），公法线长度至尺寸上限
130
剃齿（z=28），公法线长度至尺寸上限
140
齿部高频感应加热淬火：G52
150
推孔
160
珩齿（Ⅰ、Ⅱ）至尺寸要求
170
总检入库
1）定位基准选择
为保证齿轮的加工精度，应根据“基准重合”原则，选择齿轮的设计基准、装配基准为定位基准，且尽可能在整个加工过程中保持“基准统一”。
轴类齿轮的齿形加工一般选择中心孔定位，某些大模数的轴类齿轮多选择轴颈和一端面定位。
盘类齿轮的齿形加工可采用两种定位基准：
①内孔和端面定位，符合“基准重合”原则。采用专用心轴，定位精度较高，生产率高，故广泛用于成批生产中。为保证内孔的尺寸精度和基准端面对内孔中心线的圆跳动要求，进行齿坯加工时应尽量在一次安装中同时加工内孔和基准端面。
②外圆和端面定位，不符合“基准重合”原则。用端面作轴向定位，并找正外圆，不需要专用心轴，生产率较低，故适用于单件小批生产。为保证齿轮的加工质量，必须严格控制齿坯外圆对内孔的径向圆跳动。
2）齿形加工方案选择
齿形加工方案选择，主要取决于齿轮的精度等级、生产批量和齿轮热处理方法等。
8级或8级精度以下的齿轮加工方案：对于不淬硬的齿轮用滚齿或插齿即可满足加工要求；对于淬硬齿轮可采用滚（或插）——齿端加工——齿面热处理——修正内孔的加工方案。热处理前的齿形加工精度应比图样要求提高一级。
6～7级精度的齿轮一般有两种加工方案：①剃——珩齿方案：滚（或插）齿——齿端加工——剃齿——表面淬火——修正基准——珩齿。②磨齿方案：滚（或插）齿——齿端加工——渗碳淬火——修正基准——磨齿。剃——珩齿方案生产效率高，广泛用于7级精度齿轮的成批生产中。磨齿方案生产率低，一般用于6级精度以上或虽低于6级但淬火后变形较大的齿轮。
随着刀具材料的不断发展，用硬滚、硬插、硬剃齿代替磨齿，用珩齿代替剃齿，可取得很好的经济效益。例如可采用滚齿——齿端加工——齿面热处理——修正基准——硬滚齿的方案。
5级精度以上的齿轮加工一般应取磨齿方案。
3）齿轮热处理
齿轮加工中根据不同要求，常安排两种热处理工序：
①齿坯热处理
在齿坯粗加工前后常安排预先热处理——正火或调质。正火安排在齿坯加工前，其目的是为了消除锻造内应力，改善材料的加工性能。调质一般安排在齿坯粗加工之后，可消除锻造内应力和粗加工引起的残余应力，提高材料的综合力学性能，但齿坯的硬度稍高，不易切削，故生产中应用较少。
②齿面热处理
齿形加工后为提高齿面的硬度及耐磨性，根据材料与技术要求，常安排渗碳淬火、高频感应加热淬火及液体碳氮共渗等处理工序。经渗碳淬火的齿轮变形较大，对高精度齿轮尚需进行磨齿加工。经高频感应加热淬火处理的齿轮变形较小，但内孔直径一般会缩小0.01～0.05mm，淬火后应予以修正。有键槽的齿轮，淬火后内孔经常出现椭圆形，为此键槽加工宜安排在齿面淬火之后。
4）齿端加工
齿轮的齿端加工有倒圆、倒尖、倒棱（如图所示3-40所示）和去毛刺等。倒圆、倒尖后的齿轮，沿轴向滑动时容易进入啮合。倒棱可去除齿端的锐边，这些锐边经淬火后很脆，在齿轮传动中易崩裂。
图3-40齿端加工
齿端加工必须安排在齿轮淬火之前，通常多在滚（插）齿之后。
5）精基准修正
齿轮淬火后基准孔常产生变形。为保证齿形精加工的精度，对基准孔必须进行修正。对大径定心的花键孔齿轮，通常用花键推刀修正。对圆柱孔齿轮，可采用推孔或磨孔修正。推孔生产率高，常用于内孔未淬硬的齿轮，可用加长推刀前引导部分来防止推刀歪斜以保证推孔精度。磨孔精度高，但生产率低，适用于整体淬
火齿轮及内孔较大、齿厚较薄的齿轮。磨孔时应以分度圆定心，这样可使磨孔后的齿圈径向圆跳动较小，对后续磨齿或珩齿有利。实际生产中以金刚镗代替磨孔也取得了较好的效果，且提高了生产率。
复习题
1.主轴结构特点和技术要求有哪些？
2.车床主轴毛坯常用的材料有哪几种？对于不同的毛坯材料在加工各个阶段应如何安排热处理工序？这些热处理工序起什么作用？
3.试分析车床主轴加工工艺过程中，如何体现“基准重合”、“基准统一”等精基准选择原则？
4.顶尖孔在主轴机械加工工艺过程中起什么作用？为什么要对顶尖孔进行修磨？
5.轴类零件上的螺纹、花键等的加工一般安排在工艺过程的哪个阶段？
6.箱体零件的结构特点和主要技术要求有哪些？为什么要规定这些要求？
7.选择箱体零件的粗、精基准时应考虑哪些问题？
8.孔系有哪几种？其加工方法有哪些？
9.如何安排箱体零件的加工顺序？一般应遵循哪些原则？
10.套筒类零件的深孔加工有何工艺特点？针对其特点应采取什么工艺措施？
11.薄壁套筒零件加工时容易因夹紧不当产生变形，应如何处理？
12.圆柱齿轮规定了哪些技术要求和精度指标？它们对传动质量和加工工艺有什么影响？
13.齿形加工的精基准应如何选择？齿轮淬火前精基准的加工和淬火后精基准的修整通常采用什么方法？
14.滚齿、插齿、磨齿的工作原理及工艺特点各是什么？它们各适用于什么场合？
15.齿轮的典型加工工艺过程一般由哪几个加工阶段所组成？其中毛坯热处理和齿面热处理各起什么作用？应安排在工艺过程的哪一个阶段？
16.编制图3-41所示小滑板丝杠轴的机械加工工艺规程。其生产类型为中批生产，材料45钢，需调质处理。
图3-41小滑板丝杠轴
17.编制图3-42所示套筒零件的机械加工工艺过程。其生产类型为中批生产，材料为HT200。
图3-42套筒零件
18.编制图3-43所示箱体零件的机械加工工艺过程，重点说明其内孔加工方案。其生产类型为中批生产，材料为铸铁。
图3-43箱体零件
19.编制图3-44所示双联齿轮的机械加工工艺过程。其生产类型为单件小批生产，材料45，齿部高频淬火48HRC。
图3-44双联齿轮
※参考资料：
■机械制造基础、苏建修、机械工业出版社，2003；
■机械制造工艺与机床夹具、刘守勇、机械工业出版社，2004；