淺析加工中心主軸加工工藝設計與改進
引言隨著科學技術不斷發(fā)展，精工機床的發(fā)展越來越快，精工機床也正朝著高性能、高精度、高速、高柔 性化和模塊化方向發(fā)展。精工機床的快速發(fā)展，新刀具、新材料和新制造過程的出現(xiàn)對精工機床的主軸提 出了更高要求，它的優(yōu)良直接影響機床的性能，要不斷從主軸的加工方法和加工工藝上下功夫，不斷改進 以達到主軸的高運轉精度、高速高剛性、高可靠性、低而穩(wěn)定的操作溫度等各方面要求。2主軸加工工藝流程及改進前后對比2.1主軸結構及主要技術要求以加工中心TKP6511主軸為例，如圖1所示。零件名稱：主軸 零件號：Z104339 材料：38CrMoAlA 技術要求：7:24錐孔用標準規(guī)涂色法檢查；錐面接觸不低于工作長度的85%熱處理：Z; D0.5-900;螺紋部除外毛坯：規(guī)格為025x1516 (冷拔鋼）（包括試片料）2.2改進后的主軸加工工藝流程下料—正火—鉆中心孔—粗車—穩(wěn)定—鉆通孔(深孔加工)—半精車外圓—擴鉸各階梯孔(深孔加工)—半精車7:24錐孔切試片—粗磨外圓—粗磨7:24錐孔—銑18H11對鍵槽-劃-銑端鍵槽-劃-鏜-鉗-探傷檢查-粗磨18H11對鍵槽—半精磨外圓—半精磨7:24錐孔—氮化—半精磨7:24錐孔—半精磨外圓—車螺紋—磨端鍵槽—精磨孔Φ41H7及端面—精磨18H11對鍵槽—精磨外圓—精磨7:24錐孔—鉗（倒鍵槽棱角）—研磨 —拋光—鉗。2.3工藝改進的主要內(nèi)容(1) 采用深孔鉆床進行7:24主軸拉刀機構的通孔及階梯孔的加工，大大縮短了主軸加工周期。(2) 在主軸氮化前增加半精磨7:24錐孔，利用較精確的檢測手段嚴格控制錐孔留量，有效保證氮化后 精磨錐孔時氮化層的去除量，從而使主軸錐孔獲得維氏硬度HV2900的硬度及0.5的氮層深度。3主軸加工過程中熱處理安排及作用主軸材料選用氮化鋼38CrMoALA優(yōu)質合金結構鋼。該鋼含碳量使鋼材具有足夠的強度而Cr、Mo、 A1等合金元素能與碳形成復雜的彌散相，均勻地分布在基體中，當受到外應力作用時起著機械阻礙作用而 強化。其中Cr的加入可顯著地提高氮化層的硬度。提高鋼材的淬透性及心部度，A1的加入可顯著地提 高氮化層的硬度和細化晶粒；Mo主要是消除鋼材的回火脆性。主軸氮化是熱處理工藝中最后工序，為使主軸心部具有必要的機械性能，消除加工應力，減少氮化過 程的變形，以及為獲得最好的氮化層做組織準備，故主軸在氮化前需要進行適當?shù)念A先熱處理。3.1正火 一般地說氮化鋼為了提高心部硬度可采用調質或正火處理。調質處理可獲得回火索氏體組織，且調質狀態(tài)氮化比正火狀態(tài)氮化的沖擊值（ak)高。但是正火處理可獲得片狀珠光體組織，且正火狀態(tài)氮化比調 質狀態(tài)氮化有更好的表面硬度和硬度梯度，且更經(jīng)濟（正火前不需要冷加工），而主軸主要是承受耐磨，沖 擊軔性不是主要影響因素，因此選擇正火處理。正火處理所產(chǎn)生的氧化脫碳層將導致氮化后脆性增加及硬 度不足等弊病，故正火工序應留有足夠的加工余量。3.2穩(wěn)定正火后加工量很大，將產(chǎn)生很大的機械加工應力，為了消除粗車后的機械加工應力，減少氮化過程中 的變形，增加一次穩(wěn)定處理是很有必要的。3.3探傷檢査利用超聲波探傷儀檢測主軸內(nèi)部缺陷，如裂紋等；用磁力探傷儀檢查主軸表面裂紋，這對主軸內(nèi)部及 表面裂紋等缺陷較早暴露，保證主軸質量是必要的。