外圆表面的加工方法及形式介绍

外圆表面是轴类、盘套类零件的主要表面或辅助表面，常用的加工方法有车削和磨削。

车削外圆的主要形式如图8-1所示。一般分为粗车、半精车、精车。

图8-1 车削外圆的形式

1）粗车 其目的是去掉工件大部分的加工余量，以达到较高的生产率，并为后续加工做好准备。粗车外圆表面也可以作为不重要零件或次要表面的最终加工。一般粗车加工精度可达IT10～IT13，表面粗糙度Ra为6.3～12.5μm。

2）半精车 其主要目的是为工件的精加工做准备，也可以作为中等精度的外圆表面的最终加工工序。半精车的加工精度可达IT9～IT10，表面粗糙度Ra为3.2～6.3μm。

3）精车 可作为表面加工的最终工序或光整加工的预加工。精车的加工精度可达IT7～IT8，表面粗糙度Ra为0.8～3.2μm。

（1）外圆表面车削加工设备

车削加工外圆表面可分别在卧式车床（图8-2）、立式车床、转塔车床、多刀自动和半自动车床、各种专用车床、数控车床和车削加工中心等机床上进行。

图8-2 CA6140型卧式车床外形图

1—主轴箱 2—卡盘 3—滑板 4—刀架 5—冷却液管 6—尾座 7—丝杠 8—光杠9—床身 10—操纵杆 11—溜板箱 12—盛液箱 13—进给箱 14——挂轮箱

（2）车削的工艺特点

车削具有生产效率高、应用广泛和加工的材料范围广等工艺特点。

（3）CA6140型卧式车床

1）机床的工艺范围CA6140型卧式车床的工艺范围很广，能适用于各种回转表面的加工，如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转面；车削端面及各种常用螺纹；还可进行钻孔、铰孔、扩孔、滚花、绕弹簧、攻螺纹和套螺纹等加工，如图8-3所示。卧式车床的万能性较大，但结构复杂，自动化程度较低，因此适用于单件小批生产及修理车间。

2）机床的主要组成部件 如图8-2所示是CA6140型卧式车床的外形图，其主要组成部件为主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架部件、滑板、尾座、挂轮箱和床身等。

3）机床的运动情况

①主运动 主轴的回转运动。

②进给运动 刀具的纵向、横向移动。

图8-3 CA6140卧式车床的加工方法

车削时，必须把工件装夹在车床夹具上，经过校正、夹紧，使它在整个加工过程中始终保持正确的位置。由于工件的形状、数量和大小的不同，装夹方法有很多种。

（1）卡盘装夹

卡盘有三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘两种。

1）三爪自定心卡盘是安装一般工件的通用夹具。它的构造如图8-4（a）所示，三只卡爪均匀分布在卡盘的圆周上，能同步沿径向移动，实现对工件的夹紧或松开。三爪自定心卡盘能自动定心（定位），装夹工件时一般不需要找正，但在装夹稍长的工件时，因工件的远端处中心不一定与车床主轴轴心线一致，所以要校正。三爪自定心卡盘装夹工件方便、快速，但夹紧力较小，适用于装夹中小型圆柱形、正三边形或正六边形工件。安装工件的步骤如下。

图8-4 卡盘

①把工件放正在卡爪间，轻轻夹紧。工件夹持长度一般不小于10mm。

②开动机床，使主轴低速旋转，检查工件是否偏摆。如偏摆，则应停车，用小锤轻敲校正后，将工件固紧。

2）四爪单动卡盘的构造如图8-4（b）所示，四只卡爪沿圆周方向均匀分布，卡爪能逐个单独径向移动，装夹工件时，可通过调节卡爪的位置对工件位置进行校正。四爪单动卡盘的夹紧力较大，但校正工件位置麻烦、费时，适宜于单件、小批量生产中装夹非圆形工件。在四爪单动卡盘上，用划针校正工件的方法如下：

