CA6140主轴加工工艺分析.docx
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CA6140主轴加工工艺分析
烟台工程职业技术学院
数控技术系数控技术专业10级
毕业设计（论文）
题目:
CA6140主轴加工工艺分析
姓名郭光明学号2010100033
指导教师（签名）
二○年月日
数控技术系毕业设计（论文）任务书
设计题目：
CA6140主轴加工工艺分析
学生姓名系别数控技术系专业数控技术班级数控技术10301
指导教师姓名纪成美职称讲师课题来源指定
1、设计内容
（1）CA6140主轴加工工艺
（2）CA6140主轴加工中的主要问题
（3）零件的检查
2、设计的主要技术指标
（1）主轴加工的要点与措施
（2）主轴加工的定位基准选择
3、设计基本要求
（1）按计划定期反馈论文进度，接受指导老师的检查与指导。
（2）完成全部内容。
（3）按要求打印，装订。
4、进度计划
序号
毕业设计阶段性工作及成果
时间安排
1
指导教师布置论文任务书，学生分组选题，进行资料准备，
2012.6.18
2
提出方案，实验调试，教师指导
2012.6.20-2012.6.30
3
完成论文初稿
2012.7.1—2012.8.30
4
指导教师审阅，根据提出的修改意见再次修改稿件
2012.9.1—2012.11
5
准备答辩
烟台工程职业技术学院毕业设计（论文）
诚信承诺书
本人慎重承诺：
我所撰写的设计（论文）《CA6140车床主轴加工工艺分析》是在纪成美老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。
如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。
毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。
学生（签名）
年月日
摘要
在机械领域中，车床是应用最广泛为、最为频繁的一种机床，它的应用非常的普遍。
所以它的加工精度就极其的重要，工件能否达到加工要求就取决于车车床本身的精度，而决定车床加工质量的就是它的主轴。
车床主轴是把旋转运动及扭矩通过主轴端部的夹具传递给工件和刀具，要求有很高的强度及回转精度，其结构为空心阶梯轴，外圆表面有花键、电键等功能槽及螺纹。
故，生产主轴的工艺以及加工方法，对整个机械加工来说都有着非常重要的作用，本文详细阐述了主轴的工艺过程、加工余量、切削用量以及生产中所涉及的重要夹具
关键词：
机床、主轴、工艺、程序。
前言
机械制造业在国民经济中起着特殊重要的作用它为各个经济部门提供先进的技术装备，为人民生活提供所需的机械商品，为国防事业提供了现代化的武器，也为各个部门提供了各种机械设备，其中机械设备都是由不同的零件而组成的，这些零件是由不同的工种分别加工出来的。
随着科学技术的发展，尽管有一些零件已经用精密的铸造或冷压等方法来制造，但是，绝大多数零件的制造还离不开普通机床的加工。
轴是组成机器的重要组成部分之一，其主要功能是支持作回转运动的传动零件（如齿轮、涡轮等），已实现回转运动并传递转矩和动力，如齿轮，车轮，电动机，转子，铣刀等各种作为回转运动的零件，都必须安装在轴上，才能实现他们的功能。
摘要.............................................................3
前言.............................................................4
一、轴类零件的简单介绍..............................................6
二、主轴图样........................................................6
三、零件加工工艺分析................................................7
（一）主轴各主要部分的作用及技术要求................................7
（二）主轴加工的要点与措施..........................................7
（三）A6140车床主轴加工定位基准的选择...............................9
（四）CA6140车床主轴主要加工表面加工工序安排........................9
（五）CA6140车床主轴加工工艺过程...................................11
四、CA6140主轴加工中的主要问题.....................................13
（一）锥堵和锥心轴的使用...........................................13
（二）顶尖空的研磨.................................................14
五、零件的检验.....................................................15
（一）表面粗糙度和硬度检验.........................................15
（二）精度检验.....................................................16
六、结论..........................................................17
结束语.............................................................18
参考文献...........................................................19
CA6140主轴加工工艺分析
郭光明
一、轴类零件的简单介绍
实际中，零件的结构千差万别，但其基本几何构成不外是外圆、内孔、平面、螺纹、齿面、曲面等。
很少有零件是由单一典型表面所构成，往往是由一些典型表面复合而成，其加工方法较单一典型表面加工复杂，是典型表面加工方法的综合应用。
轴是机械加工中常见的典型零件之一。
它在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件，以传递扭矩。
