1、軸類零件的加工特點及質量控制方法 摘 要對軸類零件的分類，技術要求，材料和毛坯，熱處理以及加工工藝特點等進行了分析和闡述，從理論上對常用機械加工質量控制方法進行了介紹，同時結合實際生產總結對于提高軸類零件加工質量的常用措施進行了論述，對于軸類零件的加工具有一定的參考和指導作用。關鍵詞：軸類零件；質量控制；加工工藝；細長軸；毛坯 0引言激烈的市場競爭使企業高度重視產品的質量。對于機械制造企業，為了提高加工質量和生產率，降低廢品率和加工成本，必須嚴格監控以機械加工工藝系統為基礎的機械加工過程。本文主要以軸類零件的加工特點以及質量控制方法為中心，查閱了1986-2012年相關雜志，期刊的文章，由這些

2、文獻綜合看，機械加工包括軸類零件的加工正在向高度自動化，智能化，高精度，多學科綜合的方向發展。同時本文就軸類零件加工中的典型加工如細長軸的車削、加工定位，熱處理等常規加工，又例如梯形螺紋軸類零件加工非常規加工的特點進行了介紹和闡述，同時就現在研究的質量控制方法以及提高軸類零件加工的的措施和操作進行了介紹。1軸類零件的分類1軸是機械加工中常見的典型零件之一。其在機械中主要用于支承齒輪、帶輪、凸輪以及連桿等傳動件，用以傳遞扭矩。按結構形式不同，軸可以分為階梯軸、錐度心軸、光軸、空心軸、曲軸、凸輪軸、偏心軸、各種絲杠等如下圖1-1，其中階梯傳動軸應用較廣，其加工工藝能較全面地反映軸類零件的加工規律和

3、共性。圖1-12.軸類零件的技術要求根據軸類零件的功用和工作條件，軸類零件的技術要求主要主要包括以下幾方面：2-1 尺寸精度 軸類零件的主要表面常為兩類：一類是與軸承的內圈配合的外圓軸頸，即支承軸頸，用于確定軸的位置并支承軸，尺寸精度要求較高，通常為IT 5IT7；另一類為與各類傳動件配合的軸頸，即配合軸頸，其精度稍低，常為IT6IT9。2-2 幾何形狀精度 主要指軸頸表面、外圓錐面、錐孔等重要表面的圓度、圓柱度。其誤差一般應限制在尺寸公差范圍內，對于精密軸，需在零件圖上另行規定其幾何形狀精度。2-3 相互位置精度 包括內、外表面、重要軸面的同軸度、圓的徑向跳動、重要端面對軸心線的垂直度、端面

4、間的平行度等。2-4 表面粗糙度 軸的加工表面都有粗糙度的要求，一般根據加工的可能性和經濟性來確定。支承軸頸常為0.21.6m，傳動件配合軸頸為0.43.2m。2-5 其他 熱處理、倒角、倒棱及外觀修飾等要求。3.軸類零件的材料及毛坯3-1 軸類零件材料 常用45鋼，精度較高的軸可選用40Cr、軸承鋼GCr15、彈簧鋼65Mn，也可選用球墨鑄鐵；對高速、重載的軸，選用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金鋼或38CrMoAl氮化鋼。3-2 軸類零件的毛坯2 軸類零件最常用的毛坯是圓鋼料和鍛件，只有某些大型、結構復雜的軸，才采用鑄鐵或鑄鋼件。常用的光軸毛坯一般采用熱軋圓鋼和冷卻圓鋼；

5、當要求毛坯具有較高的機械性能時應采用鍛件。對于階梯軸，當階梯尺寸相差較大時，為了節約原材料，也常采用鍛件。毛坯鍛件有兩種：自由鍛件和模鍛。采用自由鍛造方式設備簡單，容易投產，但毛坯余量大，精度比較差，而且不能鍛造形狀復雜的毛坯，一般多用于單件和中小批生產。機械修配和重型機械的毛坯零件多采用自由鍛造。模鍛毛坯精度較高，余量小，可以鍛造形狀比較復雜的毛坯，但模鍛需要較大型設備，而且需要制造形狀復雜的耐熱鋼模具，設備投資大，生產準備時間長。因而只適用大批量生產。 4.軸類零件的熱處理 鍛造毛坯在加工前，均需安排正火或退火處理，使鋼材內部晶粒細化，消除鍛造應力， 降低材料硬度，改善切削加工性能。為消除

