外圆表面加工的方法优化

外圆表面加工最常用的切削加工方法有:车削、磨削;当精度及表面质量要求很高时，还需进行光整加工;特种加工方法有旋转电火花和超声波套料等。

1.2.3.1　外圆表面的车削加工

外圆表面的车削加工一般可划分为荒车、粗车、半精车、精车和细车等各加工阶段。加工阶段的划分主要是根据零件毛坯情况和加工要求来决定。如果毛坯是自由锻件或大型铸件，需要进行荒车加工，减少毛坯外圆表面的形状误差，使后续工序的加工余量均匀。荒车后工件的尺寸精度可达IT15～IT18级。对于精度较高的毛坯，视具体情况，可不经粗加工，直接进行半精车或精车。

图1-6　外圆表面的加工方案

(1)粗车。目的是尽快切除多余材料，使其接近工件的形状和尺寸。其特点是采用大的背吃刀量、较大的进给量及中等或较低切削速度，以求提高生产率。粗车后应留有半精车或精车的加工余量。粗车的尺寸精度达IT12～IT11，表面粗糙度为Ra50～12.5μm。对于要求不高的非功能性表面，粗车可作为最终加工;而对于要求高的表面，粗车作为后续工序的预加工。

(2)半精车。是在粗车的基础上进行的。其背吃刀量和进给量均较粗车时小，可进一步提高外圆表面的尺寸精度、形状和位置精度及表面质量。半精车可作为中等精度表面的终加工，也可作为高精度外圆表面磨削或精车前的预加工。半精车尺寸精度可达IT10～IT9，表面粗糙度为Ra6.3～3.2μm。

(3)精车。一般作为高精度外圆表面的终加工，其主要目的是达到零件表面的加工要求。为此，要求使用高精度的车床，选择合理的车刀几何角度和切削用量。采用小的背吃刀量和进给量，选择合适的切削速度以避免产生积屑瘤。精车后的尺寸精度可达IT8～IT7，表面粗糙度为Ra1.6～0.8μm。

(4)精细车。一般用于单件、小批量的高精度外圆表面的终加工。细车是一种光整加工方法，其工艺特征是背吃刀量小(ap=0.05～0.03mm)、进给量小(f为0.02～0.12mm/r)、切削速度高(v为120～600m/min)。其尺寸精度可达IT6～IT5，表面粗糙度为Ra0.8μm。

外圆表面的车削加工，对于单件小批量生产，一般在普通车床上加工;对于大批量生产，则在转塔车床、仿形车床、自动及半自动车床上加工;对于直径大、长度短的重型零件多在立式车床上加工。

外圆表面的加工余量主要是由车削切除的。外圆车削劳动量在零件加工的总劳动量中占有相当大的比重。因此，提高外圆车削生产率的主要途径是设法提高切除余量的效率。目前，可采取如下几方面措施:

(1)刀具方面。包括采用新型刀片材料，如钨钛钽钻类硬质合金、立方氮化硼刀片等，进行高速切削;使用机械夹固车刀、可转位车刀等，以充分发挥硬质合金的作用，缩短更换和刃磨刀具的时间;设计先进的强力切削车刀，加大背吃刀量ap和进给量f，进行强力切削等等。在大批量生产中，对于多阶梯轴可采用多刀加工，几把车刀同时加工工件的几个表面(见图1-7)，可以缩短机动时间和辅助时间，从而大大提高生产率。

(2)机床方面。例如多刀加工可在多刀半自动车床或普通车床上进行，但这种加工方法，调整工具时间较多，且切削力较大，故所需机床的功率也较大。

在成批或大量生产时，常采用仿形加工。所谓仿形加工就是使车刀按照预制的仿形样件靠模顺次将工件的外圆或阶梯加工出来。根据实现仿形的原理，它有机械靠模仿形和液压靠模仿形。机械靠模仿形近年来使用不多，一般均采用随动靠模仿形，所谓随动，就是刀具跟随靠模的形状而移动，随动靠模仿形中应用最广的是液压仿形加工。它是借助液压的作用，使车刀按照仿形样件加工出工件的外圆形状来。

