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，經常會遇到復雜形面工件的內外圓加工，加工時需四爪單動卡盤裝夾。由于四爪單動卡盤裝夾找正困難，對加工者有較高的要求，即要求操作者必須具備很強的工藝分析能力、扎實的基本功和較強的應變能力。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。

關鍵詞：球形軸 工藝分析 工序設計 對稱度

在異形球形軸加工前通過認真的工藝分析、設計切實可行的工藝路線和采用先進的加工方法，使該球形軸得以順利完成，獲得較好的加工質量。

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、平行度、對稱度等形位公差的要求。特別是在技能考試和競賽比武中，要求學生在規定時間內完成全部加工，整個過程難度較大。如果加工工藝不正確，則直接影響零件的尺寸和形位精度，甚至可能導致某一部位無法加工。如果工序設計不合理，很可能無法在規定時間內完成加工。因此，在進行此球形軸加工前，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要求。所以，除了進行周密的工藝分析外，還應充分考慮影響加工精度的各種因素，并采取相應措施，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。

技術要求

銳邊去毛刺。

名稱 球形軸

材料 45#

工時 4h

圖1 球形軸

表1 球形軸評分表

姓名： 總分：

球形軸評分表

序號 考核項目 配分 評分標準 檢測

結果 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 內孔 φ27+0.033 5

4 螺紋 M24×1.5 6

5 長度 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0.02 8 一處不合

格扣4分

11 平行度0.04 4 超差無分

12 對稱度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：凡有違章操作或出現事故者，酌情從總分中扣除1～10分，直至取消考試資格

一、主要技術要求與工藝分析

1.技術要求

此球形軸是以兩端A3中心孔和左端端面為設計基準的。兩端圓柱的軸線分別相對基準A和B的軸線徑向圓跳動誤差不大于0.02mm；互為基準的球體兩端面的平行度誤差不大于0.04mm；中空孔的止口臺階的軸線相對球體Sφ42±0.05mm軸線的對稱度誤差不大于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的工藝分析能力，而且還必須具備較高的操作技術和扎實的基本功。

（2）為保證兩端圓柱相對基準A、B徑向圓跳動公差，車削時宜采用兩頂尖裝夾的方法，使定位基準重合于設計基準。

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

（4）車削球體的止口孔臺階時，孔的軸線相對球體軸線的對稱度精度要求較高，較難控制。可采用四爪單動卡盤裝夾，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計

如圖1所示球形軸零件圖。

對加工工序總的描述：

車削平面、鉆中心孔、粗車外圓及臺階→車削另一端平面、定總長、鉆中心孔→粗車臺階外圓→兩頂尖支頂精車一端臺階外圓→精車另一端臺階外圓→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、車臺階孔、車內螺紋→檢驗。

基本操作步驟：

第一步，車削平面、打A3中心孔、采用一夾一頂的裝夾方式粗加工外圓及臺階。

第二步，調頭，車削毛坯端面，定總長，打A3中心孔，采用三爪自定心卡盤的裝夾方式進行粗加工臺階。

第三步，半精車一端臺階、切退刀槽，采用兩端頂的裝夾方法。一端外圓留0.5mm余量。

第四步，調頭采用兩端頂的裝夾方法，半精車另一端臺階、切退刀槽，粗、精車圓球。車圓球體時，先用尖刀在球體的最高處（即從球體的一端面作為起點，搖動16mm到球體的中點）輕刻一條細線，然后車削和修飾球體時，以此中線為準，這樣可使球體居于對稱位置。各部分要求車至如圖2所示。按照圖樣要求，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，考慮到加工圓球時加工量較大，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，的圓跳動不大于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鐵屑刮傷已加工好的表面。

精車端面和外圓的硬質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。其特點是切屑從45°方向流出，不會纏繞在工件上。刀片材料選擇YT15硬質合金。精車時切削用量：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。此例使用設備為CA6140機床，其轉速最高是1400r/min，υc取最高值只有80m/min。如果用轉速更高的車床，其切削速度可選在110～120m/min之間。

圖3 硬質合金平面、外圓精車刀

車球體時要注意以下幾點。

一是雙手配合移動大、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，可采用圓弧樣板與千分尺配合的檢測方法，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量球體直徑，并結合圓弧樣板將球面需要修整的部分用記號筆進行標示，再用粗、中、細和油光銼刀分別對圓球表面進行修銼。

