主軸的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求

1、一.主軸的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求軸類零件是機械加工中的典型零件之一。軸類零件是旋轉(zhuǎn)體零件，其長度大于直徑，它的主要表面是同軸線的若干個外圓柱面、圓錐面、孔和螺紋等。機床主軸是一種典型的軸類零件，它是機床的關(guān)鍵零件之一，它把回旋運動和轉(zhuǎn)矩通過主軸端部的家具傳遞給工件或刀具。因此在工作中主軸要承受轉(zhuǎn)矩和彎矩，而且還要求有很高的回轉(zhuǎn)精度。因此，主軸的制造質(zhì)量將直接影響到整臺機床的工作精度和使用壽命。主軸零件圖上規(guī)定了一系列技術(shù)要求，如尺寸精度、形狀位置公差、表面粗糙、接觸精度和熱處理要求等。這些都是為了保證主軸具有高的回轉(zhuǎn)精度和剛度、良好的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性?，F(xiàn)以CA6140型臥室機床主軸為例，說明其主

2、要技術(shù)要求。圖1為CA6140車床主軸零件簡圖。由零件簡圖可知，該主軸呈階梯狀，其上有安裝支承軸承、傳動件的圓柱、圓錐面，安裝滑動齒輪的花鍵，安裝卡盤及頂尖的內(nèi)外圓錐面，聯(lián)接緊固螺母的螺旋面，通過棒料的深孔等。下面分別介紹主軸各主要部分的作用及技術(shù)要求：支承軸頸主軸二個支承軸頸A、B圓度公差為0.005mm，徑向跳動公差為0.005mm；而支承軸頸1：12錐面的接觸率70%表面粗糙度Ra為0.4mm;支承軸頸尺寸精度為IT5。因為主軸支承軸頸是用來安裝支承軸承，是主軸部件的裝配基準面，所以它的制造精度直接影響至ij主軸部件的回轉(zhuǎn)精度。主軸工作表面的精度主軸的工作表面是指裝夾道具或家具的定心表面

3、，如莫氏錐孔、軸端外錐或法蘭外圓等。對那他們要求有：內(nèi)外錐面的尺寸精度、幾何形狀精度和接觸精度，定心表面對支承軸頸的同軸度，定位端面對頸軸線的垂直度等。它們對機床工作精度的影響會造成家具或工件的裝夾誤差。在主軸技術(shù)要求中還虧定了近主軸端部的徑向園跳動和離端面部300mm處的徑向圓跳動。另外為了保證錐孔玉頂尖火道具錐柄接觸配合良好，規(guī)定須用標準錐度塞規(guī)以涂色法檢驗接觸面積，具體要求如表11-12所示。表11-2主軸莫氏錐孔的精度要求機床類別莫氏錐孔對主軸頸的徑向圓跳動/mm莫氏錐孔接觸面積/%近主軸端距軸端300mm普通機床0.0050.0010.010.036580精密機床0.0020.005

4、0.0050.01>85主軸次要軸頸和其它表面的精度主軸次要軸頸是指裝配齒輪、軸套等零件的表面。它們的尺寸公差等級要求一般為IT7級，圓度公差為0.01mm。主軸上的螺紋一般是用來固定零件或者調(diào)整軸承間隙的。當調(diào)整螺母有端面跳動時，會導(dǎo)致被壓緊的軸承環(huán)傾斜，從而使主軸徑向圓跳動增大。這不但會影響工件的加工精度，而且也會降低軸承壽命。因此主軸螺紋的公差等級一般為6g級，相對主軸頸的同軸度公差不超過0.0250.05mm，相對的螺母支承端面的跳動在500mm半徑上小于0.025mm。(4)主軸各表面粗糙度不同精度機床的主軸各表面的表面粗糙度要求如表11-3所小。主軸表回類別普通機床精密機床主

5、軸頸滑動軸承0.10.20,0250,05滾動軸承0.40.2工作表面0.40.80.10.2其他配合表面0.81.60.20.4一般表面3.26.30.83.2(5)主軸各表面的硬度主軸的各軸頸表面、工作表面和其它滑動表面都會受到不同程度的摩擦作用。在滑動軸承配合中，軸頸與軸瓦發(fā)生摩擦，要求軸頸表面耐磨性要高，其硬度則可視軸瓦材料而異。如巴氏合金軸的錫青銅，則軸頸表面硬度應(yīng)大于60HRC;采用鋼套軸承時，軸頸表面硬度應(yīng)更高，如像床主軸采用表面滲氮處理后，其硬度大于900HVo在滾動軸承配合中，摩擦是由軸承套圈和滾動體承受的，因此軸頸可以不要求很高的耐磨性，但仍要求適當提高其硬度，以改善它的裝

