轴类零件加工中的几何公差要求与装夹技巧

一、相关知识

1.沟槽的种类和技术要求

1)沟槽的种类

根据沟槽截面的不同，常把沟槽分为直角沟槽和特形沟槽。

常见的直角沟槽有开式、封闭式和半封闭式三种，如图3-29所示。其中半封闭式沟槽的尾部有立式铣刀圆弧(立圆弧)和盘式铣刀圆弧(卧圆弧)两种形式，轴上键槽是用平键连接轴与套的一种典型的直角沟槽。在铣床上铣削加工的特形沟槽有V形槽、T形槽、半圆键槽和燕尾槽等。机床导轨、轴类零件的定位常采用V形槽；T形槽主要用于串装T形螺栓，如机床工作台上的T形槽，用于串装螺栓装夹工件；燕尾槽配合通常也用于机床导轨如铣床的纵向和垂向导轨。

图3－29　直角沟槽的种类

(a)开式；(b)封闭式；(c)半封闭式(卧圆弧)

2)沟槽的技术要求

(1)尺寸精度:槽的宽度、长度和深度都有一定的尺寸精度要求，尤其是对与其他零件相配合的部位尺寸精度要求相对较高。如键槽的两侧面，因与平键配合，其宽度尺寸公差≤0.052 mm。

(2)形状精度:各种形状的沟槽经铣削加工后，应符合图样的形状精度要求。直角沟槽和特形沟槽都由平面组成，因此，通常有平面度和直线度基本要求。用于配合的平面，其形状要求比较高，如键槽的两侧面、T形槽基准直槽的两侧面、V形槽的V形面、燕尾槽的配合斜面和水平面等。

(3)位置精度:槽与基准之间一般有位置精度要求，如轴上键槽一般有槽宽尺寸对工件轴线的对称度要求；又如T形槽中间平面与基准侧面的平行度要求；几条T形槽之间的平行度要求。此外，对在轴类零件上分布的沟槽，还有等分精度或夹角的要求。

(4)表面粗糙度:对组成槽的各表面都有表面粗糙度要求，用于配合的表面要求较小的表面粗糙度值，如工作台面T形槽基准直槽的两侧面常用于夹具定位，因此要求具有较小的表面粗糙度值。

2.直角沟槽的加工方法

1)常用刀具

直角沟槽由三个平面组成，相邻两平面之间相互垂直，两侧面相互平行。直角沟槽通常用盘形铣刀和指形铣刀加工，开式直角沟槽可用三面刃铣刀和盘形槽铣刀加工，较宽的直角沟槽可采用合成铣刀加工，如图3-30所示。封闭式直角沟槽采用立铣刀或键槽铣刀加工。半封闭式直角沟槽则需根据封闭端的形式确定，立式圆弧采用立铣刀或键槽铣刀加工，卧式圆弧采用盘形铣刀加工。值得注意的是，键槽铣刀在修磨时只能修磨端面齿刃，否则会影响键槽宽度尺寸的铣削精度。

2)常用装夹方式

矩形工件和箱体零件的装夹方式与铣削平面和连接面时基本相同。轴类件的装夹方式及其特点如下:

(1)用机用虎钳装夹轴类工件，如图3-31所示。当机用虎钳在工作台上找正并固定后，固定钳口与导轨上平面与工作台之间的相对位置是不变的。若轴的直径有变化，则后一工件的轴线位置会沿45°方向发生变化，从而影响工件上槽的对称度和深度尺寸。因此，这种方法适用于单件加工或小批轴径经过精加工且尺寸精度要求较高的零件。

图3－30　铣削直角沟槽的合成铣刀

图3－31　用机用虎钳装夹轴类工件

(2)用V形铁定位装夹轴类工件，如图3-32所示。当工件直径有变化时，工件的轴线位置将沿V形面的角平分线改变，因此在多件或成批加工时，只要指形铣刀的轴线或盘形铣刀的中分线对准V形槽的角平分线，铣出的直角沟槽只会在深度尺寸上有变化，而对称度不会有变化，如图3-32(b)所示。但如果在卧式铣床上用指形铣刀铣削，或在立式铣床上用盘形铣刀铣削，那么当V形槽的角平分线仍为垂直时，工件直径会有变化，会直接影响直角槽的对称度，如图3-32(c)所示。对直径在20～60 mm的细长轴，可利用工作台T形槽槽口对工件进行定位装夹，装夹方法和定位误差与V形铁相同。

