用普通車床車削精密、異形球形軸工件

方媛州

摘 要：在車床加工工作中，經(jīng)常會(huì)遇到復(fù)雜形面工件的內(nèi)外圓加工，加工時(shí)需四爪單動(dòng)卡盤裝夾。由于四爪單動(dòng)卡盤裝夾找正困難，對(duì)加工者有較高的要求，即要求操作者必須具備很強(qiáng)的工藝分析能力、扎實(shí)的基本功和較強(qiáng)的應(yīng)變能力。因此，在普通車床上成功地車削出球形軸是難度較大的一門技術(shù)。

關(guān)鍵詞：球形軸 工藝分析 工序設(shè)計(jì) 對(duì)稱度

在異形球形軸加工前通過認(rèn)真的工藝分析、設(shè)計(jì)切實(shí)可行的工藝路線和采用先進(jìn)的加工方法，使該球形軸得以順利完成，獲得較好的加工質(zhì)量。

球形軸的尺寸形狀如圖1所示，它是由中空不完整球體和左右兩端相同的圓柱組成，其不論是球體還是兩端圓柱以及中心的內(nèi)螺紋，均具有較高的尺寸精度和形位精度要求，是較典型的高精度、復(fù)雜的異形工件。車削此工件不但要符合圖樣的尺寸精度要求，還要滿足圖樣的圓跳動(dòng)、平行度、對(duì)稱度等形位公差的要求。特別是在技能考試和競(jìng)賽比武中，要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成全部加工，整個(gè)過程難度較大。如果加工工藝不正確，則直接影響零件的尺寸和形位精度，甚至可能導(dǎo)致某一部位無法加工。如果工序設(shè)計(jì)不合理，很可能無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成加工。因此，在進(jìn)行此球形軸加工前，除了要充分考慮零件尺寸精度之外，還要兼顧形位公差符合圖樣技術(shù)要求。所以，除了進(jìn)行周密的工藝分析外，還應(yīng)充分考慮影響加工精度的各種因素，并采取相應(yīng)措施，制定出最佳合理的加工工藝路線，才能按要求順利完成加工。

技術(shù)要求

銳邊去毛刺。

名稱 球形軸

材料 45#

工時(shí) 4h

圖1 球形軸

表1 球形軸評(píng)分表

姓名： 總分：

球形軸評(píng)分表

序號(hào) 考核項(xiàng)目 配分 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 檢測(cè)

結(jié)果 得分

1 外圓 φ18-0.018 2處 14 一處不合

格扣7分

2 Sφ42±0.05 10 超差無分

3 內(nèi)孔 φ27+0.033 5

4 螺紋 M24×1.5 6

5 長(zhǎng)度 16±0.035 4

6 31±0.05 4

7 32±0.05 4

8 4-0.048 4

9 94±0.11 4

10 形位

公差 圓跳動(dòng)0.02 8 一處不合

格扣4分

11 平行度0.04 4 超差無分

12 對(duì)稱度0.05 10

13 粗糙度 Ra1.6 10 一處不合

格扣2分

14 Ra3.2 7 一處不合格扣1分

15 倒角

倒鈍 6

16 安全文明生產(chǎn)：凡有違章操作或出現(xiàn)事故者，酌情從總分中扣除1～10分，直至取消考試資格

一、主要技術(shù)要求與工藝分析

1.技術(shù)要求

此球形軸是以兩端A3中心孔和左端端面為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的。兩端圓柱的軸線分別相對(duì)基準(zhǔn)A和B的軸線徑向圓跳動(dòng)誤差不大于0.02mm；互為基準(zhǔn)的球體兩端面的平行度誤差不大于0.04mm；中空孔的止口臺(tái)階的軸線相對(duì)球體Sφ42±0.05mm軸線的對(duì)稱度誤差不大于0.05mm。尺寸公差共10處。球體Sφ42±0.05mm尺寸精度較高，加工難度較大。

2.工藝分析

（1）備料為φ45mm×100mm的45#鋼圓棒料。零件全部形狀在普通車床上采用常規(guī)方法車削完成。由于該零件有較高的尺寸精度和形位精度要求，不但要求操作者有較強(qiáng)的工藝分析能力，而且還必須具備較高的操作技術(shù)和扎實(shí)的基本功。