①松开卡爪，装上工件，先用两个相对的卡爪夹紧，再用另两个卡爪夹紧。夹紧时，应使工件的位置大致差不多。

②找正中心。先使划针稍离工件外圆，慢慢转动卡盘，将离开针尖最远处的一个卡爪松开，拧紧其对面的一个卡爪，反复调整，直至找正为止，最后夹紧工件。

③找正端面。先使划针稍离工件端面，慢慢转动卡盘，在离针尖最近的工件端面上用小锤轻轻敲击，至各处距离相等为止夹紧工件。

④加工较长的工件时，必须找正工件的前端和后端外圆；加工较短工件时，除找正外圆以外，还要找正端面。

（2）顶尖装夹

对于较长的或必须经过多次装夹才能加工完成的工件，或在车加工后还有铣、磨等工序的工件，为了保证重复定位精度的要求，这时可采用两顶尖装夹工件的方法，如图8-5所示。

图8-5 用顶尖安装工件

1—前顶尖 2—拨盘 3—鸡心夹头4—尾顶尖 5—尾座套筒 6—尾座

前顶尖插入主轴锥孔，尾顶尖插入尾座套筒锥孔，两顶尖支承及定位预制有中心孔的工件。由于顶尖工作部位细小，支承面较小，装夹不够牢靠，不宜采用大的切削用量加工。

在粗加工时，为提高生产效率，常采用大的切削用量，切削力很大，而粗加工时工件的位置精度要求不高，这时常采用主轴端用卡盘，尾座端用顶尖的“一夹一顶”的装夹方法。

（3）中心架、跟刀架辅助支承

当车削l/d＞10的细长轴时，为了增加工件的刚度，避免工件在加工中弯曲变形，常使用中心架或跟刀架作辅助支承。

如图8-6（a）所示为中心架及其使用示意图。使用时，中心架固定在床身导轨的适当位置，调节三个支承爪支承在工件的已加工表面上。中心架除用于加工外圆，还可以用于较长轴的车削端平面、钻孔或车削内孔。

如图8-6（b）所示为跟刀架及其使用示意图。跟刀架安装在床鞍上，车削时随床鞍和刀架一起纵向移动，两个可调节的支承块支承在工件的已加工表面上。

（4）心轴装夹

当盘套类零件的内外圆同轴度和端面对轴线垂直度要求较高，且不能在同一次装夹中加工时，可采用心轴装夹。其方法是：先精加工内孔，再以内孔定位将工件安装在心轴上，然后再把心轴安装在前后顶尖之间，如图8-7所示。采用这种装夹方法时，零件内孔精加工的尺寸精度越高，则加工后外圆与内孔间的位置精度就越高。

图8-6 中心架、跟刀架的应用

图8-7 零件用心轴装夹

车刀样式很多，按车刀的用途可分为普通车刀和成形车刀，现只介绍普通车刀。

（1）普通车刀的种类、形状和用途

①外圆车刀 外圆车刀主要用于车削圆柱形或圆锥形外表面。

主偏角κ_r=45°的车刀如图8-8（a）、（b）所示，既可以车削外圆，也可以车削端面和倒角，是一种通用性很好的车刀；主偏角κ_r=75°的强力车刀，用于大切深（a_p=30～35mm）和大进给（f=1～1.5mm/r）的车削外圆；主偏角κ_r=90°的车刀如图8-8（c）所示，用来车削外圆、阶台和端面，还可以车削细长轴；主偏角κ_r=93°的车刀，主要用于车削细长轴。