6、磨削應力，粗磨后安排低溫時效工序（烘）。(調質一般安排在粗車之后、半精車之前，以獲得良好的物理力學性能。表面淬火一般安排在精加工之前，這樣可以糾正因淬火引起的局部變形。精度要求高的軸，在局部淬火或粗磨之后，還需進行低溫時效處理。 5.軸類零件的加工工藝特點2 軸類零件常用的加工方法為車削和磨削，當表面質量要求很高時，還應增加光整加工。軸類零件的一般加工工藝特點如下： 5-1軸類零件的預備加工 在預備加工中有校直、切斷、切端面和鉆中心孔。鉆中心孔時的注意點：中心孔應有足夠大的尺寸和準確的錐角。因中心孔在加工過程中要承受零部件的重量和切削力，因此尺寸過小和錐角不準確，將會是中心孔和頂尖很快被磨損。

7、兩端中心孔應在同一軸心線上。中心孔和頂尖接觸不良，容易產生變形和磨損，使加工的外圓產生圓度誤差。 5-2軸類零部件定位基準的選擇 軸類零件加工時，一般采用兩中心孔作為定位基準。在加工外圓時總是先加工軸的兩端面和鉆中心孔，為后繼加工工序作為定位基準的準備。軸類零件各外圓、錐孔、螺紋等表面的設計基準一般都是軸的中心線，因此選擇兩中心孔定位是符合基準重合原則的，加工時能達到較高的相互位置精度，且工件裝夾方便，故兩中心空定位方式應用最廣泛。 在車削較長軸時，常將軸一端裝夾在卡盤中，靠近尾座的另一端用中心孔頂住，或用中心架托住，這樣工件的剛度要比用兩中心孔定位時增加很多。但是，用卡盤裝卡方法關鍵的缺點是

8、定心精度不高（0.060.15mm），因此，不能保證較高的相互位置精度。 5-3 外圓車削與磨削加工 5-3-(1)外圓車削 外圓車削是機械加工中最常見的加工方法，其工藝范圍廣泛，可以劃分為荒車、粗車、半精車、精車等階段。各個加工階段主要根據毛坯制造精度和工件最終的精度要求來選擇。對于每個具體工件來說，不一定都要經過那些全部的加工階段。5-3-(2)外圓磨削3 為保證工件外圓的磨削精度，熱處理后須安排研磨中心孔的工序，并要求達到較細的表面粗糙度。外圓磨削時，影響工件的圓度主要是由于二頂尖孔的同軸度，及頂尖孔的圓度誤差。5-4細長軸的車削加工4在車削加工中，細長軸因其剛性較差、熱擴散性能差、細長

9、軸因其細而長等特點，使得其在車削時存在走到時間長，刀具磨損嚴重的現象。因而影響細長軸工件的尺寸、形狀、位置精度及表面品質。在生產加工中，采取反向走刀法的工藝措施車削細長軸，來保證細長軸的加工精度和加工品質，從而達到了提高生產效率，降低成本的目的。5-5 軸類零件的磨削5 當前國內外的磨削加工中，切入式磨削加工被廣泛的應用，它對提高加工效率、成型加工、實現自動化連續控制、自動測量以及各種自動化設備的應用，具有一定的俱進作用。 5-6軸上鍵槽加工6 軸上鍵槽的加工雖然屬于次要表面的加工，但是鍵槽的作用很重要，而且應用很廣泛。因此，軸上鍵槽加工工序以及其加工方法就顯得很重要，需要綜合考慮各方面因素，

10、做出合理的選擇，從而保證軸類零件的加工精度，提高勞動生產率。5-7軸類零件中心孔的加工7在軸類零件的加工中，一般都是在軸的兩端先加工出中心孔，然后以中心孔為工藝基準進行其他部位的加工。對于小尺寸的軸類零件，工藝設計實施起來很方便，但對于大型軸類零件，尤其對于大型鍛造而成的軸類零件，表面不圓，表面缺陷較多，彎曲較大，其中心孔的加工就比較困難，一般要先進行劃線，確定中心孔位置后再進行中心孔的加工。5-8軸類零件的加工定位85-8-（1）以工件的中心孔定位在軸的加工中,零件各外圓表面,錐孔、螺紋表面的同軸度,端面對旋轉軸線的垂直度是其相互位置精度的主要項目,這些表面的設計基準一般都是軸的中心線,若用