6、配工藝性和裝配精度。軸頸表面硬度一般為4050HRC。對于定心表面，因相配件頂尖和卡盤經(jīng)常拆卸，易碰傷拉毛而影響接觸精度，故必須有一定的耐磨性。為了改善表面拉毛現(xiàn)象，延長機床精度的保持期限，定心表面的硬度一般要求在45HRC以上。主軸材料通常選用45他、65Mn、40Cr等牌號的鋼材。其中65Mn、40Cr的淬透性較好，經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面高頻淬火后可獲得較高的綜合力學(xué)性能和耐磨性。當要求主軸在高精度、高轉(zhuǎn)速和重載荷下工作時，可選用18CrMNTi、20Cr、20Mn2B等牌號的低碳合金鋼。這些材料經(jīng)滲碳淬火后，淬火表面層具有壓應(yīng)力，可使其抗彎疲勞強度提高，但熱處理工藝性較差，變形較大。精度主軸可選用

7、38CrMoALA滲氮鋼，它的表面硬度和疲勞強度更高，而且，滲氮層還具有抗腐蝕、熱處理變形小的優(yōu)點。主軸的毛胚多采用鍛件。生產(chǎn)批量較小時常采用自由鍛，其所需的設(shè)備簡單，但毛坯精度較差，余量達10mm以上；采用模鍛可以鍛造形狀較復(fù)雜的毛坯，加工余量也較少，有利于減少機械加工勞動量，故在成批生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。精密模鍛是鍛造生產(chǎn)的一項先進工藝，它能鍛造出形狀復(fù)雜、精度較高的毛坯。此外，也有采用由無縫鋼管局部敏粗的多軸自動車床主軸毛坯。主軸加工工藝過程序號工序名稱定位基準加工設(shè)備11備料2鍛造立式精鍛機3熱處理41鋸頭專用機床5鐵端面鉆中心孔外圓柱面中心孔機床6粗車外圓中心孔及外圓臥式車床C620B71

8、熱處理8車大端各部頂尖孔臥式車床9仿形車小端各部中心孔、短錐外圓仿形車床10I鉆?48深孔夾小端、架大端專用深孔鉆床11車小端內(nèi)錐孔夾小端、架大端臥式車床C620B12車大端錐孔夾小端、架大端臥式車床C620B13I鉆大端端面各孔大端錐孔鉆床Z5514熱處理15精車各外圓并切槽中心孔數(shù)控車床CSK616316粗磨外圓堵頭中心孔萬能外圓磨床M1432A17粗磨莫氏6號內(nèi)錐孔外圓柱面內(nèi)圓磨床M212018粗鐵和精銳花鍵堵頭和中心孔花鍵鐵床YB601619鐵鍵槽外圓柱面銖床X2520I車大端內(nèi)側(cè)面、車三處螺紋堵頭和中心孔臥式車床CA614021精磨各外圓及端面堵頭和中心孔萬能外圓磨床M1432A22

9、I粗磨2處1:12外錐面堵頭中心孔專用組合磨床23精磨2處1:12外錐面堵頭中心孔專用組合磨床24粗磨莫氏6號內(nèi)錐孔外圓柱面主軸錐孔磨床25鉗工26檢查制定主軸工藝過程的要求如下：1. 加工階段的劃分主軸加工通常劃分為三個階段，即粗加工、半精加工和精加工。各階段的劃分大致以熱處理為界。劃分階段和合理安排工序是為了保證加工質(zhì)量，達到較高的生產(chǎn)效率和花費最少的生產(chǎn)成本。一般精度的主軸，精磨可作為最終工序。對于精密機床的主軸，還應(yīng)有光整加工階段，以獲得較小的表面粗糙度值，有時也是為了達到更高的尺寸精度和配合要求。2. 定位肌醇的選擇軸類零件一般能以本身中心孔作為統(tǒng)一基準，但帶中心通孔的主軸則不能做到

