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论外圆表面各种加工方法
绪论
机电专业在中职教育中占有举足轻重的地位，现在我国正处于经济高速发展的新时期，此期间我国制造业发展迅猛，急需大量的专业的机电类生产一线技术人才，而回转面加工——即外圆表面加工在机械制造业的所有零件中所占比重达到占30%~50%，因此在中职教育中如何让学生掌握外圆表面的多种加工方法并知道如何按需选择显得尤为重要。
关键词
车削、磨削、表面粗糙度、超精加工、滚压加工
正文
总的来说根据加工方法不同，外圆表面的加工可分为车削加工、磨削加工、滚压加工等；根据表面加工精度可分为粗加工、精加工、超精加工等，根据多年的教学经验我们发现在教学中采用类比讲述的方法效果最好，通过类比可以让学生深刻的掌握各种加工方法的特点与区别，加深学生的记忆，让学生更加明了各种加工方法的应用范围，做到心中有数、择优而取。
首先，我们从外圆的加工方法入手先来看一下外圆表面的车削加工
如图1，车削运动由机床主轴的主运动Vc与车刀的进给运动Vf共同形成，车削一般在车床上进行，它的应用范围很广，可以车削金属，橡胶，塑料，木料等多种材料，由于其生产效率高、适应范围广，因此在各行各业中都得到广泛应用。
车削一般将工件左端通过卡盘爪或其他方式装卡在车床卡盘上使之随车床主轴旋转，将工件右端用顶尖顶紧或用托辊等直接支撑，当工件较短时也可省略右端的固定。
根据毛坯的制造精度和工件最终加工要求，外圆车削一般可分为粗车、半精车、精车、精细车。
　　粗车的目的是切去毛坯硬皮和大部分余量。加工后工件尺寸精度IT11~IT13 ，表面粗糙度Ra50~12.5 μ m 。
半精车的尺寸精度可达 IT8~IT10 ，表面粗糙度 Ra6.3~3.2 μ m 。半精车可作为中等精度表面的终加工，也可作为磨削或精加工的预加工。
一般精车后的尺寸精度可达 IT7~IT8 ，表面粗糙度 Ra1.6~0.8 μ m 。
精细车后的尺寸精度可达 IT6~IT7 ，表面粗糙度 Ra0.4~0.025 μ m 。精细车尤其适合于有色金属加工，有色金属一般不宜采用磨削，所以常用精细车代替磨削。

图1
一般常以粗车、半精车做为精加工、超精加工的前道工序，所以在后面按外圆表面加工精度讲解过程中我们将不再重复粗加工。
　　接下来，我们看一下外圆表面的磨削加工
　　磨削是外圆表面精加工的主要方法之一。它既可加工淬硬后的表面，又可加工未经淬火的表面。
　　根据磨削时工件定位方式的不同，外圆磨削可分为：中心磨削和无心磨削两大类。
　　（一）中心磨削
　　中心磨削即普通的外圆磨削，被磨削的工件由中心孔定位，在外圆磨床或万能外圆磨床上加工。磨削后工件尺寸精度可达 IT6~IT8 ，表面粗糙度 Ra0.8~0.1 μ m 。按进给方式不同分为纵向进给磨削法和横向进给磨削法。
　　1 ．纵向进给磨削法（纵向磨法）
　　如图 2 所示，砂轮高速旋转，工件装在前后顶尖上，工件旋转并和工作台一起纵向往复运动。

图2
2 ．横向进给磨削法（切入磨法）
　　如图 3 所示，此种磨削法没有纵向进给运动。当工件旋转时，砂轮以慢速作连续的横向进给运动。其生产率高，适用于大批量生产，也能进行成形磨削。但横向磨削力较大，磨削温度高，要求机床、工件有足够的刚度，故适合磨削短而粗，刚性好的工件；加工精度低于纵向磨法。

图3
　　（二）无心磨削
　　无心磨削是一种高生产率的精加工方法，以被磨削的外圆本身作为定位基准。目前无心磨削的方式主要有：贯穿法和切入法。
　　如图 4 所示为外圆贯穿磨法的原理。
　　工件处于磨轮和导轮之间，下面用支承板支承。磨轮轴线水平放置，导轮轴线倾斜一个不大的 λ 角。这样导轮的圆周速度 υ 导 可以分解为带动工件旋转的 υ 工 和使工件轴向进给的分量 υ 纵 。