11、兩中心孔定位,符合基準重合的原則。中心孔不僅是車削時的定為基準,也是其它加工工序的定位基準和檢驗基準,又符合基準統一原則。當采用兩中心孔定位時,還能夠最大限度地在一次裝夾中加工出多個外圓和端面。5-8-（2）以外圓和中心孔作為定位基準( 一夾一頂 )用兩中心孔定位雖然定心精度高,但剛性差,尤其是加工較重的工件時不夠穩固,切削用量也不能太大。粗加工時,為了提高零件的剛度,可采用軸的外圓表面和一中心孔作為定位基準來加工。這種定位方法能承受較大的切削力矩,是軸類零件最常見的一種定位方法。5-9軸類零件加工工藝規程1零件正確規范的工藝規程是企業科學組織生產、保證產品質量的重要依據。軸類零件應用非常廣泛

12、且結構相近，經過歸納總結，制定完善合理的機械加工工藝規程對軸類零件的加工具有重要的指導意義。5-10軸類零件的數控加工工藝9數控加工制造技術正逐漸得到廣泛的應用, 在軸類零件的加工具有很大的發展前景，對零件進行編程加工之前 , 工藝分析具有非常重要的作用，對于提高制造質量、實際生產具有一定的指導意義。5-11軸類零件通常進行調質處理10軸類零件通常進行調質處理，調質工藝是淬火和高溫回火的合稱。圖樣上常采用硬度指標作為產品的性能要求，所給出的硬度值范圍是質量控制的依據。對少量軸類產品進行調質處理時硬度很好掌握，但對大批量軸件進行調質處理時硬度就很容易超差失控。調質過程中有三個環節影響調質后的質量

13、，即淬火加熱、淬火冷卻和回火。5-12中心孔錐面面積對軸類零件加工精度的影響11在機械加工中,有許多精度要求較高的軸類零件,如精密機床主軸、專用芯軸等,由于在精加工過程中工件是以中心孔為主要定位基準加工外圓、端面的,因此對中心孔精度要求很高。目前大多數企業均采用鑄鐵棒研磨法、硬質合金頂尖擠研法、四棱頂尖擠研法、卡住擠削法、砂輪頂尖研磨等方法來對標準中心孔進行研磨,使其最終在60“錐角、幾何尺寸、粗糙度、圓度等指標上達到設計要求,以此來保證工件的加工精度。但在實際加工當中,我們發現:當研磨較小工件的標準中心孔時(工件外形尺寸小,中心孔就小),通過上述方法可較易達到精度要求,而當研磨大型工件的標準

14、中心孔時,就比較困難,從而造成工件表面同軸度、圓度及支承軸頸的相對徑向圓跳動、軸肩端面圓跳動大大超差,產生廢品,廢品率往往達到20%以上。要想磨好一件高精度的軸類工件,除了磨床本身必須符合精度要求和按操作規程外,最重要的就是保證中心孔的修研質量,根據實踐證明,中心孔60度錐面采用較小的尺寸對車削和磨削都比較適當,得到的效果也較好。5-13梯形螺紋軸類零件加工12梯形螺紋軸類零件的加工是機器加工中經常遇到的典型零件之一。梯形螺紋由于牙型高度深,精度高,牙型兩側面表面粗糙度值較小、車削難度較大等特點,高速車削時不能很好地保證螺紋的表面粗糙度,達不到加工的要求,低速車削時生產效率又很低,而直接從高速

15、變為低速車削時則會導致螺紋亂牙。相對來說對車刀的刃磨、車削方法及測量檢查方法等加工工藝要求較高。 13由于車床、工件、夾具、刀具工藝系統的自身精度和剛度對工件車削后的精度及表面都有著直接的影響，工藝系統的溫度，受力及工件內部應力與車削質量也有很大的關系13。 6.軸類零件加工質量控制6-1軸類零件質量控制的方法14軸類零件的常規加工方法是車削和磨削，屬于機械加工，而機械加工過程質量控制方法主要有：質量抽樣檢驗理論、統計過程控制方法和正在興起的智能質量控制方法。其中，質量抽樣檢驗理論的控制原理是根據制訂的抽樣方案對生產出來的整批產品進行抽樣檢驗，剔除不合格品，保留合格品，從而保證出廠產品的質量如

16、下圖1-（a）；統計過程控制方法的基本控制思路是在線或離線測量工序已加工出的成品或半產品質量特性數據后，從中抽取樣本構成統計分析量，根據樣本數據點在工序控制圖中的分布來反映當前生產過程的狀態，區分出生產過程中產品質量的偶然波動與異常波動，并對過程的異常波動及時報警，從而提示現場人員采取相應的質量改進措施，如下圖1-（b）所示；基于人工神經網絡和專家系統等智能技術的質量控制方法的基本控制思路是：首先利用被控過程的歷史信息進行神經網絡訓練，建立過程模型，并以當前生產條件為過程模型輸入進行過程輸出預測，再根據預測值與理想值間的偏差來調整生產條件參數，實施誤差補償，以實現加工產品質量的“零缺陷”，如下

