轴类零件的加工特点及质量控制方法

轴类零件的加工特点及质量控制方法
摘要
对轴类零件的分类，技术要求，材料和毛坯，热处理以及加工工艺特点等进行了分析和阐述，从理论上对常用机械加工质量控制方法进行了介绍，同时结合实际生产总结对于提高轴类零件加工质量的常用措施进行了论述，对于轴类零件的加工具有一定的参考和指导作用。

关键词：轴类零件；质量控制；加工工艺；细长轴；毛坯
0．引言
激烈的市场竞争使企业高度重视产品的质量。

对于机械制造企业，为了提高加工质量和生产率，降低废品率和加工成本，必须严格监控以机械加工工艺系统为基础的机械加工过程。

本文主要以轴类零件的加工特点以及质量控制方法为中心，查阅了1986-2012年相关杂志，期刊的文章，由这些文献综合看，机械加工包括轴类零件的加工正在向高度自动化，智能化，高精度，多学科综合的方向发展。

同时本文就轴类零件加工中的典型加工如细长轴的车削、加工定位，热处理等常规加工，又例如梯形螺纹轴类零件加工非常规加工的特点进行了介绍和阐述，同时就现在研究的质量控制方法以及提高轴类零件加工的的措施和操作进行了介绍。

1．轴类零件的分类1
轴是机械加工中常见的典型零件之一。

其在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件，用以传递扭矩。

按结构形式不同，轴可以分为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、各种丝杠等如下图1-1，其中阶梯传动轴应用较广，其加工工艺能较全面地反映轴类零件的加工规律和共性。

图1-1
2.轴类零件的技术要求
根据轴类零件的功用和工作条件，轴类零件的技术要求主要主要包括以下几方面：
2-1 尺寸精度轴类零件的主要表面常为两类：一类是与轴承的内圈配合的外圆轴颈，即支承轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为IT 5~IT7；另一类为与各类传动件配合的轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，常为IT6~IT9。

2-2 几何形状精度主要指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度。

其误差一般应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行规定其几何形状精度。

2-3 相互位置精度包括内、外表面、重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等。

2-4 表面粗糙度轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确定。

支承轴颈常为0.2~1.6μm，传动件配合轴颈为0.4~3.2μm。

2-5 其他热处理、倒角、倒棱及外观修饰等要求。

3.轴类零件的材料及毛坯
3-1 轴类零件材料常用45钢，精度较高的轴可选用40Cr、轴承钢GCr15、弹簧钢65Mn，也可选用球墨铸铁；对高速、重载的轴，选用20CrMnTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金钢或38CrMoAl氮化钢。

3-2 轴类零件的毛坯2轴类零件最常用的毛坯是圆钢料和锻件，只有某些大型、结构复杂的轴，才采用铸铁或铸钢件。

常用的光轴毛坯一般采用热轧圆钢和冷却圆钢；当要求毛坯具有较高的机械性能时应采用锻件。

对于阶梯轴，当阶梯尺寸相差较大时，为了节约原材料，也常采用锻件。

毛坯锻件有两种：自由锻件和模锻。

采用自由锻造方式设备简单，容易投产，但毛坯余量大，精度比较差，而且不能锻造形状复杂的毛坯，一般多用于单件和中小批生产。

机械修配和重型机械的毛坯零件多采用自由锻造。

模锻毛坯精度较高，余量小，可以锻造形状比较复杂的毛坯，但模锻需要较大型设备，而且需要制造形状复杂的耐热钢模具，设备投资大，生产准备时间长。

因而只适用大批量生产。

4.轴类零件的热处理
锻造毛坯在加工前，均需安排正火或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除锻造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。