图3－32　用V形铁定位装夹轴类工件

(3)用轴用虎钳装夹轴类工件，如图3-33所示。装夹工件时，转动手柄1，可使钳口3和6绕销轴2和7转动，把工件5压紧在V形铁8上。轴向定位板4用于工件轴向定位。V形铁可根据工件直径大小翻转调换。该虎钳可安装成水平或垂直位置，以便于在立式铣床和卧式铣床上采用指形铣刀和盘形铣刀铣削。这种方式的定位误差与V形铁定位误差相同。

(4)用定中心方法装夹轴类工件，如图3-34所示。用这种方法装夹轴类工件，工件的轴线与工作台面和进给方向平行，调整刀具与工件相对位置后，直角沟槽的对称度不受工件直径变动的影响，槽深尺寸与尺寸基准有关，其基准为工件轴线，不受直径变动影响；若基准是工件上下素线，则会受到影响。其中用三爪自定心卡盘和尾座顶尖装夹方式如图3-34(a)所示；用两顶尖装夹方式如图3-34(b)所示，装夹常被用在分度头上；用自定心虎钳装夹方式如图3-34(c)所示。因两个钳口都是活动的，所以其定心精度比三爪自定心卡盘略差一些。

图3－33　用轴用虎钳装夹轴类工件

图3－34　用定中心方法装夹轴类工件

(a)用三爪自定心卡盘和尾座顶尖装夹；(b)用两顶尖装夹；(c)用自定心虎钳装夹

3)铣削加工的要点

(1)选择适用的铣刀并进行安装。必要时需对刀具安装精度进行找正。

(2)根据工件材料、刀具参数选择、调整切削用量。

(3)选择装夹方式，安装夹具，装夹、找正工件。

(4)用划线、擦边或切痕对刀法，按图样给定的尺寸(或经过必要的换算)调整铣刀与工件的相对位置。

(5)对一般精度的直角沟槽在粗铣后进行检测，然后按图样尺寸做精铣调整，完工后进行检验。较高精度的直角沟槽，可分粗、半精、精铣加工达到图样尺寸。键槽的铣削因槽宽由铣刀直径尺寸精度保证，并且有较高的对称度要求，因此，一般情况下应一次成型。较大尺寸的键槽可以用小直径的铣刀先进行粗加工，然后根据图样尺寸选用铣刀精铣键槽。

3.特形沟槽铣削加工方法

1)常用刀具

特形沟槽一般用刃口形状与沟槽形状相应的专用铣刀铣削加工，在单件生产时，也可采用通用铣刀做多次切削或用组合铣刀来铣削。

(1)铣削半圆键槽采用半圆键槽铣刀，铣刀的直径略大于半圆键槽的直径，如图3-35所示。半圆键槽的配合精度较高，因此半圆键槽铣刀的宽度也很精确。铣刀的端面带有中心孔，可在卧挂架上安装顶尖，顶住铣刀中心孔，以增加铣刀的刚性，同时可以减小铣削振动，提高铣削加工质量。

(2)铣削T形槽需选择直槽加工铣刀和T形底槽加工铣刀。直槽加工可选择键槽铣刀、立铣刀和三面刃铣刀；T形底槽选用专用的T形槽铣刀，通常有锥柄和直柄两种，如图3-36所示。T形槽铣刀的切削部分与盘形铣刀相似，又可分为直齿和交错齿两种。较小的T形槽铣刀，由于受T形槽直槽部分尺寸的限制，刀具柄部和刀头连接部分直径较小，因而刀具的刚度和强度均比较低。

图3－35　半圆键槽铣刀与半圆键槽

图3－36　T形槽铣刀

(3)铣削V形槽时，可使用单角度、双角度铣刀，也可将工件转动角度装夹后用三面刃铣刀、立铣刀和面铣刀等标准铣刀加工。

(4)铣削燕尾槽时，通常先用标准铣刀，如三面刃铣刀、面铣刀、立铣刀等加工直槽或凸台，然后使用燕尾槽专用铣刀铣削燕尾槽或燕尾块，如图3-37所示。

图3－37　燕尾槽与燕尾块加工

2)铣削要点

(1)T形槽的加工要点:T形槽铣削的步骤是先铣直槽，后铣底槽，最后铣削槽口倒角。加工中应注意合理选择T形刀的切削用量，保证切屑能通畅地排出，钢件应冲注足够的切削液。