液压仿形加工可在液压仿形半自动车床上进行，也可在普通车床上采用液压仿形刀架来实现。图1-8即为在普通车床上改装的液压仿形刀架加工示意图。

图1-7　多刀加工

图1-8　在车床上改装的液压仿形刀架加工示意图

图中工件安装在两顶尖之间，仿形刀架3安装在车床溜板2上，并位于方刀架的对面，这样可以保留车床上原有的方刀架，不致影响车床原有的性能。样件5一般安装在床身侧面的附加靠模支架上。在加工过程中，仿形刀架随车床溜板作纵向走刀，触头4沿样件轮廓滑动，并操纵随动阀杆，控制仿形刀架的油缸，使仿形刀架按照触头4的运动作仿形运动，从而车出与样件相同的零件。为了能够车削90°端面，仿形刀架油缸的轴线多与车床主轴中心线安装成45°～60°的倾斜角。

仿形加工的调整工作比较简单。在加工一批零件之前，可以用普通方法加工出一个样件，或先做一个样板，然后就可以用样件或样板来仿形车削其他零件。回转体形状的样件容易制造，且使用寿命长，一面磨损后，将样件转过一个角度后可继续使用。

液压仿形加工的特点是:能大大减轻工人劳动强度，减少零件测量的辅助时间，提高了生产率。而且液压仿形刀架结构简单，价格低廉，易于在普通车床上改装使用。近年来，液压仿形系统的精度逐渐提高，尺寸精度可达±0.02～±0.05mm，表面粗糙度Ra可达3.2～1.6μm。液压仿形加工可以车削外圆柱面、外圆锥面、90°端面，以及其他回转曲面。以液压仿形车床为基础，配备简单的机械手及零件的输送装置所组成的轴类零件加工自动线，已成为提高轴类零件生产率的重要途径。

1.2.3.2　细长轴外圆表面的车削加工

细长轴系指轴的长度l与直径d之比大于10的轴。因其刚性较差，车削加工中存在一定的困难，现将其车削特点及其工艺措施和车削方法分析如下:

1.细长轴外圆的车削特点及其工艺措施

细长轴加工时具有如下特点:

(1)细长轴刚性很差，在车削时如装夹不当，很容易因切削力及重力的作用而发生弯曲变形，产生振动，从而影响加工精度和表面粗糙度。

(2)细长轴的热扩散性能差，在切削热的作用下，会产生相当大的线膨胀。如果轴的两端为固定支承，则会因受挤而弯曲变形。当轴以高速旋转时，这种弯曲所引起的离心力，将使弯曲变形进一步加剧。

(3)由于细长轴比较长，加工时一次走刀所需时间多，刀具磨损较大，从而增加了工件的几何形状误差。

针对上述特点，车削细长轴外圆时，通常采取以下相应措施:

(1)针对刚性差的问题，可增大车刀主偏角，使径向切削分力减小;改变走刀方向，使工件在切削时受轴向分力作用形成拉应力状态;改进工件的装夹方法，采用中心架或跟刀架以增强工件刚性。

(2)对热变形大的问题，可改进刀具几何角度，如采取大前角以减少切削热;充分使用冷却液，减少工件所吸收的热量;采用弹簧顶尖，当工件受热膨胀时，可以压缩尾座顶尖的弹簧而自由伸长，避免发生弯曲变形。

(3)针对刀具磨损问题，可以选用硬度和耐磨性较高的刀片材料，并提高刀片的刃磨质量。以延长刀具使用寿命。

2.细长轴外圆的车削方法

通常，车削细长轴时，多采用中心架或跟刀架。由于使用中心架车削，需要接刀，同时不能一次车削全长，而且提高工件的刚性也不如跟刀架明显，所以多数情况车削细长轴均采用跟刀架。但使用跟刀架时，支承工件的两个支承块对工件的压力要适当，压力过小，甚至没有接触，则不能起到提高工件刚性的作用;若压力过大，工件被压向车刀，切深增加。车出的工件直径就小，当跟刀架继续移动后，支承块支承在小直径外圆上，支承块与工件脱离。切削力使工件向外让开，切削深度减小，车出的直径就变大，以后跟刀架又再跟到大直径外圆上，又把工件压向车刀，使车出的直径减小，这样连续有规律的变化，就会把细长工件车成“竹节”形。此外，跟刀架支承块的弧面形状对所车细长轴的精度也有较大的影响。

3.细长轴的先进切削法——反向走刀车削法

图1-9为反向走刀法示意图。这种方法的特点是:

(1)细长轴左端缠有一圈钢丝，利用三爪卡盘夹紧，以减少接触面积，使工件在卡盘内能自由调节其位置，避免夹紧时形成弯曲力矩，且切削过程中发生的变形也不会因卡盘夹死而产生内应力。

(2)尾架顶尖改成弹性顶尖，当工件因切削热发生线膨胀伸长时，顶尖能自动后退，可避免热膨胀引起的弯曲变形。

(3)采用三个支承块跟刀架，以提高工件刚性。

(4)改变走刀方向，使大拖板由车头向尾架移动。由于细长轴左端固定在卡盘内，可以自由伸缩，所以反向走刀后，工件受拉力，不易产生弹性弯曲变形。而且反向走刀的平稳性也比正向走刀好，其原因是反向走刀时车床小齿轮与床身上齿条的啮合比较好。

由于采取这些措施，所以反向走刀车削法能达到较高的加工精度和较低的表面粗糙度。

图1-9　反向走刀法

1.2.3.3　外圆表面的磨削加工

磨削是外圆表面精加工的主要方法，它既能磨削淬火钢件，也能磨削未淬火钢和铸铁。某些精确坯料(如精密铸件，精密锻件和精密冷轧件)可不经车削加工直接进行磨削，按照外圆表面磨削时选用砂轮的磨料粒度和修整质量及磨削用量的不同，磨削也分为粗磨和精磨。

粗磨采用较粗磨粒的砂轮和较大的背吃刀量及进给量，以提高生产率。粗磨的尺寸精度可达IT8～IT7，表面粗糙度为Ra1.6～0.8μm。精磨则采用较细磨粒的砂轮和较小的背吃刀量及进给量，以获得较高的精度及较小的表面粗糙度。精磨的尺寸精度可达IT6～IT5，表面粗糙度为Ra0.2μm。

外圆表面的磨削可以在普通外圆磨床、万能外圆磨床或无心磨床上进行。

1.磨削方式

根据磨削时工件定位方式的不同可分为中心磨削和无心磨削两种磨削方式。

中心磨削即普通外圆磨削，被磨削的工件由顶尖孔定位，在外圆磨床或万能外圆磨床上进行，重型轴需在重型磨床上进行或在车床上装上磨头进行。由于磨削加工时切屑层薄、切削力小、工件变形小和磨床精度高等原因，磨削后加工精度可经济地达到IT6级，表面粗糙度可达Ra0.8～0.2μm。其次，磨轮转速高(30～35m/s)，允许提高工件的转速，故生产率高。由于磨削加工具有精度高、生产率高和通用性广等优点，所以它在现代机械制造工艺中占有很重要的地位。

无心磨削是一种高生产率的精加工方法，被磨削的工件由其外圆表面本身定位。其工作原理如图1-10所示。无心磨削时工件处于磨轮与导轮之间，下面由支承板支承。磨轮轴心线水平放置，导轮的轴向截面轮廓通常修成双曲线，轴心线倾斜一个不大的角度λ。这样，导轮的圆周速度υ导可以分解为两个分量，即带动工件旋转的分量υ工和使工件作轴向(纵向)进给运动的分量f纵。(www.xing528.com)

实现无心磨削的方法主要有:贯穿法(纵向送进磨削，工件从磨轮与导轮之间通过)和切入法(横向送进磨削)。

图1-10　无心磨削原理

无心磨削的特点:加工精度可达IT6级，表面粗糙度可达Ra0.8～0.2μm。生产率很高，其原因是采用宽砂轮磨削，磨削效率高，加工时工件依靠本身外圆表面定位和利用切削力来夹紧，又是连续依次加工，因此节省了装夹时间。但是无心磨削难以保证工件的相互位置精度。此外，有键槽和带有纵向平面的轴也不能采用无心磨削加工。

2.提高外圆磨削生产率的措施

随着机器制造的发展，精密锻造、挤压成形等少无切屑加工越来越广泛得到应用，毛坯余量大大减少，磨削加工所占的比重越来越大，因此提高磨削效率，降低磨削成本也是磨削加工中的重要问题之一。目前，提高磨削生产率的途径有两个方面:

(1)缩短辅助时间。这方面的措施如自动装工件;自动测量及数字显示;砂轮自动修整及补偿;发展新的磨料，提高砂轮耐用度等。

(2)缩短机动时间。可以从如下两个方面缩短机动时间:

