用普通车床车削精密、异形球形轴工件

方媛州

摘 要：在车床加工工作中，经常会遇到复杂形面工件的内外圆加工，加工时需四爪单动卡盘装夹。由于四爪单动卡盘装夹找正困难，对加工者有较高的要求，即要求操作者必须具备很强的工艺分析能力、扎实的基本功和较强的应变能力。因此，在普通车床上成功地车削出球形轴是难度较大的一门技术。

关键词：球形轴 工艺分析 工序设计 对称度

在异形球形轴加工前通过认真的工艺分析、设计切实可行的工艺路线和采用先进的加工方法，使该球形轴得以顺利完成，获得较好的加工质量。

球形轴的尺寸形状如图1所示，它是由中空不完整球体和左右两端相同的圆柱组成，其不论是球体还是两端圆柱以及中心的内螺纹，均具有较高的尺寸精度和形位精度要求，是较典型的高精度、复杂的异形工件。车削此工件不但要符合图样的尺寸精度要求，还要满足图样的圆跳动、平行度、对称度等形位公差的要求。特别是在技能考试和竞赛比武中，要求学生在规定时间内完成全部加工，整个过程难度较大。如果加工工艺不正确，则直接影响零件的尺寸和形位精度，甚至可能导致某一部位无法加工。如果工序设计不合理，很可能无法在规定时间内完成加工。因此，在进行此球形轴加工前，除了要充分考虑零件尺寸精度之外，还要兼顾形位公差符合图样技术要求。所以，除了进行周密的工艺分析外，还应充分考虑影响加工精度的各种因素，并采取相应措施，制定出最佳合理的加工工艺路线，才能按要求顺利完成加工。

技术要求

锐边去毛刺。

名称 球形轴

材料 45#

工时 4h

图1 球形轴

表1 球形轴评分表

姓名： 总分：

球形轴评分表

序号 考核项目 配分 评分标准 检测

结果 得分

1 外圆 φ18-0.018 2处 14 一处不合

格扣7分

2 Sφ42±0.05 10 超差无分

3 内孔 φ27+0.033 5

4 螺纹 M24×1.5 6

5 长度 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 圆跳动0.02 8 一处不合

格扣4分

11 平行度0.04 4 超差无分

12 对称度0.05 10

13 粗糙度 Ra1.6 10 一处不合

格扣2分

14 Ra3.2 7 一处不合格扣1分

15 倒角

倒钝 6

16 安全文明生产：凡有违章操作或出现事故者，酌情从总分中扣除1～10分，直至取消考试资格

一、主要技术要求与工艺分析

1.技术要求

此球形轴是以两端A3中心孔和左端端面为设计基准的。两端圆柱的轴线分别相对基准A和B的轴线径向圆跳动误差不大于0.02mm；互为基准的球体两端面的平行度误差不大于0.04mm；中空孔的止口台阶的轴线相对球体Sφ42±0.05mm轴线的对称度误差不大于0.05mm。尺寸公差共10处。球体Sφ42±0.05mm尺寸精度较高，加工难度较大。

2.工艺分析

（1）备料为φ45mm×100mm的45#钢圆棒料。零件全部形状在普通车床上采用常规方法车削完成。由于该零件有较高的尺寸精度和形位精度要求，不但要求操作者有较强的工艺分析能力，而且还必须具备较高的操作技术和扎实的基本功。

（2）为保证两端圆柱相对基准A、B径向圆跳动公差，车削时宜采用两顶尖装夹的方法，使定位基准重合于设计基准。

（3）保证球体两平面的平行度精度时，采用杠杆百分表校正、千分尺实测、纠正偏差的方法。

（4）车削球体的止口孔台阶时，孔的轴线相对球体轴线的对称度精度要求较高，较难控制。可采用四爪单动卡盘装夹，用杠杆百分表校正球体来保证。

（5）工件夹持刚性较差，车刀应采用较大的前角以及保持锐利等措施来降低切削抗力，防止工件在切削中位移，影响加工精度。粗车用90°偏刀及圆头刀。刀头材料选用YT5较好。