②端面车刀 端面车刀如图8-8（d）所示，专门用于车削工件的端面。

③切断刀和切槽刀 切断刀如图8-8（e）所示，切槽刀如图8-10（f）所示，用来切断工件或在工件上切沟槽。

④螺纹车刀 螺纹车刀如图8-8（g）所示，用来车削螺纹。

⑤内孔车刀 内孔车刀如图8-8（h）所示，用来车削工件的内孔。

图8-8 普通车刀的种类、形状和用途

（2）普通车刀的结构形式

①整体式车刀 如图8-9（a）所示。

②焊接式硬质合金车刀 如图8-9（b）所示。

③机夹式硬质合金车刀 如图8-9（c）所示。

④机夹可转位车刀 如图8-9（d）所示。

图8-9 车刀的结构形式

1）车刀的伸出长度不宜太大。伸出刀架的长度一般应不超过刀杆高度的1～2倍。

2）车刀刀尖一般应与车床主轴轴线等高，但在粗车外圆时刀尖应略高于工件轴线，精车细长轴外圆时刀尖应略低于工件轴线。

3）车刀刀杆应与主轴轴线垂直。

4）刀杆下面的垫片要平整，垫片要和刀架对齐，应尽可能用厚的垫片。

（1）车外圆

在车削加工中，车外圆是最常见、最基本的加工方法，可分为粗车和精车。

1）粗车 粗车时先选取较大的背吃刀量，其次取较大的进给量，最后确定切削速度。初学车削时，其切削用量取为a_p=0.5～1.5mm；f=0.1～0.3mm/r；用高速钢车刀时，v_c=0.3～0.8m/s，用硬质合金车刀时，v_c=0.6～1m/s。粗车外圆常采用45°弯头车刀或75°偏刀。

2）精车 精车的切削用量一般取：a_p=0.2～0.5mm，f=0.1～0.3mm/r，v_c＜0.1m/s或v_c＞1.6m/s。精车外圆常采用90°偏刀或宽刃精车刀。

（2）车端面及阶台

1）车端面 车端面常采用偏刀或45°弯头车刀，如图8-10所示。车刀安装时，刀尖高度一定要与工件回转轴线等高，以免车出的端面中心留有凸台。车端面时，车刀一般是由外往中心切削。但当用偏刀车削且背吃刀量较大时，进给方向的切削力会使车刀扎入工件，形成凹面，这时可采用从中心向外走刀。为了降低端面的表面粗糙度值，精车端面时，应用偏刀由外向中心进刀。

图8-10 车削端面的方法

2）车阶台 阶台的车削实际上是车外圆和车端面的综合，在车削时需要兼顾外圆的尺寸精度和阶台长度的要求。车削低阶台时，可用90°右偏刀一次走刀车出，为了保证车刀的主切削刃垂直于工件轴线，装刀时要用角尺对准，以获得直角阶台，如图8-11（a）所示。车削高阶台时，应分层切削，先用75°的车刀切除阶台的大部分加工余量，然后用90°～95°的偏刀分几次走刀完成，如图8-11（b）所示。车削阶台时，一般先纵向进给车外圆，到阶台处时，再由内向外横向进给车削阶台平面，以保证阶台平面与外圆轴线垂直。可采用刻线痕、溜板箱刻度盘控制、挡铁定位等方法，来保证阶台的轴向长度。

图8-11 阶台的车削

（3）车槽和切断

1）车槽 用车削方法加工工件的槽称为车槽。车削5mm以下的窄槽时，可用主切削刃宽度等于槽宽的切槽刀，在横向进给中一次车出。车削宽槽时，可以分几次进给来完成，车第一刀时，先用钢尺量好距离，横向进给车一条槽后，把车刀退出工件，向前移动再横向进给继续车削，最后一次横向进给后再纵向进给精车槽底。

2）切断 切断时使用切断刀，其刀头的长度L应稍大于实心工件的半径或空心工件、管料的壁厚h（见图8-12），刀头宽度应适当。切断实心工件时，其刀尖应与工件轴线等高，切断空心工件、管料时，其刀尖应稍低于工件轴线。在切断过程中，应适当减小切削用量，并采用切削液。工件切断时一般用卡盘装夹，切断位置离卡盘要近些，以免引起工件振动。切断时用手均匀缓慢进给，即将切断时应减慢进给速度，以防止刀头折断。

图8-12 零件的切断(www.xing528.com)