3.4氮化采用離子氮化爐可以獲得均勻準確的氮化層深度及硬度，工件氮化后質量：(1) 外觀：氮化后工件表面呈銀灰色無光澤；(2) 硬度：氮化后工件表面硬度用維氏計測量，氮化后HV21000,磨削后HV2900 (磨削深度不能大 于 0_15);(3) 氮化層深度：工藝規(guī)定：深度沙56 mm;磨削后深度>0.5 mm。(4) 變形：氮化變形要求振擺S0.08 mm;(5) 脆性：1?2級為合格，現(xiàn)實生產(chǎn)中都能達到，經(jīng)研磨后更好。4主軸半精加工及精加工工藝過程析 4.1半精磨外圓由于主軸需要經(jīng)過氮化處理，為控制氮化層硬度及深度需要安排兩次半精磨外圓工序。第一次半精磨 在氮化前，目的為氮化處理打好基礎。一方面根據(jù)用同樣材料的圓柱體零件氮化后磨削所作實驗得出氮化 后磨削余量越大，氮化層的硬度降低得越多。氮化后磨削深度在0.15 mm以內(nèi)，才能保證氮化層硬度在 HV900以上（見圖2曲線示意圖氮化后硬度-深度變化曲線）。另一方面氮化時雖然彎曲變形較小，但絕不 能校正氮化前的變形，而只能比原來變形大，這就必須給氮化后的磨削留有足夠的余量，以便能達到零件 全長上直線度的要求。4.3錐孔留量如半精磨外圓所述，氮化層磨削深度在0.15 mm以內(nèi)，才能保證氮化層硬度在HV900以上，因此第 一次半精磨時錐孔軸向留量0.25~0.35;第二次半精磨錐孔留量0.1~0.15,見表1。 表1錐孔留量數(shù)據(jù)表 工序 錐孔軸向留量 錐孔法向留量 錐孔徑向半徑留量 錐孔徑向直徑留量 第一次半精磨 0.25-0.35 0.036^0.05 0.036-0.051 0.073^0.102 第二次半精磨 0.1-0.15 0.014-0.022 0.015^0.022 0.03-0.044 4.4磨對鍵槽18H11采用花鍵磨床精磨對鍵槽18H11, —端頂漲芯中心孔，一端頂錐孔芯軸中心孔。這樣磨削可使鍵槽向 上，外圓的彎曲變形及機床導軌的直線度只影響槽底，對槽兩側面影響不大（圖5)。如果使用導軌磨床加 工，則由于機床導軌直線度及主軸自重引起的變形會影響鍵槽直線度（圖6)。一般情況下使用花鍵磨床可 以容易達到18H11對鍵槽的直線度、平行度各項要求。4.5精磨外圓主軸外圓精磨是在BHU50A萬能磨上進行，采用方法是縱向走刀中心磨削法。影響主軸外圓圓柱度的 主次因素見表2。 表2影響主軸外圓圓柱度的主次因素 序號 項目 主要項目原因分析 采取措施 允許界限 機床 床頭頂尖液壓故障產(chǎn)生的振動 零件轉動測試 1 臺尾頂尖因彈簧力小移動范圍??；頂不住零件 用零件測磨 頂尖頂力3000 N 卡規(guī)測量不準 磨損 目測 2 工具 與工件溫差大 點溫計 士4〇C 砂輪振動大，靜平衡差 目測隨處靜止 4.6精磨錐孔錐孔的跳動是加工中心機床的一項主要成品精度。錐孔加工最終要求：(1) 錐孔對外徑跳動應保證在主軸端部件0.005 mm,在300 mm處為0.01mm;(2) 錐孔的接觸面積為85%;(3) 錐孔粗糙度如0.4,錐孔精加工方法有兩種：一是留余量然后由裝配自磨而使錐孔的接觸達到最后 成品精度：二是加工過程中直接達到技術要求。采用瑞士內(nèi)圓磨床精磨7:24錐孔，同時用高精度錐度量規(guī) 50S/T; 7:24 (1級）檢測錐孔磨量及接觸工作長度不小于85%,從而保證錐孔硬度及精度要求。