主轴结构特点和技术要求 轴类零件是机械加工中经典零件之一。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，它关键表面是同轴线若干个外圆柱面、圆锥面、孔和螺纹等。 机床主轴是一个经典轴类零件，它是机床关键零件之一，它把回旋运动和转矩经过主轴端部家俱传输给工件或刀具。所以在工作中主轴要承受转矩和弯矩，而且还要求有很高回转精度。所以，主轴制造质量将直接影响到整台机床工作精度和使用寿命。 主轴零件图上要求了一系列技术要求，如尺寸精度、形状位置公差、表面粗糙、接触精度和热处理要求等。这些全部是为了确保主轴含有高回转精度和刚度、良好耐磨性和尺寸稳定性。现以CA6140型卧室机床主轴为例，说明其关键技术要求。 1. 图1为CA6140车床主轴零件简图。由零件简图可知，该主轴呈阶梯状，其上有安装支承轴承、传动件圆柱、圆锥面，安装滑动齿轮花键，安装卡盘及顶尖内外圆锥面，联接紧固螺母螺旋面，经过棒料深孔等。下面分别介绍主轴各关键部分作用及技术要求： ⑴ 支承轴颈? 主轴二个支承轴颈A、B圆度公差为0.005mm，径向跳动公差为0.005mm；而支承轴颈1∶12锥面接触率≥70%；表面粗糙度Ra为0.4mm；支承轴颈尺寸精度为IT5。因为主轴支承轴颈是用来安装支承轴承，是主轴部件装配基准面，所以它制造精度直接影响到主轴部件回转精度。 ⑵ 主轴工作表面精度 主轴工作表面是指装夹道具或家俱定心表面，如莫氏锥孔、轴端外锥或法兰外圆等。对那她们要求有：内外锥面尺寸精度、几何形状精度和接触精度，定心表面对支承轴颈同轴度，定位端面对颈轴线垂直度等。它们对机床工作精度影响会造成家俱或工件装夹误差。在主轴技术要求中还亏定了近主轴端部径向园跳动和离端面部300mm处径向圆跳动。另外为了确保锥孔玉顶尖火道具锥柄接触配合良好，要求须用标准锥度塞规以涂色法检验接触面积，具体要求如表11-12所表示。 表11-2 主轴莫氏锥孔精度要求 机床类别 莫氏锥孔对主轴颈径向圆跳动/mm 莫氏锥孔接触面积/% 近主轴端 距轴端300mm 一般机床 0.005~0.001 0.01~0.03 65~80 精密机床 0.002~0.005 0.005~0.01 ＞85 （3）主轴次要轴颈和其它表面精度 主轴次要轴颈是指装配齿轮、轴套等零件表面。它们尺寸公差等级要求通常为IT7级，圆度公差为0.01mm。主轴上螺纹通常是用来固定零件或调整轴承间隙。当调整螺母有端面跳动时，会造成被压紧轴承环倾斜，从而使主轴径向圆跳动增大。这不仅会影响工件加工精度，而且也会降低轴承寿命。所以主轴螺纹公差等级通常为6g级，相对主轴颈同轴度公差不超出0.025~0.05mm,相正确螺母支承端面跳动在500mm半径上小于0.025mm。 （4）主轴各表面粗糙度 不一样精度机床主轴各表面表面粗糙度要求如表11-3所表示。 主轴表面类别 一般机床 精密机床 主轴颈 滑动轴承 0.1~0.2 0,025~0,05 滚动轴承 0.4 0.2 工作表面 0.4~0.8 0.1~0.2 其它配合表面 0.8~1.6 0.2~0.4 通常表面 3.2~6.3 0.8~3.2 (5)主轴各表面硬度 主轴各轴颈表面、工作表面和其它滑动表面全部会受到不一样程度摩擦作用。在滑动轴承配合中，轴颈和轴瓦发生摩擦，要求轴颈表面耐磨性要高，其硬度则可视轴瓦材料而异。如巴氏合金轴锡青铜，则轴颈表面硬度应大于60HRC；采取钢套轴承时，轴颈表面硬度应更高，如镗床主轴采取表面渗氮处理后，其硬度大于900HV。在滚动轴承配合中，摩擦是由轴承套圈和滚动体承受，所以轴颈能够不要求很高耐磨性，但仍要求合适提升其硬度，以改善它装配工艺性和装配精度。