（4）车圆锥面

在车床上主要车削外圆锥面。车圆锥时，车刀的刀尖应与工件轴线等高，其直线移动轨迹必须与工件回转轴线相交，夹角等于圆锥半角α/2。常用的车圆锥面的方法有下列两种。

1）转动小刀架法 如图8-13（a）所示。车削锥度较大和较短的内外锥面时，通常采用转动小刀架法。操作时先松开固定小刀架的螺母，将小刀架转动到与机床主轴线成圆锥半角α/2的位置并固定，然后均匀转动小刀架手柄，车刀沿锥面的母线移动，即可车出所需的锥面。

转动小刀架法操作简单，能加工任意锥角的内外锥面，能保证一定的加工精度。但因受小刀架行程的限制，不能加工较长的锥面，也不能自动进给，表面粗糙度较大。

2）偏移尾座法 如图8-13（b）所示。工件装夹在前后两顶尖之间，将尾座横向偏移一个距离s，使锥面的母线平行于车刀的纵向进给方向，即工件轴线与主轴轴线相交成圆锥半角α/2，车刀做纵向进给运动，则可加工所需的锥面。

偏移尾座法只能用来加工轴类零件的锥面。特点是能车削较长的圆锥面，可自动进给，但不能车削较大锥角的零件。调节尾座的偏移量比较麻烦，对于工件总长不一致的成批零件，加工后的圆锥角一致性较差。

图8-13 车圆锥的方法

用磨具以较高的线速度对工件表面进行加工的方法称为磨削。磨削加工是一种多刀多刃的高速切削方法，它适用于零件精加工和硬表面的加工。

外圆磨削分为粗磨、精磨、精密磨削、超精磨削和镜面磨削，后三种属于光整加工。

（1）磨削加工的工艺范围

磨削加工的范围非常广，它可用来加工各种内外圆柱面、内外圆锥面、平面和成形面（如花键、齿轮和螺纹等），是表面精加工的主要方法之一，其典型的加工方法如图8-14所示。

图8-14 磨削加工方法

（2）磨削加工的工艺特点

磨削加工具有精度高、磨削的材料范围较广和磨削的温度高等工艺特点。

（1）砂轮的组成和特性

砂轮由磨粒和结合剂按一定的比例混合，在模具中高压成形后，经烧结制成的疏松多孔体。其特性取决于以下几个因素。

1）磨料 砂轮中的磨粒材料称为磨料。

2）粒度 是指磨料的平均尺寸的大小。通常以磨粒能通过筛网的网号来表示磨粒的粒度，粒度号数越大，颗粒越细，尺寸越小。当磨粒的直径小于40μm，称为微粉，它的粒度以微粉的尺寸大小来表示。

3）结合剂 是指将磨料黏结成一定形状和强度的砂轮的结合物质。

4）硬度 是指磨料在磨削力的作用下脱落的难易程度。

5）组织 是指砂轮的磨粒、结合剂、气孔三者在体积上的比例关系，它反映出砂轮组织的松紧程度。砂轮的组织号是用磨粒所占砂轮的百分比来表示的。号数越小，磨粒的百分比越大，砂轮组织就越紧。砂轮组织的级别可分为紧密、中等和疏松三大类。

6）砂轮的形状 砂轮通常制成不同的形状和尺寸。常用砂轮的形状如图8-15所示。

图8-15 砂轮的形状

（2）砂轮的标志

为了便于识别砂轮的全部特性，在砂轮的端面一般都有标志。按国家标准GB/T 2484—1994《普通磨具 代号和标记》中的规定，磨具标志的书写顺序是：磨具形状、尺寸、磨料、粒度、硬度、组织、结合剂和最高线速度。如某砂轮上的标志为：

P-150×50×65WA60M5V30

表示该砂轮的形状为平形砂轮，砂轮的外圆直径为150mm，厚50mm，孔径65mm，磨料为白色刚玉，粒度为60号，硬度为中，组织为5号，陶瓷结合剂，允许的线速度为30m/s。