（2）為保證兩端圓柱相對(duì)基準(zhǔn)A、B徑向圓跳動(dòng)公差，車削時(shí)宜采用兩頂尖裝夾的方法，使定位基準(zhǔn)重合于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

（3）保證球體兩平面的平行度精度時(shí)，采用杠桿百分表校正、千分尺實(shí)測(cè)、糾正偏差的方法。

（4）車削球體的止口孔臺(tái)階時(shí)，孔的軸線相對(duì)球體軸線的對(duì)稱度精度要求較高，較難控制?？刹捎盟淖蝿?dòng)卡盤裝夾，用杠桿百分表校正球體來保證。

（5）工件夾持剛性較差，車刀應(yīng)采用較大的前角以及保持銳利等措施來降低切削抗力，防止工件在切削中位移，影響加工精度。粗車用90°偏刀及圓頭刀。刀頭材料選用YT5較好。

二、參考加工方法及工序的設(shè)計(jì)

如圖1所示球形軸零件圖。

對(duì)加工工序總的描述：

車削平面、鉆中心孔、粗車外圓及臺(tái)階→車削另一端平面、定總長(zhǎng)、鉆中心孔→粗車臺(tái)階外圓→兩頂尖支頂精車一端臺(tái)階外圓→精車另一端臺(tái)階外圓→粗、精車球面→粗、精車球面的一端平面→粗、精車球面的另一平面、鉆孔、車臺(tái)階孔、車內(nèi)螺紋→檢驗(yàn)。

基本操作步驟：

第一步，車削平面、打A3中心孔、采用一夾一頂?shù)难b夾方式粗加工外圓及臺(tái)階。

第二步，調(diào)頭，車削毛坯端面，定總長(zhǎng)，打A3中心孔，采用三爪自定心卡盤的裝夾方式進(jìn)行粗加工臺(tái)階。

第三步，半精車一端臺(tái)階、切退刀槽，采用兩端頂?shù)难b夾方法。一端外圓留0.5mm余量。

第四步，調(diào)頭采用兩端頂?shù)难b夾方法，半精車另一端臺(tái)階、切退刀槽，粗、精車圓球。車圓球體時(shí)，先用尖刀在球體的最高處（即從球體的一端面作為起點(diǎn)，搖動(dòng)16mm到球體的中點(diǎn)）輕刻一條細(xì)線，然后車削和修飾球體時(shí)，以此中線為準(zhǔn)，這樣可使球體居于對(duì)稱位置。各部分要求車至如圖2所示。按照?qǐng)D樣要求，控制好Sφ42±0.05mm圓球面的尺寸至最大極限，表面無明顯刀痕。

圖2 精車球面和一端外圓

下一步需要使用銼刀、砂布修飾，在使用銼刀、砂布修飾的過程中一定要遵守操作規(guī)程，注意安全。在球面修飾合格后再精車至尺寸。

在加工圖2工序時(shí)，考慮到加工圓球時(shí)加工量較大，受切削熱和切削抗力的影響，工件容易變形。為了保證以軸線為基準(zhǔn)，的圓跳動(dòng)不大于0.05mm的要求，在車圓球之前將其半精車成φ18.2 mm。這樣還避免了車球面時(shí)鐵屑刮傷已加工好的表面。

精車端面和外圓的硬質(zhì)合金高速精車刀如圖3所示，采用開45°斜卷屑槽的方式刃磨精車刀。其特點(diǎn)是切屑從45°方向流出，不會(huì)纏繞在工件上。刀片材料選擇YT15硬質(zhì)合金。精車時(shí)切削用量：背吃刀量αp=0.08～0.1mm ；走刀量f =0.08～0.1mm/r；切削速度υc=80m/min。此例使用設(shè)備為CA6140機(jī)床，其轉(zhuǎn)速最高是1400r/min，υc取最高值只有80m/min。如果用轉(zhuǎn)速更高的車床，其切削速度可選在110～120m/min之間。