轴颈表面硬度通常为40~50HRC。 对于定心表面，因相配件顶尖和卡盘常常拆卸，易碰伤拉毛而影响接触精度，故必需有一定耐磨性。为了改善表面拉毛现象，延长机床精度保持期限，定心表面硬度通常要求在45HRC以上。 主轴材料通常选择45她、65Mn、40Cr等牌号钢材。其中65Mn、40Cr淬透性很好，经调质和表面高频淬火后可取得较高综协力学性能和耐磨性。当要求主轴在高精度、高转速和重载荷下工作时，可选择18CrMNTi、20Cr、20Mn2B等牌号低碳合金钢。这些材料经渗碳淬火后，淬火表面层含有压应力，可使其抗弯疲惫强度提升，但热处理工艺性较差，变形较大。精度主轴可选择38CrMoALA渗氮钢，它表面硬度和疲惫强度更高，而且，渗氮层还含有抗腐蚀、热处理变形小优点。 主轴毛胚多采取锻件。生产批量较小时常采取自由锻，其所需设备简单，但毛坯精度较差，余量达10mm以上；采取模锻能够铸造形状较复杂毛坯，加工余量也较少，有利于降低机械加工劳动量，故在成批生产中广泛应用。精密模锻是铸造生产一项优异工艺，它能铸造出形状复杂、精度较高毛坯。另外，也有采取由无缝钢管局部镦粗多轴自动车床主轴毛坯。 主轴加工工艺过程 序号 工序名称 定位基准 加工设备 1 备料 2 铸造 立式精锻机 3 热处理 4 锯头 专用机床 5 铣端面钻中心孔 外圆柱面 中心孔机床 6 粗车外圆 中心孔及外圆 卧式车床C620B 7 热处理 8 车大端各部 顶尖孔 卧式车床 9 仿形车小端各部 中心孔、短锥外圆 仿形车床 10 钻?48深孔 夹小端、架大端 专用深孔钻床 11 车小端内锥孔 夹小端、架大端 卧式车床C620B 12 车大端锥孔 夹小端、架大端 卧式车床C620B 13 钻大端端面各孔 大端锥孔 钻床Z55 14 热处理 15 精车各外圆并切槽 中心孔 数控车床CSK6163 16 粗磨外圆 堵头中心孔 万能外圆磨床M1432A 17 粗磨莫氏6号内锥孔 外圆柱面 内圆磨床M2120 18 粗铣和精铣花键 堵头和中心孔 花键铣床YB6016 19 铣键槽 外圆柱面 铣床X25 20 车大端内侧面、车三处螺纹 堵头和中心孔 卧式车床CA6140 21 精磨各外圆及端面 堵头和中心孔 万能外圆磨床M1432A 22 粗磨2处1:12外锥面 堵头中心孔 专用组合磨床 23 精磨2处1:12外锥面 堵头中心孔 专用组合磨床 24 粗磨莫氏6号內锥孔 外圆柱面 主轴锥孔磨床 25 钳工 26 检验 制订主轴工艺过程要求以下： 加工阶段划分 主轴加工通常划分为三个阶段，即粗加工、半精加工和精加工。各阶段划分大致以热处理为界。划分阶段和合理安排工序是为了确保加工质量，达成较高生产效率和花费最少生产成本。 通常精度主轴，精磨可作为最终工序。对于精密机床主轴，还应有光整加工阶段，以取得较小表面粗糙度值，有时也是为了达成更高尺寸精度和配合要求。 定位肌醇选择 轴类零件通常能以本身中心孔作为统一基准，但带中心通孔主轴则不能做到这一点，所以必需交替使用中心孔和外圆表面作为定位基准。比如外圆粗加工时能够中心孔为定位基准，但中心孔伴随深孔加工而消失，所以必需重新建立外圆加工基面。通常有以下三种方法： 当中心通孔直径较小时，可直接在孔口倒出宽度小于2mm60度锥面来替换中心孔。若中心通孔直径较大，则可视具体情况采取其它方法。C6140型机床主轴属于通常要求主轴，为了简化工艺装备，半精加工外圆和车螺纹工序就可采取小端孔口锥面和大端外圆作为定位基准，同事采取一定工序方法来确保定位精度。比如热处理后工序8半精车小端面、内孔及倒角，就是为了纠正主轴调质后发生变形，使工序9小端孔口锥面和尾座顶尖接触良好。