（3）砂轮的安装、平衡与修整

1）砂轮的安装 砂轮工作时转速很高，安装前应仔细检查是否有裂纹，有裂纹的砂轮不允许使用；再检查砂轮内孔与法兰轴套配合的松紧是否适度。直径较大的砂轮要用法兰盘装夹，在法兰盘端面与砂轮之间应放置弹性材料制成的衬垫。安装时，要擦净各零部件；紧固时要采用对角逐步拧紧，以保证砂轮受力均匀，注意不要用力过猛。最后，将砂轮连同法兰盘一起装入主轴。

2）砂轮的平衡 砂轮的制造误差和安装所产生的安装误差，会使得砂轮的质心与其旋转中心不重合而造成砂轮不平衡。砂轮在安装使用前，如不进行平衡，在高速旋转时会产生很大的惯性力使磨床产生振动，不仅降低磨削质量，严重时还会损坏主轴及轴承，甚至有导致砂轮碎裂的危险。因此，砂轮安装后必须进行平衡。一般采取在平衡架上进行静平衡的方式，如图8-16所示。

3）砂轮的修整 新砂轮在使用前要用金刚石对其表面进行修整，修出一层，使其露出磨粒的刃口；磨钝的砂轮应及时进行修整。修整砂轮一般用金刚石笔“车削”砂轮工作面，修整层厚度为0.1mm左右。如图8-17所示为修整时金刚石的工作位置。

图8-16 砂轮的静平衡

1—支架 2—心轴 3—平衡块 4—法兰盘

图8-17 砂轮修整时金刚石的工作位置

（1）磨削速度v_c

磨削速度v_c是指砂轮的圆周速度，即

式中 D_o——砂轮的直径（mm）；

n_o——砂轮的转速（r/min）。

一般磨削时，v_c为30～35m/s，高速磨削时，可达60～100m/s。

（2）工件圆周进给速度v_ω

工件圆周进给速度v_ω是指圆柱面磨削时，工件待加工面的线速度，即

式中 D_ω——工件直径（mm）；

n_ω——工件转速（r/min）。

粗磨时v_ω=20～85m/min，精磨时v_ω=15～50m/min。

（3）纵向进给量f_a

外圆磨削时，纵向进给量f是指工件每回转一周，沿自身轴线方向相对砂轮移动的距离。其大小选择与砂轮宽度B有关，一般为（0.2～0.8）B，单位为mm/r。粗磨取上限，精磨取下限。

（4）横向进给量f_r

横向进给量f_r是指工作台面往返行程一次，砂轮横向移动的距离，也称磨削深度，f_r一般为0.005～0.05mm/dstr。

磨床的种类非常多。主要有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床、刀具刃具磨床以及各种专门化磨床等。下面以M1432A型万能外圆磨床为例进行介绍。

（1）磨床的工艺范围

M1432A型万能外圆磨床的工艺范围较广，主要用于磨削内外圆柱面、内外圆锥面、阶梯轴轴肩以及端面和简单的成形回转体表面等。但其生产效率较低，适用于单件小批生产。

（2）磨床的主要组成部件

如图8-18所示为M1432A型万能外圆磨床的外形图。

图8-18 M1432A型万能外圆磨床外形图

1—头架 2—砂轮 3—内圆磨具 4—磨具架 5—砂轮架 6—尾座 7—上工作台8—下工作台 9—床身 10—横向进给手轮 11—纵向进给手轮 12—撞块

（3）磨床的运动情况

1）主运动 磨外圆时为砂轮的旋转运动；磨内孔时为内圆磨具的砂轮的旋转运动。

2）进给运动 工件的圆周进给运动、工作台的纵向进给运动和砂轮架的横向进给运动。

（1）中心磨削法

中心磨削法是指在外圆磨床上以工件的两顶尖孔定位进行外圆磨削的一种加工方法。1）纵向磨削法 如图8-19（a）所示。磨削时，砂轮做旋转的主运动v_c，工件做旋转的圆周进给运动v_ω，工作台带动工件做纵向进给运动f_a。每单次行程或每往复行程终了时，砂轮做一次横向进给f_r，从而逐渐磨出工件径向的磨削余量。采用纵向磨削法磨削工件时，每次的横向进给量少，磨削力小，散热条件好，当磨削到尺寸时，采用几次无横向进给的光磨行程，直到磨削火花消失为止，因而加工质量高，是一种应用较广的磨削方法，但生产率较低。