圖3 硬質(zhì)合金平面、外圓精車刀

車球體時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。

一是雙手配合移動(dòng)大、中滑板或中、小滑板車削圓球是車工必修的基本功之一。在車削圓球時(shí)，可采用圓弧樣板與千分尺配合的檢測(cè)方法，用圓頭刀車削圓球。一般球面精車完后直徑取球體的最大極限尺寸。

二是用外徑千分尺多方向測(cè)量球體直徑，并結(jié)合圓弧樣板將球面需要修整的部分用記號(hào)筆進(jìn)行標(biāo)示，再用粗、中、細(xì)和油光銼刀分別對(duì)圓球表面進(jìn)行修銼。

三是用外徑千分尺結(jié)合圓弧樣板測(cè)量，分別用粗、中和細(xì)砂布進(jìn)行拋光，使球體能達(dá)到和滿足圖樣的要求。

第五步，調(diào)頭，裝夾方法不變。半精車、精車另一端外圓、切退刀槽，符合圖樣要求。

第六步，在球面上車一端平面。采用四爪單動(dòng)卡盤墊紫銅片，按如圖4所示方法裝夾，轉(zhuǎn)動(dòng)四爪單動(dòng)卡盤，用百分表校平兩外圓母線。對(duì)工件的中心不需校正。車平面至尺寸，如圖5所示。

圖4 加工圓球平面的裝夾校正方法 圖5 車圓球平面一

一是校正時(shí)，工件只需粗略地對(duì)準(zhǔn)主軸中心即可，如圖4所示，通過校正外圓母線的方法，將工件的軸線與主軸軸線校垂直。

二是車平面時(shí)，先用小滑板對(duì)刀，從球面最高處開始，車去5 mm。為了達(dá)到車去的平面與球體對(duì)稱，平面車去的深度（即弦高）的計(jì)算應(yīng)將球體的實(shí)際尺寸帶入，然后結(jié)合千分尺測(cè)量將其車至尺寸要求。

第七步：在球面上車另一平面，車內(nèi)孔及內(nèi)螺紋。采用四爪單動(dòng)卡盤墊紫銅片按圖4方法裝夾，校正方法如圖6所示。校正后車如圖7所示平面、內(nèi)孔及內(nèi)螺紋。

校正時(shí)應(yīng)注意：

一是校正時(shí)，為了保證零件的平行度、對(duì)稱度，需用百分表和杠桿百分表結(jié)合使用。車第一平面時(shí)沒有鉆孔的主要目的，是為了留有一個(gè)較大的平面，更便于測(cè)量尺寸和作為車第二平面時(shí)的校正基準(zhǔn)。用杠桿百分表校正圖7左端已加工好的平面（因該平行度是互為基準(zhǔn)，應(yīng)采用其為校正基準(zhǔn)），校正誤差應(yīng)小于0.02mm，可確保車出的平面與第一面的平行度要求。盡管如此，在快車削到尺寸時(shí)，還是應(yīng)當(dāng)用外徑千分尺檢查兩平面的兩組對(duì)角的平行度，必要時(shí)還可調(diào)整。

圖6 車第二平面的裝夾、校正方法 圖7 車第二平面、內(nèi)孔和螺紋

二是用杠桿百分表校正球面的圓周外表，如圖6所示，旋轉(zhuǎn)四爪單動(dòng)卡盤，校正誤差不超過0.025mm，可保證孔相對(duì)球體中心的對(duì)稱度要求。

三是校平行度和對(duì)稱度兩種方法應(yīng)反復(fù)進(jìn)行多次，直至平行度和對(duì)稱度校正為止。這樣便可同時(shí)保證工件的平行度和對(duì)稱度。

四是長(zhǎng)度（30±0.05mm），用游標(biāo)卡尺或外徑千分尺測(cè)量，用移動(dòng)小滑板進(jìn)刀的方法控制。

三、主要部位的檢驗(yàn)

1.平行度的檢驗(yàn)