(2)半圆键槽的加工要点:铣削半圆键槽时，用划线或切痕对刀法调整铣刀切削位置，以达到图样上键槽的对称度和圆弧中心至轴端基准的尺寸精度要求。铣削中心随着键槽深度的增加，切削量会越来越大，通常应采用手动进给。

(3)V形槽的加工要点:V形槽铣削时先铣出中间窄槽，然后铣削V形面。铣削V形面可采用角度铣刀，也可以将工件转动角度装夹或立铣头扳转角度后用标准铣刀加工。对于有较高工件外形对称度要求的V形槽，可以用工件翻转180°定位装夹的方法铣削V形面，以保证达到V形槽的对称度要求。

(4)燕尾槽和燕尾块的加工要点:带斜度燕尾铣削的步骤是先铣出直槽，然后铣削一侧带斜度的燕尾半槽，按槽宽(或键宽)尺寸调整工作台，铣削另一侧燕尾半槽。精度要求较高的燕尾槽应在加工过程中采用标准圆棒与内径千分尺配合测量的方法来控制燕尾的宽度尺寸。加工带斜度的燕尾配合件时，应按斜度要求找正工件的基准侧面与进给方向的夹角。夹角精度较高时，可采用正弦规、量块和百分表找正工件。

4.工件切断与窄槽加工方法

1)切断和窄槽铣刀的特点

为了节省材料，在铣床上切断工件时通常采用薄片圆盘形的锯片铣刀或窄槽(切口)铣刀。锯片铣刀的直径较大，一般用于切断工件；窄槽铣刀的直径比较小，齿也较密，用于铣削工件上的切口和窄槽，或用于切断细小的或薄型的工件。这两种铣刀的结构基本相同，铣刀侧面无切削刃。为了减少铣刀侧面与切口之间的摩擦，铣刀的厚度自圆周向中心凸缘逐渐减薄，铣刀用钝后仅修磨外圆齿刃。

2)切断和窄槽铣削加工要点(www.xing528.com)

(1)切断加工应正确选择锯片铣刀的直径和厚度，选择时可按下列算式确定。

选择铣刀外径的计算公式:

d0>2t＋d′

式中:d0——铣刀直径(mm)；

t——工件厚度(mm)；

d′——刀杆垫圈外径(mm)。

选择铣刀厚度的计算公式:

式中:L——铣刀厚度(mm)；

B′——工件总长(mm)；

B——每件长度(mm)；

n——要切断的工件数。

(2)锯片铣刀的安装应尽量靠近铣床主轴，刀轴与铣刀之间不采用平键连接，并注意铣刀的端面圆跳动和径向圆跳动。

(3)切断加工时选择较小的切削用量，加工批量产品的切口时可选择较大的切削用量，以提高生产效率。

(4)为防止锯片铣刀折断、打碎，应在铣削中采取提高工件的装夹刚性、使锯片铣刀的外圆恰好与工件底面相切、不使用两侧刀尖磨损不均匀的铣刀等预防措施。

(5)批量生产铣削带有窄槽、切口的工件如图3-38所示。一般直径不大，常带有螺纹，因此，装夹时可根据零件形状，采用以下装夹方法。

图3－38　带有窄槽、切口的工件

①用特制螺母装夹工件的方法，如图3-39(a)所示。先将螺母装夹在三爪自定心卡盘(或机用虎钳)内，再把螺钉旋紧在螺母内。加工时，当第一个螺钉铣准后，以后的工件加工尺寸是不变的。