2）横向磨削法 如图8-19（b）所示，是一种用宽砂轮进行横向切入磨削的方法。磨削时，砂轮做旋转的主运动v_c，工件做旋转的圆周进给运动v_ω，因砂轮宽度比工件的磨削宽度大，所以工件不需要做纵向进给运动。砂轮在做主运动的同时，以缓慢的速度连续或断续地做横向进给运动，直至磨到工件尺寸要求为止。采用横向磨削法磨削工件时，因在一次行程中就可完成磨削加工过程，所以生产效率高。但工件与砂轮接触面积大，磨削力大，磨削温度高，因而加工精度低，表面质量较差，一般用于大批量生产中。

图8-19 外圆磨削方法

3）综合磨削法 综合磨削就是先用横向磨削分段粗磨被加工表面的全长，相邻各段搭接5～15mm，最后用纵向磨削进行精磨。此法兼有横向磨削法生产效率高和纵向磨削法加工质量好的优点，适合在成批生产中磨削刚度好的长轴外圆表面。

在M1432A型万能外圆磨床上，还可以进行内外圆锥面的磨削加工。如图8-20（a）所示为扳转工作台磨削锥度不大的外圆锥面；如图8-20（b）所示为扳转砂轮架磨削锥度较大的外圆锥面；如图8-20（c）所示为扳转头架磨削外圆锥面和内圆锥面。

图8-20 圆锥磨削方法

（2）无心磨削法

1）工作原理 无心磨削是工件不定心的磨削，下面以无心外圆磨削为例进行介绍。

无心外圆磨削的工作原理如图8-21所示，工件置于砂轮和导轮之间的托板上，以待加工表面为定位基准。当砂轮高速旋转时，通过切向磨削力带动工件旋转，但导轮则依靠摩擦力对工件进行“制动”，限制工件的圆周速度，使之基本上等于导轮的圆周线速度，从而在砂轮和工件间形成很大的速度差，产生磨削作用。改变导轮的转速便可调节工件的圆周进给速度。无心磨削时，工件的中心必须高于导轮和砂轮的中心连线，使工件与砂轮、导轮间的接触点不在工件同一直径线上，从而使工件在多次转动中逐渐被磨圆。

图8-21 无心外圆磨削加工示意图

2）磨削方法 无心外圆磨削有两种方式：纵磨法[图8-21（a）、（b）]是将工件从机床的前面放到托板上推入磨削区。由于导轮在垂直平面内倾斜α角，导轮与工件接触处的线速度v_导可分解为水平和垂直两个方向的分速度v_导水平和v_导垂直，v_导垂直控制工件的圆周进给运动；v_导水平使工件作纵向进给。所以，工件进入磨削区后，便既作旋转运动，又作轴向移动，穿过磨削区，从机床另一端出去即磨削完毕。这种方法适用于不带台阶的圆柱形工件的磨削；横磨法（图8-21c）是将工件放在托板和导轮上，然后由工件（连同导轮）或砂轮作横向进给来磨削工件表面，这时导轮的轴线仅倾斜很小的角度，对工件有微小的轴向力作用，使它顶住定位挡板，得到可靠的轴向定位。此法适用于磨削阶梯或成形回转表面的工件。

3）工艺特点

①在无心外圆磨削过程中，工件不需打中心孔，且装夹工件省时省力，可连续磨削。

②导轮和托板沿全长支承工件，支承刚性好，刚度差的工件也可采用较大的切削用量进行磨削，所以生产效率高。

③由于被磨工件以加工面自身定位，所以工件的加工精度较高，如配备适当的装卸料机构，易实现自动化。

④无心磨削调整费时，只适于成批及大量生产；又因工件的支承及传动特点，只能用来加工尺寸较小、形状比较简单的工件。