图4
　　如图 5 为切入磨削法磨削的原理。导轮 3 带动工件 2 旋转并压向磨轮 1 。加工时，工件和导轮及支承板一起向砂轮作横向进给。磨削结束后，导轮后退，取下工件。导轮的轴线与砂轮的轴线平行或相交成很小的角度（ 0.5~1 o ），此角度大小能使工件与挡铁 4 （限制工件轴向位置）很好地贴住即可。

图5
　　无心磨削时，必须满足下列条件：
　　1 ．由于导轮倾斜了一个 λ角度，为了保证切削平稳，导轮与工件必须保持线接触，为此导轮表面应修整成双曲线回转体形状。
　　2 ．导轮材料的摩擦系数应大于砂轮材料的磨擦系数；砂轮与导轮同向旋转，且砂轮的速度应大于导轮的速度；支承板的倾斜方向应有助于工件紧贴在导轮上。
　　3 ．为了保证工件的圆度要求，工件中心应高出砂轮和导轮中心连线。高出数值 H 与工件直径有关。当工件直径 d 工 =8 ～ 30mm 时， H ≈ d 工 /3 ；当 d 工 =30 ～ 70mm 时， H ≈ d 工 /4 。
　　4 、导轮倾斜一个 λ 角度。如图 5 ，当导轮以速度 v 导 旋转时，可分解为：
v 工 =v 导 · cos λ ; v 纵 =v 导 · sin λ
粗磨时， λ 取 3 ° ～ 6 ° ；精磨时， λ 取 1 ° ～ 3 ° 。
无心磨削时，工件尺寸精度可达 IT6-IT7 ，表面粗糙度 Ra0.8-0.2um.

其次，我们从外圆表面的加工精度入手来看一下外圆表面的超精加工
随着科学技术的发展，对工件和加工精度和表面质量要求也越来越高。因此在外圆表面精加工后，往往还要进行精密加工。外圆表面的精密加工方法常用的有高精度磨削、超精度加工、研磨和滚压加工等。
高精度磨削：
　　使轴的表面粗糙度值在 Ra0.16 μ m 以下的磨削工艺称为高精度磨削，它包括精度磨削（ Ra0.6-0.06 μ m ）、超精密磨削（ Ra0.04-0.02 μ m ）和镜面磨削（ Ra ﹤ 0.01 μ m）。
高精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了同时能参加磨削的许多微刃。如图 6 a,b，这些微刃等高程度好，参加磨削的切削刃数大大增加，能从工件上切下微细的切屑，形成粗糙度值较小的表面。随着磨削过程的继续，锐利的微刃逐渐钝化，如图 6 c。钝化的磨粒又可起抛光作用，使粗糙度进一步降低。

图6
　　（二）超精加工
　　用细粒度磨具的油石对工件施加很小的压力，油石作往复振动和慢速沿工件轴向运动，以实现微量磨削的一种光整加工方法。
　　如图 7 所示为其加工原理图。加工中有三种运动：工件低速回转运动 1 ；磨头轴向进给运动 2 ；磨头高速往复振动 3 。如果暂不考虑磨头轴向进给运动，磨粒在工件表面上走过的轨迹是正弦曲线，如图 7 b 所示。

图7
　　超精加工大致有四个阶段：
　　1 ．强烈切削阶段 开始时，由于工件表面粗糙，少数凸峰与油石接触，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，进入正常切削阶段。
　　3 ．微弱切削阶段 随着接触面积进一步增大，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，因而油石产生光滑表面，具有摩擦抛光作用。
　　4 ．自动停止切削阶段 工件磨平，单位面积上的压力很小，工件与油石之间形成液体摩擦油膜，不再接触，切削作用停止。
经超精加工后的工件表面粗糙度值 Ra0.08-0.01 μ m. 。然而由于加工余量较小（小于 0.01mm ），因而只能去除工件表面的凸峰，对加工精度的提高不显著。