为消除磨削应力，粗磨后安排低温时效工序（烘）。

(调质一般安排在粗车之后、半精车之前，以获得良好的物理力学性能。

表面淬火一般安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。

精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理。

5.轴类零件的加工工艺特点2
轴类零件常用的加工方法为车削和磨削，当表面质量要求很高时，还应增加光整加工。

轴类零件的一般加工工艺特点如下：
5-1轴类零件的预备加工
在预备加工中有校直、切断、切端面和钻中心孔。

钻中心孔时的注意点：中心孔应有足够大的尺寸和准确的锥角。

因中心孔在加工过程中要承受零部件的重量和切削力，因此尺寸过小和锥角不准确，将会是中心孔和顶尖很快被磨损。

两端中心孔应在同一轴心线上。

中心孔和顶尖接触不良，容易产生变形和磨损，使加工的外圆产生圆度误差。

5-2轴类零部件定位基准的选择
轴类零件加工时，一般采用两中心孔作为定位基准。

在加工外圆时总是先加工轴的两端面和钻中心孔，为后继加工工序作为定位基准的准备。

轴类零件各外圆、锥孔、螺纹等表面的设计基准一般都是轴的中心线，因此选择两中心孔定位是符合基准重合原则的，加工时能达到较高的相互位置精度，且工件装夹方便，故两中心空定位方式应用最广泛。

在车削较长轴时，常将轴一端装夹在卡盘中，靠近尾座的另一端用中心孔顶住，或用中心架托住，这样工件的刚度要比用两中心孔定位时增加很多。

但是，用卡盘装卡方法关键的缺点是定心精度不高（0.06～0.15mm），因此，不能保证较高的相互位置精度。

5-3 外圆车削与磨削加工
5-3-(1)外圆车削外圆车削是机械加工中最常见的加工方法，其工艺范围广泛，可以划分为荒车、粗车、半精车、精车等阶段。

各个加工阶段主要根据毛坯制造精度和工件最终的精度要求来选择。

对于每个具体工件来说，不一定都要经过那些全部的加工阶段。

5-3-(2)外圆磨削3为保证工件外圆的磨削精度，热处理后须安排研磨中心孔的工序，并要求达到较细的表面粗糙度。

外圆磨削时，影响工件的圆度主要是由于二顶尖孔的同轴度，及顶尖孔的圆度误差。

5-4细长轴的车削加工4
在车削加工中，细长轴因其刚性较差、热扩散性能差、细长轴因其细而长等特点，使得其在车削时存在走到时间长，刀具磨损严重的现象。

因而影响细长轴工件的尺寸、形状、位置精度及表面品质。

在生产加工中，采取反向走刀法的工艺措施车削细长轴，来保证细长轴的加工精度和加工品质，从而达到了提高生产效率，降低成本的目的。

5-5 轴类零件的磨削5
当前国内外的磨削加工中，切入式磨削加工被广泛的应用，它对提高加工效率、成型加工、实现自动化连续控制、自动测量以及各种自动化设备的应用，具有一定的俱进作用。

5-6轴上键槽加工6
轴上键槽的加工虽然属于次要表面的加工，但是键槽的作用很重要，而且应用很广泛。

因此，轴上键槽加工工序以及其加工方法就显得很重要，需要综合考虑各方面因素，做出合理的选择，从而保证轴类零件的加工精度，提高劳动生产率。

5-7轴类零件中心孔的加工7
在轴类零件的加工中，一般都是在轴的两端先加工出中心孔，然后以中心孔为工艺基准进行其他部位的加工。

对于小尺寸的轴类零件，工艺设计实施起来很方便，但对于大型轴类零件，尤其对于大型锻造而成的轴类零件，表面不圆，表面缺陷较多，弯曲较大，其中心孔的加工就比较困难，一般要先进行划线，确定中心孔位置后再进行中心孔的加工。

5-8轴类零件的加工定位8
5-8-（1）以工件的中心孔定位
在轴的加工中,零件各外圆表面,锥孔、螺纹表面的同轴度,端面对旋转轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目,这些表面的设计基准一般都是轴的中心线,若用两中心孔定位,符合基准重合的原则。

中心孔不仅是车削时的定为基准,也是其它加工工序的定位基准和检验基准,又符合基准统一原则。

当采用两中心孔定位时,还能够最大限度地在一次装夹中加工出多个外圆和端面。

5-8-（2）以外圆和中心孔作为定位基准( 一夹一顶 )
用两中心孔定位虽然定心精度高,但刚性差,尤其是加工较重的工件时不够稳固,切削用量也不能太大。

粗加工时,为了提高零件的刚度,可采用轴的外圆表面和一中心孔作为定位基准来加工。

这种定位方法能承受较大的切削力矩,是轴类零件最常见的一种定位方法。

零件正确规范的工艺规程是企业科学组织生产、保证产品质量的重要依据。

轴类零件应用非常广泛且结构相近，经过归纳总结，制定完善合理的机械加工工艺规程对轴类零件的加工具有重要的指导意义。

5-10轴类零件的数控加工工艺9
数控加工制造技术正逐渐得到广泛的应用, 在轴类零件的加工具有很大的发展前景，对零件进行编程加工之前 , 工艺分析具有非常重要的作用，对于提高制造质量、实际生产具有一定的指导意义。