10、這一點，因而必須交替使用中心孔和外圓表面作為定位基準。例如外圓粗加工時可以中心孔為定位基準，但中心孔隨著深孔加工而消失，因此必須重新建立外圓加工的基面。一般有以下三種方法：當中心通孔直徑較小時，可直接在孔口倒出寬度不大于2mm的60度錐面來代替中心孔。若中心通孔直徑較大，則可視具體情況采用其他方法。C6140型機床主軸屬于一般要求的主軸，為了簡化工藝裝備，半精加工外圓和車螺紋工序就可采用小端孔口錐面和大端外圓作為定位基準，同事采取一定的工序措施來保證定位精度。例如熱處理后的工序8半精車小端面、內(nèi)孔及倒角，就是為了糾正主軸調(diào)質(zhì)后發(fā)生的變形，使工序9的小端孔口錐面與尾座頂尖接觸良好。又如熱處理后的

11、工序14精車小端莫氏錐孔、端面及倒角，是為了保證工序18車螺紋時的定位精度。同時，工藝上還規(guī)定工件裝夾后應(yīng)找正、80mm外圓的徑向圓跳動小于0.03mm,如果超差，則需重新修整小端孔口錐面。(1) 采用錐形堵塞或錐套心軸。是一種錐堵的形式，其錐度與工件端部定位孔的錐度相：同。當工件孔為圓柱通孔時，錐堵錐度為1:500。當工件孔的錐度較大時，可采用錐套心軸。使用錐堵火錐套心軸時，在加工中途一般不能更換或拆卸，要到精磨完各檔外圓，不需使用中心孔時才能拆卸，否則，會造成工件各加工表面對錐堵中心孔的同軸度誤差而影響各工序已加工表面的相互位置精度。采用錐堵或錐套心軸可使主軸各外圓和軸肩的加工具有統(tǒng)一基準

12、，減少了定位誤差。但它的缺點是要配備許多錐堵或錐套心軸，而且會引起主軸變形。(2) 精加工主軸外圓時也可用外圓本身來定位，即裝夾工件時以支承軸頸表面本身找正。此時可采用可拆卸式錐套心軸，心軸與工件錐孔間有很小的間隙，用螺母和墊圈將心軸壓緊在主軸兩端面上以后，將心軸連同主軸一起裝夾到機床前后頂尖上，然后找正工件支承軸頸以實現(xiàn)外圓本身定位。此時只需備幾套心軸，從而簡化了工藝裝備及其管理工作。主軸大端錐孔精磨時也可以主軸頸外圓為定位基準。主軸頸是主軸的裝配基準，也是測量基準，這樣，三種基準重和，就不會產(chǎn)生基準不符誤差，從而可靠地保證了大端錐孔相對主軸頸的同軸度要求。3熱處理工序的安排熱處理工序是主軸

13、加工的重要工序，它包括：(!)毛坯熱處理主軸鍛造后要進行正火或退火處理，以消除鍛造內(nèi)應(yīng)力，改善金相組織、細化晶粒、降低硬度、改善切削加工性。(2) 預(yù)備熱處理通常采用調(diào)質(zhì)火正火處理，安排在粗加工之后進行，以得到均勻細密的回火索氏體組織，使主軸既獲得一定的硬度和強度，又有良好的沖擊韌性，同時也可以消除粗加工應(yīng)力。精密主軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，需要切割式樣作金相組織檢查。最終熱處理一般安排在粗磨前進行，目的是提高主軸表面硬度，并在保持心部韌性的同時，使主軸頸或工作表面獲得高的耐磨性和抗疲勞性，以保證主軸的工作精度和使用壽命。最終熱處理的方法有局部加熱淬火后回火、滲碳滲火和滲氮等，具體應(yīng)視主軸材料而定。滲碳

14、淬火后還需要進行低溫回火處理，對不需要滲碳的不玩可以鍍銅保護或預(yù)放加工余量后再去碳層。定性處理對于精度要求很高的主軸，在淬火、回火后或粗磨工序后，還需要定性處理。定性處理的方法有低溫人工時效和冰冷處理等，目的是消除淬火應(yīng)力或加工應(yīng)力，促使參與奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，穩(wěn)定金相組織，從而提高主軸的尺寸穩(wěn)定性，使之長期保持精度。普通精度的CA6140不需要進行定性處理。4加工順序的安排安排的加工順序應(yīng)能使各工序和整個工藝過程最經(jīng)濟合理。按照粗精分開、先粗后精的原則，各表面的加工應(yīng)按由粗到精的順序按加工階段進行安排，逐步提高各表面的精度和減小其表面粗糙度值。同時還應(yīng)考慮以下各點：主軸深孔加工應(yīng)安排在外圓粗