　　（三）研磨
　　用研磨工具和研磨剂，从工件表面上研去一层极薄的表层的精密加工方法称为研磨。
　　研磨用的研具采用比工件材料软的材料（如铸铁、铜、巴氏合金及硬木等）制成。研磨时，部分磨粒悬浮在工件和研具之间，部分研粒嵌入研具表面，利用工件与研具的相对运动，磨粒应切掉一层很薄的金属，主要切除上工序留下来的粗糙度凸峰。一般研磨的余量为 0.01 -0.02mm 。研磨除可获得高的尺寸精度和小的表面粗糙度值外，也可提高工件表面形状精度，但不能改善相互位置精度。
　　当两个工件要求良好配合时，利用工件的相互研磨（对研）是一种有效的方法。如内燃机中的气阀与阀座，油泵油咀中的偶件等。
　　（四）滚压加工
　　滚压加工是用滚压工具对金属材质的工件施加压力，使其产生塑性变形，从而降低工件表面粗糙度，强化表面性能的加工方法。它是一种无切屑加工。
　　图 8 为滚压加工示意图。滚压加工有如下特点：
　　1 ．滚压前工件加工表面粗糙度值不大于 Ra5 μ m ，表面要求清洁，直径余量为 0.02 -0.03mm 。
　　2 ．滚压后的形状精度和位置精度主要取决于前道工序。
　　3 ．滚压的工件材料一般是塑性材料，并且材料组织要均匀。铸铁件一般不适合滚压加工。
　　4 ．滚压加工生产率高。

图8
　　最后我们来看一下外圆表面加工方案的选择
上面我们介绍了外圆表面常用的几种加工方法及其特点。但零件上一些精度要求较高的面，仅用一种加工方法往往是达不到其规定的技术要求的。这些表面必须顺序地进行粗加工、半精加工和精加工等加工方法以逐步提高其表面精度。不同加工方法有序的组合即为加工方案。表 1 即为外圆柱面的加工方案。表1通过总结各种加工方法综合应用的方案，使学生在更加深刻认识各种加工方法的不同特点的同时也知晓了各种加工方法的非独立性与配合使用性，将各种方法更加灵活的组合应用。
表1 外圆柱面加工方法
序号
加工方法
加工方法
经济精度
（公差等级表示）
经济粗糙度值
Ra ／ um
适用范围
1
粗车
IT18~13

12.5~50
适用于淬火钢以外的各种金属

2
粗车 - 半精车
IT11~10
3.2~6.3
3
粗车 - 半精车 - 精车
IT7~8
0.8~1.6

4
粗车 - 半精车 - 精车 -滚压（或抛光）
IT7~8
0.25~0.2
5
粗车 - 半精车 -磨削
IT7~8
0.4~0.8
主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢，但不宜加工有色金属
6
粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨
IT6~7
0.1~0.4
7
粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨 -超精加工（或轮式超精磨）
IT5
0.012~0.1
8
粗车 - 半精车 -精车 -精细车（金刚车
IT6~7
0.025~0.4
主要用于要求较高的有色金属加工
9
粗车 - 半精车 - 粗磨 -精磨 -超精磨（或镜面磨）
IT5 以上
0.006~0.025
极高精度的外圆加工
10
粗车 - 半精车 -粗磨 -精磨 -研磨
IT5 以上
0.006~0.1

　　确定某个表面的加工方案时，先由加工表面的技术要求（加工精度、表面粗糙度等）确定最终加工方法，然后根据此种加工方法的特点确定前道工序的加工方法，如此类推。但由于获得同一精度及表面粗糙度的加工方法可有若干种，实际选择时还应结合零件的结构、形状、尺寸大小及材料和热处理的要求全面考虑。
　　表 1 中序号 3 （粗车—半精车—精车）与序号 5 （粗车—半精车—磨）的两种加工方案能达到同样的精度等级。但当加工表面需淬硬时，最终加工方法只能采用磨削。如加工表面未经淬硬，则两种加工方案均可采用。若零件材料为有色金属，一般不宜采用磨削。
再如表 1 中序号 7 （粗车—半精车—粗磨—精磨—超精加工）与序号 10 （粗车—半精车—粗磨—精磨—研磨）两种加工方案也能达到同样的加工精度。当表面配合精度要求比较高时，终加工方法采用研磨较合适；当只需要求较小的表面粗糙度值，则采用超精加工较合适。但不管采用研磨还超精加工，其对加工表面的形状精度和位置精度改善均不显著，所以前道工序应采用精磨，使加工表面的位置精度和几何形状精度已达到技术要求。
结语：通过上述各类加工方法的类比，将在学生头脑当中形成一个系统而全面的表面加工方法体系，在教学当中老师扮演了知识的传播者与引路人，老师将各类加工方法的特点与适用范围结合课本与生产实践传授给学生，然后通过举例说明加工方案的选择，这样把自主权留给学生，发挥学生在教学当中的主题地位，启发发学生自行思考，将间接经验软化为学生自身经验，使其真正做到了掌握知识、运用知识，而不是以往的生搬硬套、容易混淆，使学生在将来的岗位当中更加富有创造性，这也正符合了我们中职教育要培育优秀的创新型技术人才的教学目的！