二、参考加工方法及工序的设计

如图1所示球形轴零件图。

对加工工序总的描述：

车削平面、钻中心孔、粗车外圆及台阶→车削另一端平面、定总长、钻中心孔→粗车台阶外圆→两顶尖支顶精车一端台阶外圆→精车另一端台阶外圆→粗、精车球面→粗、精车球面的一端平面→粗、精车球面的另一平面、钻孔、车台阶孔、车内螺纹→检验。

基本操作步骤：

第一步，车削平面、打A3中心孔、采用一夹一顶的装夹方式粗加工外圆及台阶。

第二步，调头，车削毛坯端面，定总长，打A3中心孔，采用三爪自定心卡盘的装夹方式进行粗加工台阶。

第三步，半精车一端台阶、切退刀槽，采用两端顶的装夹方法。一端外圆留0.5mm余量。

第四步，调头采用两端顶的装夹方法，半精车另一端台阶、切退刀槽，粗、精车圆球。车圆球体时，先用尖刀在球体的最高处（即从球体的一端面作为起点，摇动16mm到球体的中点）轻刻一条细线，然后车削和修饰球体时，以此中线为准，这样可使球体居于对称位置。各部分要求车至如图2所示。按照图样要求，控制好Sφ42±0.05mm圆球面的尺寸至最大极限，表面无明显刀痕。

图2 精车球面和一端外圆

下一步需要使用锉刀、砂布修饰，在使用锉刀、砂布修饰的过程中一定要遵守操作规程，注意安全。在球面修饰合格后再精车至尺寸。

在加工图2工序时，考虑到加工圆球时加工量较大，受切削热和切削抗力的影响，工件容易变形。为了保证以轴线为基准，的圆跳动不大于0.05mm的要求，在车圆球之前将其半精车成φ18.2 mm。这样还避免了车球面时铁屑刮伤已加工好的表面。

精车端面和外圆的硬质合金高速精车刀如图3所示，采用开45°斜卷屑槽的方式刃磨精车刀。其特点是切屑从45°方向流出，不会缠绕在工件上。刀片材料选择YT15硬质合金。精车时切削用量：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。此例使用设备为CA6140机床，其转速最高是1400r/min，υc取最高值只有80m/min。如果用转速更高的车床，其切削速度可选在110～120m/min之间。

图3 硬质合金平面、外圆精车刀

车球体时要注意以下几点。

一是双手配合移动大、中滑板或中、小滑板车削圆球是车工必修的基本功之一。在车削圆球时，可采用圆弧样板与千分尺配合的检测方法，用圆头刀车削圆球。一般球面精车完后直径取球体的最大极限尺寸。

二是用外径千分尺多方向测量球体直径，并结合圆弧样板将球面需要修整的部分用记号笔进行标示，再用粗、中、细和油光锉刀分别对圆球表面进行修锉。

三是用外径千分尺结合圆弧样板测量，分别用粗、中和细砂布进行抛光，使球体能达到和满足图样的要求。

第五步，调头，装夹方法不变。半精车、精车另一端外圆、切退刀槽，符合图样要求。

第六步，在球面上车一端平面。采用四爪单动卡盘垫紫铜片，按如图4所示方法装夹，转动四爪单动卡盘，用百分表校平两外圆母线。对工件的中心不需校正。车平面至尺寸，如图5所示。

图4 加工圆球平面的装夹校正方法 图5 车圆球平面一

一是校正时，工件只需粗略地对准主轴中心即可，如图4所示，通过校正外圆母线的方法，将工件的轴线与主轴轴线校垂直。

二是车平面时，先用小滑板对刀，从球面最高处开始，车去5 mm。为了达到车去的平面与球体对称，平面车去的深度（即弦高）的计算应将球体的实际尺寸带入，然后结合千分尺测量将其车至尺寸要求。

第七步：在球面上车另一平面，车内孔及内螺纹。采用四爪单动卡盘垫紫铜片按图4方法装夹，校正方法如图6所示。校正后车如图7所示平面、内孔及内螺纹。

校正时应注意：

一是校正时，为了保证零件的平行度、对称度，需用百分表和杠杆百分表结合使用。车第一平面时没有钻孔的主要目的，是为了留有一个较大的平面，更便于测量尺寸和作为车第二平面时的校正基准。用杠杆百分表校正图7左端已加工好的平面（因该平行度是互为基准，应采用其为校正基准），校正误差应小于0.02mm，可确保车出的平面与第一面的平行度要求。尽管如此，在快车削到尺寸时，还是应当用外径千分尺检查两平面的两组对角的平行度，必要时还可调整。

