2017年5月23日

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展，精工機床的發展越來越快，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展。精工機床的快速發展，新刀具、新材料和新制造過程的出現對精工機床的主軸提出了更高要求，它的優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的預先熱處理。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，且調質狀態氮化比正火狀態氮化的沖擊值（ak)高。但是正火處理可獲得片狀珠光體組織，且正火狀態氮化比調質狀態氮化有更好的表面硬度和硬度梯度，且更經濟（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穩定正火后加工量很大，將產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，現實生產中都能達到，經研磨后更好。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，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，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錐孔留量數據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生的振動零件轉動測試 1 臺尾頂尖因彈簧力小移動范圍小；頂不住零件用零件測磨頂尖頂力3000 N 卡規測量不準磨損目測 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。采用瑞士內圓磨床精磨7:24錐孔，同時用高精度錐度量規 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 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檢測。將主軸pllOh8MF拋光面全長尺寸分為17等份，用杠桿卡規按徑向的 a、b、c、d的順序位置分別測出直徑方向上的尺寸（圖9),將測得的數據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）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，盡可能使測量數值的準確。6結束語主軸加工是機械加工行業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，在今后的生產實踐中將不斷的總結及探索。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！

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