5-11轴类零件通常进行调质处理10
轴类零件通常进行调质处理，调质工艺是淬火和高温回火的合称。

图样上常采用硬度指标作为产品的性能要求，所给出的硬度值范围是质量控制的依据。

对少量轴类产品进行调质处理时硬度很好掌握，但对大批量轴件进行调质处理时硬度就很容易超差失控。

调质过程中有三个环节影响调质后的质量，即淬火加热、淬火冷却和回火。

5-12中心孔锥面面积对轴类零件加工精度的影响11
在机械加工中,有许多精度要求较高的轴类零件,如精密机床主轴、专用芯轴等,由于在精加工过程中工件是以中心孔为主要定位基准加工外圆、端面的,因此对中心孔精度要求很高。

目前大多数企业均采用铸铁棒研磨法、硬质合金顶尖挤研法、四棱顶尖挤研法、卡住挤削法、砂轮顶尖研磨等方法来对标准中心孔进行研磨,使其最终在60“锥角、几何尺寸、粗糙度、圆度等指标上达到设计要求,以此来保证工件的加工精度。

但在实际加工当中,我们发现:当研磨较小工件的标准中心孔时(工件外形尺寸小,中心孔就小),通过上述方法可较易达到精度要求,而当研磨大型工件的标准中心孔时,就比较困难,从而造成工件表面同轴度、圆度及支承轴颈的相对径向圆跳动、轴肩端面圆跳动大大超差,产生废品,废品率往往达到20%以上。

要想磨好一件高精度的轴类工件,除了磨床本身必须符合精度要求和按操作规程外,最重要的就是保证中心孔的修研质量,根据实践证明,中心孔60度锥面采用较小的尺寸对车削和磨削都比较适当,得到的效果也较好。

梯形螺纹轴类零件的加工是机器加工中经常遇到的典型零件之一。

梯形螺纹由于牙型高度深,精度高,牙型两侧面表面粗糙度值较小、车削难度较大等特点,高速车削时不能很好地保证螺纹的表面粗糙度,达不到加工的要求,低速车削时生产效率又很低,而直接从高速变为低速车削时则会导致螺纹乱牙。

相对来说对车刀的刃磨、车削方法及测量检查方法等加工工艺要求较高。

13由于车床、工件、夹具、刀具工艺系统的自身精度和刚度对工件车削后的精度及表面都有着直接的影响，工艺系统的温度，受力及工件内部应力与车削质量也有很大的关系13。

6.轴类零件加工质量控制
6-1轴类零件质量控制的方法14
轴类零件的常规加工方法是车削和磨削，属于机械加工，而机械加工过程质量控制方法主要有：质量抽样检验理论、统计过程控制方法和正在兴起的智能质量控制方法。

其中，质量抽样检验理论的控制原理是根据制订的抽样方案对生产出来的整批产品进行抽样检验，剔除不合格品，保留合格品，从而保证出厂产品的质量如下图1-（a）；统计过程控制方法的基本控制思路是在线或离线测量工序已加工出的成品或半产品质量特性数据后，从中抽取样本构成统计分析量，根据样本数据点在工序控制图中的分布来反映当前生产过程的状态，区分出生产过程中产品质量的偶然波动与异常波动，并对过程的异常波动及时报警，从而提示现场人员采取相应的质量改进措施，如下图1-（b）所示；基于人工神经网络和专家系统等智能技术的质量控制方法的基本控制思路是：首先利用被控过程的历史信息进行神经网络训练，建立过程模型，并以当前生产条件为过程模型输入进行过程输出预测，再根据预测值与理想值间的偏差来调整生产条件参数，实施误差补偿，以实现加工产品质量的“零缺陷”，如下图1-（c）
6-2提高轴类零件加工质量的途径
零件的加工质量是保证产品质量的基础，因此，在加工环节中我们必须注重机械加工的质量控制，从各方面进行改进，从而提高机械产品的使用性能、增加机械产品使用寿命15。