又如热处理后工序14精车小端莫氏锥孔、端面及倒角，是为了确保工序18车螺纹时定位精度。同时，工艺上还要求工件装夹后应找正100mm\、80mm外圆径向圆跳动小于0.03mm，假如超差，则需重新修整小端孔口锥面。 采取锥形堵塞或锥套心轴。是一个锥堵形式，其锥度和工件端部定位孔锥度相：同。当工件孔为圆柱通孔时，锥堵锥度为1：500。当工件孔锥度较大时，可采取锥套心轴。 使用锥堵火锥套心轴时，在加工中途通常不能更换或拆卸，要到精磨完各档外圆，不需使用中心孔时才能拆卸，不然，会造成工件各加工表面对锥堵中心孔同轴度误差而影响各工序已加工表面相互位置精度。采取锥堵或锥套心轴可使主轴各外圆和轴肩加工含有统一基准，降低了定位误差。但它缺点是要配置很多锥堵或锥套心轴，而且会引发主轴变形。 精加工主轴外圆时也可用外圆本身来定位，即装夹工件时以支承轴颈表面本身找正。此时可采取可拆卸式锥套心轴，心轴和工件锥孔间有很小间隙，用螺母和垫圈将心轴压紧在主轴两端面上以后，将心轴连同主轴一起装夹到机床前后顶尖上，然后找正工件支承轴颈以实现外圆本身定位。此时只需备几套心轴，从而简化了工艺装备及其管理工作。 主轴大端锥孔精磨时也能够主轴颈外圆为定位基准。主轴颈是主轴装配基准，也是测量基准，这么，三种基准重和，就不会产生基准不符误差，从而可靠地确保了大端锥孔相对主轴颈同轴度要求。 热处理工序安排 热处理工序是主轴加工关键工序，它包含： （！）毛坯热处理 主轴铸造后要进行正火或退火处理，以消除铸造内应力，改善金相组织、细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性。 （2）预备热处理 通常采取调质火正火处理，安排在粗加工以后进行，以得到均匀细密回火索氏体组织，使主轴既取得一定硬度和强度，又有良好冲击韧性，同时也能够消除粗加工应力。精密主轴经调质处理后，需要切割式样作金相组织检验。 （3）最终热处理 通常安排在粗磨前进行，目标是提升主轴表面硬度，并在保持心部韧性同时，使主轴颈或工作 表面取得高耐磨性和抗疲惫性，以确保主轴工作精度和使用寿命。最终热处理方法有局部加热淬火后回火、渗碳渗火和渗氮等，具体应视主轴材料而定。渗碳淬火后还需要进行低温回火处理，对不需要渗碳不玩能够镀铜保护或预放加工余量后再去碳层。 （4）定性处理 对于精度要求很高主轴，在淬火、回火后或粗磨工序后，还需要定性处理。定性处理方法有低温人工时效和冰凉处理等，目标是消除淬火应力或加工应力，促进参与奥氏体转变为马氏体，稳定金相组织，从而提升主轴尺寸稳定性，使之长久保持精度。一般精度CA6140不需要进行定性处理。 4加工次序安排 安排加工次序应能使各工序和整个工艺过程最经济合理。根据粗精分开、先粗后精标准，各表面加工应按由粗到精次序按加工阶段进行安排，逐步提升各表面精度和减小其表面粗糙度值。同时还应考虑以下各点： 主轴深孔加工应安排在外圆粗车以后。这么能够有一个较正确外圆来定位加工深孔，有利于确保深孔加工壁厚均匀；而外圆粗加工时又能以深孔钻出前中心孔为统一基准。 各次要表面如螺纹、键槽及螺孔加工应安排在热处理后、粗磨前或粗磨后。这么能够很好地确保其相互位置精度，又不致碰伤关键精加工表面。 外圆精磨加工应安排在内锥孔精磨之前。这是因为以外圆定位来精磨内锥孔更轻易确保它们之间相互位置精度。 各工序定位基准面加工应安排在该工序之前。这么能够确保各工序定位精度，使各工序加工达成要求技术要求。 对于精密主轴更要严格根据粗精分开、先粗后精标准，而且，各阶段工序还要细分。 三、主轴加工关键工序分析 1.