15、車之后。這樣可以有一個較精確的外圓來定位加工深孔，有利于保證深孔加工的壁厚均勻；而外圓粗加工時又能以深孔鉆出前的中心孔為統(tǒng)一基準。(1) 各次要表面如螺紋、鍵槽及螺孔的加工應(yīng)安排在熱處理后、粗磨前或粗磨后。這樣可以較好地保證其相互位置精度，又不致碰傷重要的精加工表面。(2) 外圓精磨加工應(yīng)安排在內(nèi)錐孔精磨之前。這是因為以外圓定位來精磨內(nèi)錐孔更容易保證它們之間的相互位置精度。各工序定位基準面的加工應(yīng)安排在該工序之前。這樣可以保證各工序的定位精度，使各工序的加工達到規(guī)定的技術(shù)要求。對于精密主軸更要嚴格按照粗精分開、先粗后精的原則，而且，各階段的工序還要細分。三、主軸加工的主要工序分析1.中心孔的修

16、研作為主軸加工定位基準的中心孔的質(zhì)量對主軸的加工精度有直接影響。這是由于中心孔的形狀誤差會復(fù)映到加工表面上去，中心孔與頂尖接觸不良也會影響工藝系統(tǒng)剛度，造成加工誤差。因此，在制定工藝過程時必須十分注意中心孔的加工和修研。在主軸加工過程中，中心孔要承受工件重量和切削力，會產(chǎn)生磨損、拉毛和變形。經(jīng)過熱處理后，中心孔會產(chǎn)生表面氧化層和變形。因此，在熱處理之后，各加工階段之初，必須對中心孔進行修研，甚至重鉆。對于精密主軸，中心孔的精度更是保證主軸質(zhì)量的一個關(guān)鍵。所以，在粗磨、半精磨和精磨工序錢必須安排中心孔的修研工序。中心孔與頂尖的接觸面積要求為：精磨時，75%，光整加工時，80%以上。修研中心孔的方

17、法有：(!)采用鑄鐵或環(huán)氧樹脂頂尖為研具，加適量研磨劑，在車床上進行研磨。這種方法精度高，但效率低。(2) 采用油石或橡膠砂輪，加少量柴油或輕機油，在車床上進行研磨。這種方法的效率比以前者高。采用硬質(zhì)合金頂尖刮削中心孔。常見的有六棱硬質(zhì)合金頂尖，它的刃帶有微量切削作用和擠光作用，能糾正中新空的幾何形狀誤差，效率高，使用壽命長，表面粗糙度可達Ra0.8m。(3) 采用專用中心孔磨床修磨中心孔。這種方法精度高，生產(chǎn)效率也高，表面粗糙度可達Ra0.2m,適宜于成批生產(chǎn)。1. 外圓車削通常劃分為粗車、半精車和精車三個工序。粗車是為切除大部分余量；半精車是為修整預(yù)備熱處理后的變性；精車則是為進一步使各表

18、面在磨削前具有一定的精度和余量。因此，車削加工的主要問題是提高生產(chǎn)率，在不同生產(chǎn)類型時采用的設(shè)備是：(1) 單間削皮生產(chǎn)臥式車床(2) 成批生產(chǎn)臥式車床附加液壓仿形刀架或液壓仿形車床。(3) 大批大量生產(chǎn)廣泛采用液壓仿形車床，也可采用多刀半自動車床。由于液壓仿形車床實現(xiàn)了車削加工半自動化，更換靠模、調(diào)整刀具較簡單，減輕了勞動強度，提高了生產(chǎn)率，因此在主軸的成批生產(chǎn)中是經(jīng)濟的。采用液壓仿形刀架可使臥式車床充分發(fā)揮效能，裝卸操作方便，生產(chǎn)成本較低，但是加工精度不夠穩(wěn)定，不宜強力切削，需要進一步提高精度和剛性。用工件本身作為靠模時，液壓仿形刀架也可用于小批生產(chǎn)。使用多刀半自動車床可以大大縮短切削行程