②用对开螺母装夹工件的方法，如图3-39(b)所示。把螺钉放在对开螺母中，再用虎钳(或卡盘)把对开螺母夹紧。

③用带硬橡胶的V形钳口装夹工件的方法，如图3-39(c)所示。在机用虎钳上安装带有硬橡胶的V形钳口，把工件装夹在V形钳口内。这种方法比对开螺母更为简便。

图3－39　常用装夹带螺纹工件的方法

(a)用特制螺母装夹；(b)用对开螺母装夹；(c)用带硬橡胶的V形钳口装夹

二、工作步骤

1.任务分配

每人1件毛坯，按任务图纸要求及工艺要求进行V形槽的铣削加工，单件加工时间为150 min。

2.任务实施

1)坯件检验

用千分尺检验预制件的平行度和尺寸，测得宽度的实际尺寸为50.08～50.12 mm。用90°角尺测量侧面与底面的垂直度，选择垂直度较好的侧面、底面作为定位基准。

2)安装、找正机用虎钳

将虎钳安装在工作台中间的T形槽内，位置居中，并用百分表找正，使固定钳口的定位面与工作台面纵向平行。

3)划线、装夹工件

在工件表面划直槽位置参照线。划线时，可将工件与划线平板贴合，划线尺高度为(50-3)/2＝23.5(mm)，用翻身法划出两条参照线。装夹工件时，注意侧面、底面与虎钳定位面之间的清洁度。

4)安装铣刀

铣削中间窄槽时，应安装锯片铣刀，并用百分表检测端面圆跳动在0.05 mm以内；铣削V形槽时，应换装对称双角度铣刀。

5)铣削中间窄槽

(1)铣削中间窄槽时，按工件表面划出的对称槽宽参照线横向对刀的具体操作方法，与T形直槽的铣削方法相同。此处也可用换面对刀法对刀。具体操作是，工件第一次铣出切痕后，将工件回转180°，以另一侧面定位再次铣出切痕，目测两切痕是否重合，如有偏差，按偏差的一半微量调整工作台横向，直至两切痕重合。

(2)按垂向表面对刀的位置，垂向上升17 mm铣削中间窄槽。铣削时，由于深度余量比较大，应注意锁紧横向，并应用手动进给铣削。窄槽铣削完毕后，应用游标卡尺对槽深、槽宽、对称度进行预检。

6)铣削V形槽(图3-40)

图3－40　铣削V形槽

(a)槽口切痕对刀；(b)铣削V形示意；(c)初测对称度

(1)换刀:换装对称双角度铣刀时，在不影响横向移动的前提下，铣刀尽可能靠近机床主轴，以增强刀杆的刚度。

(2)对刀:对刀时，目测使铣刀刀尖处于窄槽中间，垂向上升，使铣刀在窄槽槽口铣出切痕；微量调整横向，使铣出的两切痕相等，此时窄槽已与双角度铣刀中间平面对称。同时，当铣刀锥面刃与槽口恰好接触时，可作为垂向对刀记号位置。

(3)计算V形槽深度:根据V形槽槽口的宽度尺寸B和槽形角α，以及中间窄槽的宽度b，计算V形槽的深度H:

(4)粗铣:根据垂向对刀记号，垂向余量13.5 mm分3次粗铣，1次精铣。余量分配为6 mm、4 mm、2.5 mm、1 mm。粗铣V形槽时，在一次粗铣后，应用游标卡尺测量槽的对称度，如图3-40(c)所示。

(5)预检:在第二次粗铣后，松夹取下工件，测量平板上预检槽的对称度，如图3-41所示。测量时应以工件的两个侧面为基准，在V形槽内放入标准圆棒，用百分表测出圆棒的最高点，然后将工件翻转180°，再用百分表测量圆棒最高点。若示值不一致，则按示值差的一半调整工作台横向进行试铣，直至符合对称度要求。

图3－41　用百分表和标准圆棒测量V形槽的对称度

(6)精铣:调整好对称度，按精铣余量上升工作台，精铣V形槽，此时，主轴转速可提高一个挡次，进给速度降低一个挡次，以提高表面质量。

3.质量检验分析——检验V形槽

(1)V形槽对称度的检验:方法与预检方法相同，与侧面的平行度也可采用类似方法，只是测量点在标准圆棒的两端最高点。窄槽宽度、深度、V形槽槽口宽度均用游标卡尺测量，表面粗糙度用目测比较检验。

(2)V形槽槽形角的测量:如图3-42(a)所示，可用游标万能角度尺测出半个槽形角为45°，然后用刀口形90°角度尺测量槽形角，如图3-42(b)所示，用这种方法能测得槽形角度的对称性。

图3－42　测量V形槽槽形角

(a)测量半个槽形角；(b)测量槽形角