中心孔修研 作为主轴加工定位基准中心孔质量对主轴加工精度有直接影响。这是因为中心孔形状误差会复映到加工表面上去，中心孔和顶尖接触不良也会影响工艺系统刚度，造成加工误差。所以，在制订工艺过程时必需十分注意中心孔加工和修研。 在主轴加工过程中，中心孔要承受工件重量和切削力，会产生磨损、拉毛和变形。经过热处理后，中心孔会产生表面氧化层和变形。所以，在热处理以后，各加工阶段之初，必需对中心孔进行修研，甚至重钻。 对于精密主轴，中心孔精度更是确保主轴质量一个关键。所以，在粗磨、半精磨和精磨工序钱必需安排中心孔修研工序。 中心孔和顶尖接触面积要求为：精磨时，75%，光整加工时，80%以上。修研中心孔方法有： （！）采取铸铁或环氧树脂顶尖为研具，加适量研磨剂，在车床上进行研磨。这种方法精度高，但效率低。 采取油石或橡胶砂轮，加少许柴油或轻机油，在车床上进行研磨。这种方法效率比以前者高。 采取硬质合金顶尖刮削中心孔。常见有六棱硬质合金顶尖，它刃带有微量切削作用和挤光作用，能纠正中新空几何形状误差，效率高，使用寿命长，表面粗糙度可达Ra0.8μm。 采取专用中心孔磨床修磨中心孔。这种方法精度高，生产效率也高，表面粗糙度可达Ra0.2μm，适宜于成批生产。 外圆车削 通常划分为粗车、半精车和精车三个工序。粗车是为切除大部分余量；半精车是为修整预备热处理后变性；精车则是为深入使各表面在磨削前含有一定精度和余量。所以，车削加工关键问题是提升生产率，在不一样生产类型时采取设备是： 单间削皮生产 卧式车床 成批生产 卧式车床附加液压仿形刀架或液压仿形车床。 大批大量生产 广泛采取液压仿形车床，也可采取多刀半自动车床。 因为液压仿形车床实现了车削加工半自动化，更换靠模、调整刀具较简单，减轻了劳动强度，提升了生产率，所以在主轴成批生产中是经济。采取液压仿形刀架可使卧式车床充足发挥效能，装卸操作方便，生产成本较低，不过加工精度不够稳定，不宜强力切削，需要深入提升精度和刚性。用工件本身作为靠模时，液压仿形刀架也可用于小批生产。使用多刀半自动车床能够大大缩短切削行程和机动时间，提升生产率，但刀具调整费时，故关键应用于大量生产。 深孔加工 主轴深孔加工比通常孔加工要复杂和困难得多，这是因为深孔加工刀杆细长，刚性较差，轻易引偏；而且深孔排泄困难，轻易堵塞，无法连续加工；同时切削液不易进入切削区，散热较困难，轻易使钻头丧失切削能力。所以，应把深孔加工安排在外圆粗车以后，使其有一个较正确外圆作为定位基准。另外，深孔加工还必需采取特殊钻头、设备和加工方法，以处理好刀具引导、排屑顺利和冷却润滑充足三个加工关键问题。为此可采取下列工艺方法： （1）采取工件旋转、刀具进给加工方法，使钻头有自定中心能力，避免钻孔时偏斜。 （2）采取特殊结构刀具——深孔钻，以增加导向稳定性和断屑性能，来适应深孔加工条件。 （3）在工件上预先加工出一段较正确导向孔，使钻头在切削开始时不造成引偏。 （4）采取压力输送足够切削液进入切削区，对钻头其冷却润滑作用，并带着切屑排出。 单件小批生产中，常在卧式车床上用接长麻花钻进行加工，在加工过程中需数次退出钻头，以排除切屑和冷却钻头。故产生效率低，劳动强度高。成批生产中，普遍在深孔钻床上用内排屑深孔钻头加工，在加工过程中可连续进给，钻出孔对外圆轴线mm，表面粗糙度Ra为3.2~12.5μm。它生产效率比前者高一倍以上，并可降低劳动强度。 钻出深孔应经过精加工才能达成要求。深孔精加工方法有镗孔和铰孔，因为刀具细长，除了采取通常进给方法外，也可采取拉镗和拉铰方法在深孔钻床上加工。拉镗和拉铰方法是使刀杆受拉，故可预防压弯。 轴颈光整加工 外圆磨削能经济地达成公差等级IT7和表面粗糙度Ra为0.2~0.8μm。