淺析加工中心主軸加工工藝設(shè)計(jì)與改進(jìn)
引言隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，精工機(jī)床的發(fā)展越來(lái)越快，精工機(jī)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(jī)床的快速發(fā)展，新刀具、新材料和新制造過(guò)程的出現(xiàn)對(duì)精工機(jī)床的主軸提 出了更高要求，它的優(yōu)良直接影響機(jī)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(jìn) 以達(dá)到主軸的高運(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)前后對(duì)比2.1主軸結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)要求以加工中心TKP6511主軸為例，如圖1所示。零件名稱(chēng)：主軸 零件號(hào)：Z104339 材料：38CrMoAlA 技術(shù)要求：7:24錐孔用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)涂色法檢查；錐面接觸不低于工作長(zhǎng)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(jìn)后的主軸加工工藝流程下料—正火—鉆中心孔—粗車(chē)—穩(wěn)定—鉆通孔(深孔加工)—半精車(chē)外圓—擴(kuò)鉸各階梯孔(深孔加工)—半精車(chē)7:24錐孔切試片—粗磨外圓—粗磨7:24錐孔—銑18H11對(duì)鍵槽-劃-銑端鍵槽-劃-鏜-鉗-探傷檢查-粗磨18H11對(duì)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(chē)螺紋—磨端鍵槽—精磨孔Φ41H7及端面—精磨18H11對(duì)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(jìn)的主要內(nèi)容(1) 采用深孔鉆床進(jìn)行7:24主軸拉刀機(jī)構(gòu)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(cè)手段嚴(yán)格控制錐孔留量，有效保證氮化后 精磨錐孔時(shí)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(guò)程中熱處理安排及作用主軸材料選用氮化鋼38CrMoALA優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼。該鋼含碳量使鋼材具有足夠的強(qiáng)度而Cr、Mo、 A1等合金元素能與碳形成復(fù)雜的彌散相，均勻地分布在基體中，當(dāng)受到外應(yīng)力作用時(shí)起著機(jī)械阻礙作用而 強(qiáng)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(xì)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(jī)械性能，消除加工應(yīng)力，減少氮化過(guò) 程的變形，以及為獲得最好的氮化層做組織準(zhǔn)備，故主軸在氮化前需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)先熱處理。3.1正火 一般地說(shuō)氮化鋼為了提高心部硬度可采用調(diào)質(zhì)或正火處理。調(diào)質(zhì)處理可獲得回火索氏體組織，且調(diào)質(zhì)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(diào) 質(zhì)狀態(tài)氮化有更好的表面硬度和硬度梯度，且更經(jīng)濟(jì)（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(dǎo)致氮化后脆性增加及硬 度不足等弊病，故正火工序應(yīng)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(jī)械加工應(yīng)力，為了消除粗車(chē)后的機(jī)械加工應(yīng)力，減少氮化過(guò)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(cè)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(duì)主軸內(nèi)部及 表面裂紋等缺陷較早暴露，保證主軸質(zhì)量是必要的。3.4氮化采用離子氮化爐可以獲得均勻準(zhǔn)確的氮化層深度及硬度，工件氮化后質(zhì)量：(1) 外觀：氮化后工件表面呈銀灰色無(wú)光澤；(2) 硬度：氮化后工件表面硬度用維氏計(jì)測(cè)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(jí)為合格，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中都能達(dá)到，經(jīng)研磨后更好。4主軸半精加工及精加工工藝過(guò)程析 4.1半精磨外圓由于主軸需要經(jīng)過(guò)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(chǔ)。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(shí)驗(yàn)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?xún)?nèi)，才能保證氮化層硬度在 HV900以上（見(jiàn)圖2曲線(xiàn)示意圖氮化后硬度-深度變化曲線(xiàn)）。