图6 车第二平面的装夹、校正方法 图7 车第二平面、内孔和螺纹

二是用杠杆百分表校正球面的圆周外表，如图6所示，旋转四爪单动卡盘，校正误差不超过0.025mm，可保证孔相对球体中心的对称度要求。

三是校平行度和对称度两种方法应反复进行多次，直至平行度和对称度校正为止。这样便可同时保证工件的平行度和对称度。

四是长度（30±0.05mm），用游标卡尺或外径千分尺测量，用移动小滑板进刀的方法控制。

三、主要部位的检验

1.平行度的检验

检验球体两侧的两平面平行度误差不大于0.04mm时，因该两平面是互为基准的，检验时可采用任意一平面为基准，将工件置于平板上，用百分表检测另一平面，其最大值与最小值之差即为平行度误差。还可用外径千分尺测量的两平面分布均匀的四个点上测量四点读数的值差，可得出两互为基准的平面的平行度误差。

2.对称度的检验

孔相对球体轴线基准C的对称度误差不大于0.05 mm。检验时用两端顶的方法，将工件装夹在车床上，如图8所示。用角尺将零件平面校正与车床轴线垂直，如图9 a）所示。将百分表固定在车床四方刀架上，移动车床大滑板，将百分表触头接触平面，压表深度（0.1～0.2mm），将百分表读数调零，如图9 b）所示。移动车床大滑板，百分表随之移开；在车床大滑板上安放一块平板，手动控制移动杠杆百分表至最低位置，如图9 c）所示，记住杠杆百分表读数。将工件掉头，用同样方法装夹，移动车床大滑板，将零件旋转至百分表读数为零时，移开车床大滑板，手动控制移动杠杆百分表至最低位置，比较两次测量值是否相等，其测量值差即为孔相对工件Y轴线基准的对称度误差。

图8 对称度检验的装夹

检验X轴线基准的对称度误差，同上法相同，只是用一套筒取代两顶尖装夹，如图9 d）所示。

a） b）

c） d）

图9 对称度误差检验的方法

a）用角尺校平面 b）用百分表定位 c）测量孔底读数 d）测量X轴对称度安装

此检验方法的主要依据是：车削球体是以两顶尖A、B为定位基准，而现在检测又是采用两顶尖装夹，使两顶尖A、B成为球体轴线与止口孔的共同基准，这是基准重合的又一体现，是可行的。

3.圆跳动误差的检验

外圆相对两顶尖A、B基准轴线的圆跳动误差不大于0.05 mm。检验时用两顶尖顶的方法将零件装夹在车床上，将百分表固定在车床中滑板上，移动中滑板，使百分表触头与工件接触，压表深度0.1～0.2mm，用手旋转工件一周后百分表的测量值差即为这一端外圆相对工件基准轴线的跳动误差。同法检验轴的另一端。

四、小结

球形轴的车削加工综前所述，因其形状特异，外表复杂，且精度要求较高，给车削带来较大难度，学生甚至认为高不可攀。但是我们经过周密、正确的工艺分析和合理的工序设计，采用了切合实际的加工方法，优选、更换了更适应的车刀，统一并选择了更合适、更先进的装夹、校正和检验方法，保证了各个加工环节顺利进行，使整个加工过程井然有序。能够在规定的时间内在保证零件的尺寸精度和形位公差的前提下，顺利地完成零件的加工。此例开拓了学生学习用普通车床车削精密、异形工件的思路和眼界，提高了学生学习的兴趣。

参考文献：

[1]晏丙午. 高级车工工艺与技能训练[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2006.

[2]袁桂萍.车工工艺与技能训练[M].北京：中国劳动社会保障出版社， 2010.

[3]劳动部教材办公室组织编写.车工工艺学[M].北京：中国劳动出版社，2002.

[4]翁承恕.车工生产实习[M].北京：中国劳动出版社，2002.

（作者单位：湖南省湘西民族职业技术学院）