檢驗(yàn)球體兩側(cè)的兩平面平行度誤差不大于0.04mm時(shí)，因該兩平面是互為基準(zhǔn)的，檢驗(yàn)時(shí)可采用任意一平面為基準(zhǔn)，將工件置于平板上，用百分表檢測(cè)另一平面，其最大值與最小值之差即為平行度誤差。還可用外徑千分尺測(cè)量的兩平面分布均勻的四個(gè)點(diǎn)上測(cè)量四點(diǎn)讀數(shù)的值差，可得出兩互為基準(zhǔn)的平面的平行度誤差。

2.對(duì)稱度的檢驗(yàn)

孔相對(duì)球體軸線基準(zhǔn)C的對(duì)稱度誤差不大于0.05 mm。檢驗(yàn)時(shí)用兩端頂?shù)姆椒ǎ瑢⒐ぜb夾在車床上，如圖8所示。用角尺將零件平面校正與車床軸線垂直，如圖9 a）所示。將百分表固定在車床四方刀架上，移動(dòng)車床大滑板，將百分表觸頭接觸平面，壓表深度（0.1～0.2mm），將百分表讀數(shù)調(diào)零，如圖9 b）所示。移動(dòng)車床大滑板，百分表隨之移開；在車床大滑板上安放一塊平板，手動(dòng)控制移動(dòng)杠桿百分表至最低位置，如圖9 c）所示，記住杠桿百分表讀數(shù)。將工件掉頭，用同樣方法裝夾，移動(dòng)車床大滑板，將零件旋轉(zhuǎn)至百分表讀數(shù)為零時(shí)，移開車床大滑板，手動(dòng)控制移動(dòng)杠桿百分表至最低位置，比較兩次測(cè)量值是否相等，其測(cè)量值差即為孔相對(duì)工件Y軸線基準(zhǔn)的對(duì)稱度誤差。

圖8 對(duì)稱度檢驗(yàn)的裝夾

檢驗(yàn)X軸線基準(zhǔn)的對(duì)稱度誤差，同上法相同，只是用一套筒取代兩頂尖裝夾，如圖9 d）所示。

a） b）

c） d）

圖9 對(duì)稱度誤差檢驗(yàn)的方法

a）用角尺校平面 b）用百分表定位 c）測(cè)量孔底讀數(shù) d）測(cè)量X軸對(duì)稱度安裝

此檢驗(yàn)方法的主要依據(jù)是：車削球體是以兩頂尖A、B為定位基準(zhǔn)，而現(xiàn)在檢測(cè)又是采用兩頂尖裝夾，使兩頂尖A、B成為球體軸線與止口孔的共同基準(zhǔn)，這是基準(zhǔn)重合的又一體現(xiàn)，是可行的。

3.圓跳動(dòng)誤差的檢驗(yàn)

外圓相對(duì)兩頂尖A、B基準(zhǔn)軸線的圓跳動(dòng)誤差不大于0.05 mm。檢驗(yàn)時(shí)用兩頂尖頂?shù)姆椒▽⒘慵b夾在車床上，將百分表固定在車床中滑板上，移動(dòng)中滑板，使百分表觸頭與工件接觸，壓表深度0.1～0.2mm，用手旋轉(zhuǎn)工件一周后百分表的測(cè)量值差即為這一端外圓相對(duì)工件基準(zhǔn)軸線的跳動(dòng)誤差。同法檢驗(yàn)軸的另一端。

四、小結(jié)

球形軸的車削加工綜前所述，因其形狀特異，外表復(fù)雜，且精度要求較高，給車削帶來較大難度，學(xué)生甚至認(rèn)為高不可攀。但是我們經(jīng)過周密、正確的工藝分析和合理的工序設(shè)計(jì)，采用了切合實(shí)際的加工方法，優(yōu)選、更換了更適應(yīng)的車刀，統(tǒng)一并選擇了更合適、更先進(jìn)的裝夾、校正和檢驗(yàn)方法，保證了各個(gè)加工環(huán)節(jié)順利進(jìn)行，使整個(gè)加工過程井然有序。能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)在保證零件的尺寸精度和形位公差的前提下，順利地完成零件的加工。此例開拓了學(xué)生學(xué)習(xí)用普通車床車削精密、異形工件的思路和眼界，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

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（作者單位：湖南省湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院）