如采取高精度磨床，操作精细，则可达成公差等级IT6,故能满足一般机床主轴要求。对于精密机床主轴则还需要进行光整加工，以取得IT6以上公差等级和很小表面粗糙度值。外圆表面光整加工方法有研磨、双轮衍磨和镜面磨削。光整加工特点是； 采取很低切削用量和单位切削压力，所以，加工过程中切削力和切削热很小，从而能取得很小表面粗糙度值。 对上道工序表面粗糙度要求严格，通常全部应达成Ra0.2μm，表面不得有较深加工痕迹。 加工余量全部很小，通常不超出0.2mm，余量过大就会使加工时间过长，产生切削热，降低生产效率，甚至破坏上一道工序已达成精度。 除镜面磨削外，其它光整加工方法全部是“浮动”，即是依靠被加工表面本身自定中心。所以，只有镜面磨削能够部分地纠正工件形状误差和位置，而研磨只能够部分地纠正形状误差。 因为镜面磨削生产效率较高，而且适应性强，所以现在已广泛地应用于机床主轴光整加工中。 锥孔磨削 锥孔磨削是主轴加工最终一道关键工序，现已普遍采取专用锥孔磨床和专用磨夹具，故能稳定地达成精度主轴质量要求。如前所述，锥孔磨削定位基准应选择两个主轴颈。锥孔加工关键技术问题是： 工件支承装夹方法 采取磨床通用夹具——中心架（图11-18a），工件轴颈支承在两个中心架上或支承子在一个中心架和头架卡盘上。中心架通用性好，但支承销接触面较小，轻易磨损，需常常调整工件和砂轮中心等高，而且整个夹具刚性和支承方法刚性全部较差，故只适于单间小批生产和加工通常精度主轴。 图11-18a 工作传动方法 为了尽可能降低磨床头架主轴轴向窜动和径向圆跳动对工件影响，头架主轴必需经过饶性联接来传动工件。在精密主轴锥孔磨削中，还可采取线绳、尼龙绳或橡皮筋以一定方法缠绕在主轴拨销和工件卡箍智者见，实现饶性传动，使工件平稳。 磨削操作调整方法 精磨主轴锥孔时轻易出现“喇叭口”、锥孔素线不直等形状误差，从而影响锥孔接触精度。“喇叭口”出现是因为砂轮轴刚性差或砂轮相对锥孔两端伸出量调整不妥造成。这么，当砂轮磨削锥孔两端孔口时，因为径向减小，砂轮轴弹性变形也随之减小，使两端孔口多磨去部分，从而造成“喇叭口”。依据上述分析，对于操作调整来说，关键应考虑调整好砂轮相对锥孔两端伸出量，以改善“喇叭口”现象。锥孔素线不直出现是因为工件和砂轮旋转轴线不等高所致。在磨削锥孔时，砂轮轴线应保持和工件轴线等高，使砂轮运动轨迹和锥孔素线重合，这么加工出来锥孔素线为直线；当砂轮轴线和工件轴线不等高，砂轮玉锥面接触处位置会发生改变，这么加工出来锥孔将成为旋转双曲线。所以操作时应调整夹具，使工件和砂轮轴等高，其偏差控制在0.005~0.001mm。 四主轴检验 主轴是机床关键零件，各项技术要求很高，所以，除了工序间检验外，在主轴加工全部工序完成后，应对主轴尺寸、几何形状、相互位置精度和表面粗糙度、硬度等进行全方面检验。 检验工作应按一定次序进行，通常先检验各外圆尺寸精度、锥度、圆度等形状精度，表面粗糙度和外观，然后再在专用检验夹具上检验相互位置偏差。大批生产时，若工艺过程稳定，机床精度较高，有些项目能够抽验。 主轴以两个主轴颈支承在V形架上，小端内装入一个锥堵，大端插入一个保准验心棒，轻轻移动主轴，各千分表能够分别读出各项误差值，包含主轴锥孔及各外圆对主轴颈径向圆跳动和端面圆跳动量。 为了消除检验心棒本身同轴度误差影响，在检验轴端和300mm处跳动时，应将检验心棒转过180度后再检验一次，将两次读数平均值，可使检验心棒误差相互抵消。 上述检验方法定位方法符合基准重合标准、不存在基准不符误差。

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