①加大磨削用量。高速磨削就是采用特制高强度砂轮，在高速下对工件进行磨削，砂轮速度高达45m/s以上(35m/s以下为普通磨削)。加工精度可以提高，表面粗糙度可以进一步变细，并可延长砂轮使用寿命。但需要较好的冷却系统装置，使磨削区降温。应采用较好的防护装置。因消耗功率大，选用电动机的功率也要大些。

强力磨削就是采用较高的砂轮速度，较大的磨削深度(一次切深可达6mm以上)和较小的进给，直接从毛坯或实体材料上磨出加工表面。它可代替车削和铣削，而效率比车、铣要高得多。但是强力磨削时磨削力和磨削热比高速磨削显著增加，因此对机床的要求除了增加电动机功率外，还要加固砂轮防护罩，增加冷却液供应和防止飞溅，合理选择砂轮，机床还必须有足够的刚性。

②增大磨削面。一般外圆磨削砂轮宽度仅有50mm左右，而宽砂轮磨削是通过加大砂轮宽度(根据工件磨削长度决定，有的砂轮宽度达300mm左右)，成倍地提高了生产率。

多片砂轮磨削这也是利用增加磨削面积，以提高磨削效率的一种有效措施。在一台机床上安装几片砂轮可根据零件形状而定。图1-11是采用多片砂轮磨削曲轴主，其优点是减少了零件安装次数，增大了磨削面积，还能减少磨床数量，节省劳动力，并且提高了零件轴颈的同轴度。

图1-11　多片砂轮磨削曲轴轴颈的示意图

1.2.3.4　外圆表面的精密加工

随着科学技术的发展，对产品的加工精度和表面质量要求也越来越高，而零件表面的质量又直接影响到零件的使用寿命。对于超精密零件的质量要求，往往需要特殊的加工方法，在特定的环境下才能达到。外圆表面的光整加工，就是在精加工后进一步提高表面质量的精密加工手段。这些方法主要有低粗糙度磨削、超精加工、研磨、冷压加工等。

1.低粗糙度磨削

通过磨削使轴的表面粗糙度在Ra0.1μm以下的磨削工艺称为低粗糙度磨削，它包括磨削(Ra为0.05～0.1μm)、超精密磨削(Ra≤0.025μm)和镜面磨削(Ra＜0.005μm)。

低粗糙度磨削具有生产率高、应用范围广、能修整前道工序残留的几何形状误差，而得到很高的尺寸精度和细表面粗糙度等优点。

低粗糙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许多微刃(见图1-12a)，这些微刃的等高性程度大大提高，磨削时参加磨削的切削刃就大大增加了，能在工件表面切下微细的切屑，形成粗糙度较细的表面。随着磨削过程的继续进行，锐利的微刃逐渐磨损而变得稍钝，这就是所谓半钝化状态(半钝化期)，如图1-12(c)所示。这种半钝比的微刃虽然切削作用降低了，但是在一定压力下能产生摩擦抛光作用，可使工件获得更低的表面粗糙度，直到最后磨粒处于钝化期时，磨粒在被磨削的工件表面就起抛光作用了。

低粗糙度磨削的效果取决于采用的砂轮的磨粒种类，例如:

(1)采用46#～80#陶瓷结合砂轮经过精细修整，可获得低粗糙度表面。

(2)用铬刚玉砂轮经修整后可使磨料产生极细微破碎微刃，磨出低粗糙度表面。

(3)采用W20以上的树脂和橡胶结合剂加石墨填料的砂轮，在接触压力下，依靠磨粒微刃摩擦抛光可得到最低的表面粗糙度。

2.超精加工

超精加工采用细粒度的磨条以较低的压力和切削速度对工件表面进行精密加工的方法。其加工原理如图1-13所示。加工中有三种运动，工件低速回转运动1(加工圆柱表面时);磨头轴向进给运动2;磨条高速往复振动3。如果暂不考虑磨头的轴向进给运动，则磨粒在表面走过时的轨迹是正弦波曲线，如图1-14所示。