19、和機動時間，提高生產(chǎn)率，但刀具調(diào)整費時，故主要應(yīng)用于大量生產(chǎn)。深孔加工主軸的深孔加工比一般孔加工要復(fù)雜和困難得多，這是由于深孔加工的刀桿細長，岡IJ性較差，容易引偏；而且深孔排泄困難，容易堵塞，無法連續(xù)加工；同時切削液不易進入切削區(qū)，散熱較困難，容易使鉆頭喪失切削能力。所以，應(yīng)把深孔加工安排在外圓粗車之后，使其有一個較精確的外圓作為定位基準。此外，深孔加工還必須采用特殊的鉆頭、設(shè)備和加工方式，以解決好刀具引導(dǎo)、排屑順利和冷卻潤滑充分三個加工關(guān)鍵問題。為此可采取下列工藝措施：2. (1)采用工件旋轉(zhuǎn)、刀具進給的加工方式，使鉆頭有自定中心的能力，避免鉆孔時偏斜。(2)采用特殊結(jié)構(gòu)刀具一一深孔鉆，以

20、增加導(dǎo)向穩(wěn)定性和斷屑性能，來適應(yīng)深孔加工條件。(3)在工件上預(yù)先加工出一段較精確的導(dǎo)向孔，使鉆頭在切削開始時不導(dǎo)致引偏。(4) 采用壓力輸送足夠的切削液進入切削區(qū)，對鉆頭其冷卻潤滑作用，并帶著切屑排出。單件小批生產(chǎn)中，常在臥式車床上用接長的麻花鉆進行加工，在加工過程中需多次退出鉆頭，以排除切屑和冷卻鉆頭。故產(chǎn)生效率低，勞動強度高。成批生產(chǎn)中，普遍在深孔鉆床上用內(nèi)排屑深孔鉆頭加工，在加工過程中可連續(xù)進給，鉆出的孔對外圓的軸線偏離量在1000mm長度內(nèi)以1mm，表面粗糙度Ra為3.212.5m。它的生產(chǎn)效率比前者高一倍以上，并可降低勞動強度。鉆出的深孔應(yīng)經(jīng)過精加工才能達到要求。深孔精加工的方法有校

21、孔和皎孔，由于刀具細長，除了采用一般的進給方法外，也可采用拉像和拉皎的方法在深孔鉆床上加工。拉像和拉皎的方法是使刀桿受拉，故可防止壓彎。4. 軸頸光整加工外圓磨削能經(jīng)濟地達到公差等級IT7和表面粗糙度Ra為0.20.8他。如采用高精度磨床，操作精細，則可達到公差等級IT6,故能滿足普通機床主軸的要求。對于精密機床主軸則還需要進行光整加工，以獲得IT6以上的公差等級和很小的表面粗糙度值。外圓表面光整加工的方法有研磨、雙輪衍磨和鏡面磨削。光整加工特點是；(1) 采用很低的切削用量和單位切削壓力，因此，加工過程中的切削力和切削熱很小，從而能獲得很小的表面粗糙度值。(2) 對上道工序的表面粗糙度要求嚴

22、格，一般都應(yīng)達到Ra0.2pm,表面不得有較深的加工痕跡。(3) 加工余量都很小，一般不超過0.2mm,余量過大就會使加工時間過長，產(chǎn)生切削熱，降低生產(chǎn)效率，甚至破壞上一道工序已達到的精度。(4) 除鏡面磨削外，其他光整加工方法都是“浮動的”，即是依靠被加工表面本身自定中心。因此，只有鏡面磨削可以部分地糾正工件的形狀誤差和位置，而研磨只可以部分地糾正形狀慶2o由于鏡面磨削的生產(chǎn)效率較高，而且適應(yīng)性強，所以目前已廣泛地應(yīng)用于機床主軸的光整加工中。5. 錐孔磨削錐孔磨削是主軸加工的最后一道關(guān)鍵工序，現(xiàn)已普遍采用專用錐孔磨床和專用磨夾具，故能穩(wěn)定地達到精度主軸的質(zhì)量要求。如前所述，錐孔磨削的定位基準應(yīng)選擇兩個主軸頸。錐孔加工的主要技術(shù)問題是：(1) 工件支承裝夾方式采用磨床的通用夾具中心架(圖11-18a),工件軸頸支承在兩個中心架上或支承子在一個中心架和頭架卡盤上。中心架的通用性好，但支承銷的接觸面較小，容易磨損，需經(jīng)常調(diào)整工件與砂輪的中心等高，而且整個夾具的剛性和支承方式剛性都較差，故只適于單間小批生產(chǎn)和加工一般精度的主軸。圖11-18a(2) 工作傳動方式為了盡量減少磨床頭架主軸軸向竄動和徑向圓跳動對工件的影響，頭架主軸必須通過饒性聯(lián)接來傳動工件。在精密主軸錐孔磨削中，還可采用線繩、尼龍繩或橡皮筋以一定方式纏繞在主軸撥銷與工件卡