机械加工精度指的是工件在形状、尺寸、位置方面的理想参数与工件加工后的实际参数之间的相差程度，其差值是加工误差。

机械加工质量主要是指机械加工精度的控制，机械加工质量越好，说明机械加工精度控制好，加工误差小。

机械加工精度主要包括尺寸、形状、位置精度。

在相同加工条件下，生产的同批次工件因为各种因素的综合性影响加工精度不尽相同。

为了保证加工质量和精度，保证工件加工误差都在规定要求的公差带范围内，提高机械加工的经济效益和生产效率，我们必须分析影响加工质量的因素提出可行有效的控制措施16。

6-2-（1）降低主轴回转误差17
为了分析的方便，可以将主轴回转轴线的运动误差分解为三种基本形式：纯径向园跳动、纯轴向窜动和纯角向摆动。

由于主轴实际回转中心在不断变化，所以实际误差是上述三种运动形式合成，所产生的一个瞬时值。

是以某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因而当滑动轴承内孔有圆度误差时，
将使主轴在回转的过程中生径向跳动，引起撞孔的圆度误差，而主轴颈本身的圆度误差影响较小。

6-2-（2）减少滑动轴承对回转误差的影响
采用滚动轴承结构的机床中，滚道形状误差对不同机床的影响是不同的。

对于车床类机床，由于轴承承载区位置基本上不变，故滚动轴承内环滚道的圆度是影响主轴回转精度的主要因素，而对于铿床类机床，由于轴承承载区位置是不断变化的，滚动轴承外环滚道的圆度是影响主轴回转精度的主要因素。

6-2-（3）控制主轴回转误差对加工精度的影响
主轴回转误差对加工精度的影响，取决于不同截面内主轴瞬时回转中心相对于刀尖位置变化情况。

而这种变化应重点分析在加工误差敏感方向上的影响。

对于刀具回转类机床，加工误差敏感方向和切削力方向随主轴回转而不断变化，如螳床；对于工件回转类机床，加工误差敏感方向和切削力方向均保持不变，如车床。

下面以车床、程床为例，就主轴回转误差的三种基本形式对加工精度的影响进行分析。

主轴纯径向圆跳动误差对于孔加工时，铿出的孔是长短轴不变或变化的椭圆柱。

车削时，主轴纯径向圆跳动对工件的圆度误差影响很小，车出的工件表面接近于一个真圆。

主轴纯轴向窜动误差对内外圆柱面的加工没有影响，但在加工端面时，会使加工出的工件端面与内外圆轴线不垂直，产生平面度误差，加工螺纹时产生螺距误差。

主轴轴线产生纯角度摆动，在车削时工件同一截面的园度误差小，但是会产生圆柱度误差。

镗孔时，纯角度摆动使主轴轴线与工作台导轨不平行，使铿出的孔呈椭圆形。

6-2-（4）提高主轴回转精度的措施
提高主轴回转精度通常采用以下措施：
1）选用高精度的轴承，并提高主轴及箱体的制造精度和主轴部件的装配精度；
2）使回转精度不依赖于主轴。

工件的回转成形运动不是靠机床主轴的回转运动来实现，而是靠夹具的回转运动副来实现，如采用死顶尖磨外因时，提高项尖孔质量，保证两顶尖孔的同轴度，对保证工件的形状精度非常重要。

6-2-（5）提高直线运动精度
为了提高机械加工的质量，通常常采用刮研等方法加工提高机床导轨的加工精度和配合接触精度：采用静压导轨或贴塑导轨提高傲动进给定位精度和机床精度保持性；选用合理的导轨形状和导轨组合形式来提高直线运动精度如90°的双三角形导轨其直线运动精度保持性较好，而这种导轨的磨损主要在垂直方向，故对一些在垂直方向是误差非敏感方向的机床 ( 如卧式车床 ) 可长期保持原有精度。

6-2-（6）加工过程工艺调整
在机械加工的每一个工序中，为获得被加工表面的尺寸、形状和位置精度，总是要对工艺系统进行这样或那样的调整。

由于调整个可能绝对地准确，因而产生调整误差。

单件、小批生产中普遍采用试切法加工。

加工时先在工件上试切，然后测量、调整再试切，直至符合规定的尺寸要求时，再正式切削出整个待加工表面。

在成批、大量生产中，广泛采用调整法 ( 或样件样板 )。

预先调整好刀具与工件的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这种相对位置不变来获得所要求的零件尺寸。