另一方面氮化時(shí)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(lái)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(dá)到零件 全長(zhǎng)上直線(xiàn)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?xún)?nèi)，才能保證氮化層硬度在HV900以上，因此第 一次半精磨時(shí)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(jiàn)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(duì)鍵槽18H11采用花鍵磨床精磨對(duì)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(jī)床導(dǎo)軌的直線(xiàn)度只影響槽底，對(duì)槽兩側(cè)面影響不大（圖5)。如果使用導(dǎo)軌磨床加 工，則由于機(jī)床導(dǎo)軌直線(xiàn)度及主軸自重引起的變形會(huì)影響鍵槽直線(xiàn)度（圖6)。一般情況下使用花鍵磨床可 以容易達(dá)到18H11對(duì)鍵槽的直線(xiàn)度、平行度各項(xiàng)要求。4.5精磨外圓主軸外圓精磨是在BHU50A萬(wàn)能磨上進(jìn)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(jiàn)表2。 表2影響主軸外圓圓柱度的主次因素 序號(hào) 項(xiàng)目 主要項(xiàng)目原因分析 采取措施 允許界限 機(jī)床 床頭頂尖液壓故障產(chǎn)生的振動(dòng) 零件轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試 1 臺(tái)尾頂尖因彈簧力小移動(dòng)范圍小；頂不住零件 用零件測(cè)磨 頂尖頂力3000 N 卡規(guī)測(cè)量不準(zhǔn) 磨損 目測(cè) 2 工具 與工件溫差大 點(diǎn)溫計(jì) 士4〇C 砂輪振動(dòng)大，靜平衡差 目測(cè)隨處?kù)o止 4.6精磨錐孔錐孔的跳動(dòng)是加工中心機(jī)床的一項(xiàng)主要成品精度。錐孔加工最終要求：(1) 錐孔對(duì)外徑跳動(dòng)應(yīng)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(dá)到最后 成品精度：二是加工過(guò)程中直接達(dá)到技術(shù)要求。采用瑞士?jī)?nèi)圓磨床精磨7:24錐孔，同時(shí)用高精度錐度量規(guī) 50S/T; 7:24 (1級(jí)）檢測(cè)錐孔磨量及接觸工作長(zhǎng)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(shuō)，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(zhì)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(guò)程中，研磨液不 僅起調(diào)和磨料和潤(rùn)滑冷卻作用而且還起著化學(xué)作用，加速研磨過(guò)程。它會(huì)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(hù)工件表凹谷作用。主軸研磨時(shí)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(zhuān)用拋光具及改制車(chē)床進(jìn)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(cè)量 5.1主軸錐孔7:24氮化前后留量檢測(cè)為保持錐孔精磨后氮化層硬度及深度，應(yīng)嚴(yán)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(jí)）及深度游標(biāo)卡尺，測(cè)量錐孔的軸向留量及用涂色法檢測(cè)錐孔接觸工作長(zhǎng)度，如圖8所不。5.2主軸外圓尺寸精度、圓度和圓柱度檢測(cè) 1??????????????????? 17 a 主軸外圓尺寸用杠桿卡規(guī)檢測(cè)。將主軸pllOh8MF拋光面全長(zhǎng)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(cè)出直徑方向上的尺寸（圖9),將測(cè)得的數(shù)據(jù)列入鏜桿檢驗(yàn)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(gè)方向綜合來(lái)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(yàn)不合格或其中一項(xiàng)超差，則需繼續(xù)研 磨拋光直至合格為止。 表3鏜桿檢驗(yàn)記錄表（單位：nm) 序號(hào) 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(cè)時(shí)應(yīng)注意室溫和人體溫度（手握卡規(guī)）對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并注意剔除過(guò)失誤差，減小測(cè)量 誤差的影響，盡可能使測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確。6結(jié)束語(yǔ) 主軸加工是機(jī)械加工行業(yè)中的重點(diǎn)及難點(diǎn)課題之一，對(duì)其加工方法一直以來(lái)有許多的成熟經(jīng)驗(yàn)，通過(guò) 不斷的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，不該改進(jìn)，提升加工水平。對(duì)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(shí)踐中將不斷的總結(jié)及探索。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明！