17、圖1-（c）6-2提高軸類零件加工質量的途徑零件的加工質量是保證產品質量的基礎，因此，在加工環節中我們必須注重機械加工的質量控制，從各方面進行改進，從而提高機械產品的使用性能、增加機械產品使用壽命15。機械加工精度指的是工件在形狀、尺寸、位置方面的理想參數與工件加工后的實際參數之間的相差程度，其差值是加工誤差。機械加工質量主要是指機械加工精度的控制，機械加工質量越好，說明機械加工精度控制好，加工誤差小。機械加工精度主要包括尺寸、形狀、位置精度。在相同加工條件下，生產的同批次工件因為各種因素的綜合性影響加工精度不盡相同。為了保證加工質量和精度 ，保證工件加工誤差都在規定要求的公差帶范圍內 ，提高

18、機械加工的經濟效益和生產效率 ，我們必須分析影響加工質量的因素提出可行有效的控制措施16。6-2-（1）降低主軸回轉誤差17為了分析的方便，可以將主軸回轉軸線的運動誤差分解為三種基本形式：純徑向園跳動、純軸向竄動和純角向擺動。由于主軸實際回轉中心在不斷變化，所以實際誤差是上述三種運動形式合成，所產生的一個瞬時值。是以某一固定部位與軸承內表面的不同部位接觸 ，因而當滑動軸承內孔有圓度誤差時，將使主軸在回轉的過程中生徑向跳動，引起撞孔的圓度誤差，而主軸頸本身的圓度誤差影響較小 。6-2-（2）減少滑動軸承對回轉誤差的影響采用滾動軸承結構的機床中，滾道形狀誤差對不同機床的影響是不同的。對于車床類機床

19、，由于軸承承載區位置基本上不變，故滾動軸承內環滾道的圓度是影響主軸回轉精度的主要因素，而對于鏗床類機床，由于軸承承載區位置是不斷變化的，滾動軸承外環滾道的圓度是影響主軸回轉精度的主要因素。6-2-（3） 控制主軸回轉誤差對加工精度的影響主軸回轉誤差對加工精度的影響，取決于不同截面內主軸瞬時回轉中心相對于刀尖位置變化情況。而這種變化應重點分析在加工誤差敏感方向上的影響。對于刀具回轉類機床，加工誤差敏感方向和切削力方向隨主軸回轉而不斷變化，如螳床；對于工件回轉類機床，加工誤差敏感方向和切削力方向均保持不變，如車床。下面以車床、程床為例，就主軸回轉誤差的三種基本形式對加工精度的影響進行分析。主軸純徑

20、向圓跳動誤差對于孔加工時，鏗出的孔是長短軸不變或變化的橢圓柱。車削時，主軸純徑向圓跳動對工件的圓度誤差影響很小，車出的工件表面接近于一個真圓。主軸純軸向竄動誤差對內外圓柱面的加工沒有影響，但在加工端面時，會使加工出的工件端面與內外圓軸線不垂直，產生平面度誤差，加工螺紋時產生螺距誤差。主軸軸線產生純角度擺動，在車削時工件同一截面的園度誤差小，但是會產生圓柱度誤差。鏜孔時，純角度擺動使主軸軸線與工作臺導軌不平行，使鏗出的孔呈橢圓形。6-2-（4）提高主軸回轉精度的措施提高主軸回轉精度通常采用以下措施 ：1）選用高精度的軸承，并提高主軸及箱體的制造精度和主軸部件的裝配精度；2）使回轉精度不依賴于主軸

21、。工件的回轉成形運動不是靠機床主軸的回轉運動來實現 ，而是靠夾具的回轉運動副來實現，如采用死頂尖磨外因時，提高項尖孔質量 ，保證兩頂尖孔的同軸度，對保證工件的形狀精度非常重要。6-2-（5） 提高直線運動精度為了提高機械加工的質量，通常常采用刮研等方法加工提高機床導軌的加工精度和配合接觸精度：采用靜壓導軌或貼塑導軌提高傲動進給定位精度和機床精度保持性；選用合理的導軌形狀和導軌組合形式來提高直線運動精度如 90°的雙三角形導軌其直線運動精度保持性較好，而這種導軌的磨損主要在垂直方向，故對一些在垂直方向是誤差非敏感方向的機床 ( 如臥式車床 ) 可長期保持原有精度。6-2-（6） 加工過