三是用外徑千分尺結合圓弧樣板測量，分別用粗、中和細砂布進行拋光，使球體能達到和滿足圖樣的要求。

第五步，調頭，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。采用四爪單動卡盤墊紫銅片，按如圖4所示方法裝夾，轉動四爪單動卡盤，用百分表校平兩外圓母線。對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，工件只需粗略地對準主軸中心即可，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，先用小滑板對刀，從球面最高處開始，車去5 mm。為了達到車去的平面與球體對稱，平面車去的深度（即弦高）的計算應將球體的實際尺寸帶入，然后結合千分尺測量將其車至尺寸要求。

第七步：在球面上車另一平面，車內孔及內螺紋。采用四爪單動卡盤墊紫銅片按圖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、內孔及內螺紋。

校正時應注意：

一是校正時，為了保證零件的平行度、對稱度，需用百分表和杠桿百分表結合使用。車第一平面時沒有鉆孔的主要目的，是為了留有一個較大的平面，更便于測量尺寸和作為車第二平面時的校正基準。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，應采用其為校正基準），校正誤差應小于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，還是應當用外徑千分尺檢查兩平面的兩組對角的平行度，必要時還可調整。

圖6 車第二平面的裝夾、校正方法 圖7 車第二平面、內孔和螺紋

二是用杠桿百分表校正球面的圓周外表，如圖6所示，旋轉四爪單動卡盤，校正誤差不超過0.025mm，可保證孔相對球體中心的對稱度要求。

三是校平行度和對稱度兩種方法應反復進行多次，直至平行度和對稱度校正為止。這樣便可同時保證工件的平行度和對稱度。

四是長度（30±0.05mm），用游標卡尺或外徑千分尺測量，用移動小滑板進刀的方法控制。

三、主要部位的檢驗

1.平行度的檢驗

檢驗球體兩側的兩平面平行度誤差不大于0.04mm時，因該兩平面是互為基準的，檢驗時可采用任意一平面為基準，將工件置于平板上，用百分表檢測另一平面，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量的兩平面分布均勻的四個點上測量四點讀數的值差，可得出兩互為基準的平面的平行度誤差。

2.對稱度的檢驗

孔相對球體軸線基準C的對稱度誤差不大于0.05 mm。檢驗時用兩端頂的方法，將工件裝夾在車床上，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），將百分表讀數調零，如圖9 b）所示。移動車床大滑板，百分表隨之移開；在車床大滑板上安放一塊平板，手動控制移動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。將工件掉頭，用同樣方法裝夾，移動車床大滑板，將零件旋轉至百分表讀數為零時，移開車床大滑板，手動控制移動杠桿百分表至最低位置，比較兩次測量值是否相等，其測量值差即為孔相對工件Y軸線基準的對稱度誤差。

圖8 對稱度檢驗的裝夾

檢驗X軸線基準的對稱度誤差，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 對稱度誤差檢驗的方法

a）用角尺校平面 b）用百分表定位 c）測量孔底讀數 d）測量X軸對稱度安裝

此檢驗方法的主要依據是：車削球體是以兩頂尖A、B為定位基準，而現在檢測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，這是基準重合的又一體現，是可行的。

3.圓跳動誤差的檢驗

外圓相對兩頂尖A、B基準軸線的圓跳動誤差不大于0.05 mm。檢驗時用兩頂尖頂的方法將零件裝夾在車床上，將百分表固定在車床中滑板上，移動中滑板，使百分表觸頭與工件接觸，壓表深度0.1～0.2mm，用手旋轉工件一周后百分表的測量值差即為這一端外圓相對工件基準軸線的跳動誤差。同法檢驗軸的另一端。

四、小結

球形軸的車削加工綜前所述，因其形狀特異，外表復雜，且精度要求較高，給車削帶來較大難度，學生甚至認為高不可攀。但是我們經過周密、正確的工藝分析和合理的工序設計，采用了切合實際的加工方法，優選、更換了更適應的車刀，統一并選擇了更合適、更先進的裝夾、校正和檢驗方法，保證了各個加工環節順利進行，使整個加工過程井然有序。能夠在規定的時間內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。此例開拓了學生學習用普通車床車削精密、異形工件的思路和眼界，提高了學生學習的興趣。

參考文獻：

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（作者單位：湖南省湘西民族職業技術學院）