4.7研磨及拋光 研磨拋光是主軸最后光整加工。研磨可以獲得很高的尺寸精度和很低的表面粗糙度。一般地說，研磨 工具的材料比工件材料軟，且組織均勻。最常用的是鑄鐵研具（圖7),適用于加工各種工件材料和精研加 工，能保證較好的研磨質量和較高的生產(chǎn)率，并且研具制造容易，成本也較低。在研磨過程中，研磨液不 僅起調和磨料和潤滑冷卻作用而且還起著化學作用，加速研磨過程。它會附著在工件表面，使工件表面很 快產(chǎn)生一層氧化膜，并起到磨平工件表面凸峰，保護工件表凹谷作用。主軸研磨時所使用的研磨劑成分為 手白色氧化鋁的白剛玉粉和煤油的混合劑。 主軸經(jīng)研磨后盡管取得較好的尺寸精度及較低的表面粗糙度，但其表面出現(xiàn)嵌砂，并呈烏黑色，裝配 后磨損快，影響了主軸的切削精度。因此為消除主軸表面的研磨嵌砂，需采用主軸外圓表面拋光處理。主 軸表面涂綠色的氧化鉻，利用專用拋光具及改制車床進行拋光加工，效果非常好，主軸表面光亮美觀且防 腐蝕。5主軸測量 5.1主軸錐孔7:24氮化前后留量檢測為保持錐孔精磨后氮化層硬度及深度，應嚴格控制錐孔氮化前后磨序留量。我們采用髙精度錐度量規(guī) 50S/T; 7:24 (1級）及深度游標卡尺，測量錐孔的軸向留量及用涂色法檢測錐孔接觸工作長度，如圖8所不。5.2主軸外圓尺寸精度、圓度和圓柱度檢測 1??????????????????? 17 a 主軸外圓尺寸用杠桿卡規(guī)檢測。將主軸pllOh8MF拋光面全長尺寸分為17等份，用杠桿卡規(guī)按徑向的 a、b、c、d的順序位置分別測出直徑方向上的尺寸（圖9),將測得的數(shù)據(jù)列入鏜桿檢驗記錄表（表3)，a 向圓柱度誤差為零，b向誤差為2/i, c向誤差為辦，d向誤差為如，將a、b、c、d四個方向綜合來看，其 中******值和最小值之差，正是真正的圓柱度誤差1.5//。如果主軸檢驗不合格或其中一項超差，則需繼續(xù)研 磨拋光直至合格為止。 表3鏜桿檢驗記錄表（單位：nm) 序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 a 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 b 11 11 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 9 9 C 10 9 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 8 10 d 11 9 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 9 9 另外檢測時應注意室溫和人體溫度（手握卡規(guī)）對測量結果的影響，并注意剔除過失誤差，減小測量 誤差的影響，盡可能使測量數(shù)值的準確。6結束語 主軸加工是機械加工行業(yè)中的重點及難點課題之一，對其加工方法一直以來有許多的成熟經(jīng)驗，通過 不斷的學習和實踐，不該改進，提升加工水平。對主軸加工還有諸如“如何降低深孔加工的成本”等課題， 在今后的生產(chǎn)實踐中將不斷的總結及探索。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡僅供學習參考，轉載請注明！