22、程工藝調整在機械加工的每一個工序中，為獲得被加工表面的尺寸、形狀和位置精度，總是要對工藝系統進行這樣或那樣的調整。由于調整個可能絕對地準確，因而產生調整誤差。單件、小批生產中普遍采用試切法加工。加工時先在工件上試切，然后測量、調整再試切，直至符合規定的尺寸要求時，再正式切削出整個待加工表面。在成批、大量生產中，廣泛采用調整法 ( 或樣件樣板 )。預先調整好刀具與工件的相對位置，并在一批零件的加工過程中保持這種相對位置不變來獲得所要求的零件尺寸。在以后的加工免去試切，所以既縮短了調整時間 ，又可得到較高的加工精度。6-2-（7）實行超精密加工在機床上加工較高精度軸類零件時,由于刀具磨損和機床熱變

23、形等原因,工件直徑尺寸需要經常測量,并需經常調整刀具位置。這樣不但影響生產效率,而且還難以保證直徑的質量要求，故可采用超精密加工18。超精密加工也是提高機械加工質量的一種措施，超精密加工是指加工精度和表面質量超過當前所用公差標準中最高程度的加工工藝。精密加工和超精密加工的界限不是固定不變的，隨著科學技術的進步而逐漸向前推移。精密加工與超精密加工的主要特點是機床精度高、剛性好，機床具有精確的微量進給裝置，機床工作臺低速運動穩定性好以及工藝系統抗振性好，此外，還具有如下特點 ：1）精密和超精密加工都是以精密元件為加工對象，與精密元件密切結合而發展起來的，因此不能脫離精密元件搞精密加工。精密加工的方

24、法、設備和對象是互相關聯的 ；2）超精密加工時，吃刀且極小，是微量切除和超微量切除，因而對刀具刃磨、砂輪修整和機床均有很高的要求；3）精密和超精密加工是一門綜合性高級技術，要達到高精度和高表面質量，要考慮加工方法、加工工具及其材料的選擇；被加工材料的結構及質量、加工設備的結構及技術性能、測試手段和測試設備的精度；恒溫、凈化、防振的工作環境，工件的定位與夾緊方式和入的技藝等諸多因素，因此，精密加工和超精密加工是一個系統工程 ；4）在精密加工和超精密加工中，檢測和加工聯系十分緊密，精密測量是精密加工和超精密加工的必要條件，需要具備與加工精度相適應的測量技術，否則就不能判斷加工精度是否達到要求，也無

25、法為加工精度的進一步提高指出方向。總之，為了提高機械加工質量與控制，除了以上工藝以外，還要注意保持工藝系統的熱平衡，這樣可使機床作高速空運轉，當機床在較短時間內達到熱平衡之后，再進行加工。必要時，還可以在機床的適當部位設置控制熱源，人為地給機床加熱，使其盡快地達到熱平衡狀態。另外精密機床加工時應盡量避免中途停車。此外還必須控制加工機械的環境溫度，精密機床一般安裝在恒溫車間，其恒溫精度一般控制在 +1以內，精密級為 +0.5。恒溫基數按季節調節一般春、秋為 20，在夏季取 23，在冬季可取17。以上等因素是機械加工質量與控制綜合因素，缺一不可18。7.總結機械產品的質量主要是在機械加工過程中形成

26、的。根據機械加工系統的實際工藝能力狀況對加工過程進行合理的調控、優化，最大化的發揮機械系統的工藝能力，是提高機械加工質量和生產效率的有效途徑20。由于軸類零件在加工中產生的切削力、切削熱、振動等將直接影響工件的尺寸精度和形位精度, 加工難度大。因此軸類零件的加工應在確定合適的加工工藝、加工原則和合理安排加工順序的基礎上,優化裝夾方法, 同時加強先進技術的應用,使軸類零件的加工生產效率高、表面質量好、環境污染小、性價比高, 符合現代加工的發展趨勢19。軸類零件是旋轉體零件，其長度大于直徑，一般由同心軸的外圓柱面、圓錐面、內孔和螺紋及相應的端面所組成。軸類零件常用的加工方法為車削和磨削，當表面質量要求很高時，還應增加光整加工。加工時須注意：1， 表面粗糙度；2，相互位置精度；3，幾何形狀精度；4，尺寸精度以及工藝的合理性和經濟性。軸類零件的常規加工