在以后的加工免去试切，所以既缩短了调整时间，又可得到较高的加工精度。

6-2-（7）实行超精密加工
在机床上加工较高精度轴类零件时,由于刀具磨损和机床热变形等原因,工件直径尺寸需要经常测量,并需经常调整刀具位置。

这样不但影响生产效率,而且还难以保证直径的质量要求，故可采用超精密加工18。

超精密加工也是提高机械加工质量的一种措施，超精密加工是指加工精度和表面质量超过当前所用公差标准中最高程度的加工工艺。

精密加工和超精密加工的界限不是固定不变的，随着科学技术的进步而逐渐向前推移。

精密加工与超精密加工的主要特点是机床精度高、刚性好，机床具有精确的微量进给装置，机床工作台低速运动稳定性好以及工艺系统抗振性好，此外，还具有如下特点：
1）精密和超精密加工都是以精密元件为加工对象，与精密元件密切结合而发展起来的，因此不能脱离精密元件搞精密加工。

精密加工的方法、设备和对象是互相关联的；
2）超精密加工时，吃刀且极小，是微量切除和超微量切除，因而对刀具刃磨、砂轮修整和机床均有很高的要求；
3）精密和超精密加工是一门综合性高级技术，要达到高精度和高表面质量，要考虑加工方法、加工工具及其材料的选择；被加工材料的结构及质量、加工设备的结构及技术性能、测试手段和测试设备的精度；恒温、净化、防振的工作环境，工件的定位与夹紧方式和入的技艺等诸多因素，因此，精密加工和超精密加工是一个系统工程；
4）在精密加工和超精密加工中，检测和加工联系十分紧密，精密测量是精密加工和超精密加工的必要条件，需要具备与加工精度相适应的测量技术，否则就不能判断加工精度是否达到要求，也无法为加工精度的进一步提高指出方向。

总之，为了提高机械加工质量与控制，除了以上工艺以外，还要注意保持工艺系统的热平衡，这样可使机床作高速空运转，当机床在较短时间内达到热平衡之后，再进行加工。

必要时，还可以在机床的适当部位设置控制热源，人为地给机床加热，使其尽快地达到热平衡状态。

另外精密机床加工时应尽量避免中途停车。

此外还必须控制加工机械的环境温度，精密机床一般安装在恒温车间，其恒温精度一般控制在 +1℃以内，精密级为 +0.5℃。

恒温基数按季节调节一般春、秋为 20℃，在夏季取 23℃，在冬季可取17℃。

以上等因素是机械加工质量与控制综合因素，缺一不可18。

7.总结
机械产品的质量主要是在机械加工过程中形成的。

根据机械加工系统的实际工艺能力状况对加工过程进行合理的调控、优化，最大化的发挥机械系统的工艺能力，是提高机械加工质量和生产效率的有效途径20。

由于轴类零件在加工中产生的切削力、切削热、振动等将直接影响工件的尺寸精度和形位精度, 加工难度大。

因此轴类零件的加工应在确定合适的加工工艺、加工原则和合理安排加工顺序的基础上,优化装夹方法, 同时加强先进技术的应用,使轴类零件的加工生产效率高、表面质量好、环境污染小、性价比高, 符合现代加工的发展趋势19。

轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。

轴类零件常用的加工方法为车削和磨削，当表面质量要求很高时，还应增加光整加工。

加工时须注意：1，表面粗糙度；2，相互位置精度；3，几何形状精度；4，尺寸精度以及工艺的合理性和经济性。

轴类零件的常规加工方法是车削和磨削，典型的机械加工，机械加工过程常用质量控制方法主要有：质量抽样检验理论、统计过程控制方法和正在兴起的智能质量控制方法。

在加工环节中我们必须注重机械加工的质量控制，通常可通过降低主轴回转误差、减少滑动轴承对回转误差、采用高精度的轴承和使回转精度不依赖于主轴从而提高提高主轴回转精度、采用刮研等方法加工提高机床导轨的加工精度和配合接触精度进而提高提高直线运动精度、对加工过程工艺进行调整以及采用实行超精密加工等措施，提高轴类零件机械加工的质量。

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