外圆表面的加工方法和加工方案
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。一、外圆表面的车削加工
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。
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 。
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。
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。
（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 ．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。
（二）无心磨削
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。
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
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 。
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：
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。
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。
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 ° 。
无心磨削时，工件尺寸精度可达 IT6-IT7 ，表面粗糙度 Ra0.8-0.2um.
（三）外圆磨削的质量分析
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：
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。
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。
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。
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。
4 ．烧伤 可分为螺旋形烧伤和点烧伤，如图 6-9 所示。
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
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
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）。
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。
（二）超精加工
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：
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。
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。
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。
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。
（三）研磨
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。
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。
（四）滚压加工
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。
图 6-12 为滚压加工示意图。滚压加工有如下特点：
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 。
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
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。
表3-14外圆柱面加工方法
序号
加工方法
经济精度
( 公差等级表示 )
经济粗糙度值
Ra ／ 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
2
粗车 - 半精车
IT11~10
3.2~6.3
3
粗车 - 半精车 - 精车
IT7~8
0.8~1.6
4
粗车 - 半精车 - 精车 -滚压（或抛光）
IT7~8
0.25~0.2
5
粗车 - 半精车 -磨削
IT7~8
0.4~0.8
主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢，但不宜加工有色金属
6
粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨
IT6~7
0.1~0.4
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)
8
粗车 - 半精车 -精车 -精细车（金刚车）
IT6~7
0.025~0.4
主要用于要求较高的有色金属加工
9
粗车 - 半精车 - 粗磨 -精磨 -超精磨（或镜面磨）
IT5 以上
0.006~0.025
( 或 R Z 0.05)
极高精度的外圆加工
10
粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨 -研磨
IT5 以上
0.006~0.1
( 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
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