图1-12　磨粒微刃及磨削中微刃变化

图1-13　超精加工运动

1—回转运动;2—进给运动;3—往复运动

图1-14　超精加工轨迹

超精加工的切削与磨削、研磨不同，当工件粗糙的表面磨平之后，油石能自动停止切削。超精加工过程大致有四个阶段:①强烈切削阶段:超精磨时虽然磨条磨粒很细，压力很小，工件与磨条之间的润滑油易形成油膜，但开始时，由于工件表面粗糙，少数凸峰单位面积压力很大，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，致使切削作用减弱而进入正常切削阶段;③微弱切削阶段:随着接触面积逐渐增大，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，使油石产生光滑表面，具有摩擦抛光作用而使工件表面抛光;④自动停止切削阶段:工件磨光，这时单位压力很小，工件与油石之间又形成油膜，不再接触，切削作用停止。

经过超精加工后的工件表面粗糙度可达Ra0.08～0.01μm，这是由于超精加工磨粒运动复杂，能由切削过程过渡到摩擦抛光过程所致。因此，它是一种获得细表面粗糙度的简便且有效的方法。同时，由于切削速度低，油石压力小，所以加工时发热少，工件表面变质层浅，无烧伤现象。

3.光整加工

如果工件精度要求IT5以上，表面粗糙度要求达Ra0.1～0.008μm，则在经过精车或精磨以后，还需通过光整加工。常用的外圆表面光整加工方法有研磨、超级光磨和抛光等。

研磨是一种既简单又可靠的精密加工方法，是最早出现的一种光整加工和精密加工方法。经过研磨的表面，尺寸与形状精度可达到1～3μm以下，表面粗糙度为Ra0.16～0.01μm。研磨往往作为精密零件(例如滑阀和油泵柱塞等)的终加工方法。研磨方法可分为机械研磨和手工研磨两种。前者在研磨机上进行，生产率比较高;后者生产率低，劳动量大，不适应批量大的生产，但适用于超精密的零件加工，加工质量与工人技术熟练程度有关。

研磨用的研具是采用比工件软的材料(如铸铁、铜、巴氏合金及硬木等)制成。研磨时，部分磨粒悬浮于工件与研具之间，部分磨粒则嵌入研具表面，利用工件与研具的相对运动，磨料就切掉很薄一层金属，主要是上工序留下的粗糙度凸峰。一般研磨的加工余量为0.01～0.02mm。

研磨时加有研磨剂，因此不但有机械加工过程，同时还有化学作用。研磨剂能使被加工表面形成氧化层，从而加速研磨过程。

研磨除了可获得很高的尺寸精度和低的表面粗糙度外，也可提高工件表面的几何形状精度，但一般对表面间相互位置精度无改善。

根据研磨加工特点，它尤其适用于当两个零件要求密切配合时，是一种有效的方法液压元件、油泵柱塞、气阀等。

4.滚压加工

滚压加工是利用金属产生塑性变形，从而达到改变工件的表面性能、形状和尺寸的目的。它是一种无切屑加工。

(1)滚压加工原理。滚压加工是采用硬度较高的滚压轮或滚珠，对半精加工的零件表面在常温条件下加压，使零件受压点产生弹性及塑性变形。塑性变形的结果，不但使表面粗糙度变细，而且使表面层的金属结构和性能也发生变化，晶粒变细，并沿着变形最大的方向延伸，形成纤维状组织，在表面留下了有利的残余压应力。其结果是滚压加工过的表面层强度极限和屈服点增大。显微硬度提高20%～40%。因而使零件抗疲劳强度、耐磨和耐腐蚀性能都有显著的改善。滚压加工的目的有三种:第一种以强化零件为主，加压力大，变形层深(1.5～15mm)。第二种以降低表面粗糙度和提高硬度为主。加工后表面强化层较薄(0.01～1.5mm)。第三种以获得表面形状为主，如滚花、滚轧齿轮、螺纹等。图1-15为滚压加工示意图。

(2)滚压加工特点。滚压加工与切削加工相比有许多优点，因此常常取代部分切削加工，成为精密加工的一种方法，其特点如下:

①滚压对前工序要求。滚压前工序表面粗糙度不低于Ra5μm，表面要洗净，直径方向加工余量为0.02～0.03μm;滚压后表面粗糙度为Ra0.63～0.16μm。

②滚压能使表面粗糙度变细，强化零件加工表面，其形状精度及相互位置精度主要取决于前道工序，如果前工序圆柱度、圆度较差，反而会出现表面粗糙度不匀现象。

③滚压对象是塑性的金属零件，并且要求材料组织均匀。例如在铸铁零件上有局部松软组织时，则会产生较大的形状误差。

图1-15　滚压加工示意图