按结构形式不同，轴可以分为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、各种丝杠等其中阶梯传动轴应用较广，其加工工艺能较全面地反映轴类零件的加工规律和共性。
本课题是围绕常见的CA6140主轴，来简述轴类零件的加工工艺以及加工方法。
二、主轴图样
图1CA6140车床的主轴
三、零件加工工艺分析
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、传动件的圆柱、圆锥面，安装滑动齿轮的花键，安装卡盘及顶尖的内外圆锥面，联接紧固螺母的螺旋面，通过棒料的深孔等。
（一）主轴各部分的作用及技术要求
1.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锥面的接触率≥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，是主轴部件的装配基准面，所以它的制造精度直接影响到主轴部件的回转精度。
2.端部锥孔 主轴端部内锥孔（莫氏6号）对支承轴颈A、B的跳动在轴端面处公差为0.005mm，离轴端面300mm处公差为0.01mm；锥面接触率≥70%；表面粗糙度Ra为0.4mm；硬度要求45~50HRC。
该锥孔是用来安装顶尖或工具锥柄的，其轴心线必须与两个支承轴颈的轴心线严格同轴，否则会使工件（或工具）产生同轴度误差。
3.端部短锥和端面 头部短锥C和端面D对主轴二个支承轴颈A、B的径向圆跳动公差为0.008mm；表面粗糙度Ra为0.8mm。
它是安装卡盘的定位面。
为保证卡盘的定心精度，该圆锥面必须与支承轴颈同轴，而端面必须与主轴的回转中心垂直。
4.空套齿轮轴颈 空套齿轮轴颈对支承轴颈A、B的径向圆跳动公差为0.015mm。
由于该轴颈是与齿轮孔相配合的表面，对支承轴颈应有一定的同轴度要求，否则引起主轴传动啮合不良，当主轴转速很高时，还会影响齿轮传动平稳性并产生噪声。
5.螺纹主轴上螺旋面的误差是造成压紧螺母端面跳动的原因之一，所以应控制螺纹的加工精度。
当主轴上压紧螺母的端面跳动过大时，会使被压紧的滚动轴承内环的轴心线产生倾斜，从而引起主轴的径向圆跳动。
（二）主轴加工的要点与措施
主轴加工的主要问题是如何保证主轴支承轴颈的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度，主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度以及它们对支承轴颈的位置精度。
主轴支承轴颈的尺寸精度、形状精度以及表面粗糙度要求，可以采用精密磨削方法保证。
磨削前应提高精基准的精度。
保证主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度同样应采用精密磨削的方法。
为了保证外锥面相对支承轴颈的位置精度，以及支承轴颈之间的位置精度，通常采用组合磨削法，在一次装夹中加工这些表面，如图2所示。
机床上有两个独立的砂轮架，精磨在两个工位上进行，工位Ⅰ精磨前、后轴颈锥面，工位Ⅱ用角度成形砂轮，磨削主轴前端支承面和短锥面。
图2组合磨削
主轴锥孔相对于支承轴颈的位置精度是靠采用支承轴颈A、B作为定位基准，而让被加工主轴装夹在磨床工作台上加工来保证。
以支承轴颈作为定位基准加工内锥面，符合基准重合原则。
在精磨前端锥孔之前，应使作为定位基准的支承轴颈A、B达到一定的精度。
主轴锥孔的磨削一般采用专用夹具，如图3所示。
夹具由底座1、支架2及浮动夹头3三部分组成，两个支架固定在底座上，作为工件定位基准面的两段轴颈放在支架的两个V形块上，V形块镶有硬质合金，以提高耐磨性，并减少对工件轴颈的划痕，工件的中心高应正好等于磨头砂轮轴的中心高，否则将会使锥孔母线呈双曲线，影响内锥孔的接触精度。
后端的浮动卡头用锥柄装在磨床主轴的锥孔内，工件尾端插于弹性套内，用弹簧将浮动卡头外壳连同工件向左拉，通过钢球压向镶有硬质合金的锥柄端面，限制工件的轴向窜动。
采用这种联接方式，可以保证工件支承轴颈的定位精度不受内圆磨床主轴回转误差的影响，也可减少机床本身振动对加工质量的影响。
a）锥堵b）锥套心轴
图3锥堵与锥套心轴
主轴外圆表面的加工，应该以顶尖孔作为统一的定位基准。
但在主轴的加工过程中，随着通孔的加工，作为定位基准面的中心孔消失，工艺上常采用带有中心孔的锥堵塞到主轴两端孔中，如图3所示，让锥堵的顶尖孔起附加定位基准的作用。
（三）CA6140车床主轴加工定位基准的选择
主轴加工中，为了保证各主要表面的相互位置精度，选择定位基准时，应遵循基准重合、基准统一和互为基准等重要原则，并能在一次装夹中尽可能加工出较多的表面。
由于主轴外圆表面的设计基准是主轴轴心线，根据基准重合的原则考虑应选择主轴两端的顶尖孔作为精基准面。
用顶尖孔定位，还能在一次装夹中将许多外圆表面及其端面加工出来，有利于保证加工面间的位置精度。
所以主轴在粗车之前应先加工顶尖孔。
为了保证支承轴颈与主轴内锥面的同轴度要求，宜按互为基准的原则选择基准面。
如车小端1∶20锥孔和大端莫氏6号内锥孔时，以与前支承轴颈相邻而它们又是用同一基准加工出来的外圆柱面为定位基准面（因支承轴颈系外锥面不便装夹）；在精车各外圆（包括两个支承轴颈）时，以前、后锥孔内所配锥堵的顶尖孔为定位基面；在粗磨莫氏6号内锥孔时，又以两圆柱面为定位基准面；粗、精磨两个支承轴颈的1∶12锥面时，再次用锥堵顶尖孔定位；最后精磨莫氏6号锥孔时，直接以精磨后的前支承轴颈和另一圆柱面定位。
定位基准每转换一次，都使主轴的加工精度提高一步。
（四）CA6140车床主轴主要加工表面加工工序安排
CA6140车床主轴主要加工表面是Ø75h5、Ø80h5、Ø90g5、Ø105h5轴颈，两支承轴颈及大头锥孔。
它们加工的尺寸精度在IT5~IT6之间，表面粗糙度Ra为0.4~0.8mm。
主轴加工工艺过程可划分为三个加工阶段，即粗加工阶段（包括铣端面、加工顶尖孔、粗车外圆等）；半精加工阶段（半精车外圆，钻通孔，车锥面、锥孔，钻大头端面各孔，精车外圆等）；精加工阶段（包括精铣键槽，粗、精磨外圆、锥面、锥孔等）。
在机械加工工序中间尚需插入必要的热处理工序，这就决定了主轴加工各主要表面总是循着以下顺序的进行，即粗车→调质（预备热处理）→半精车→精车→淬火-回火（最终热处理）→粗磨→精磨。
综上所述，主轴主要表面的加工顺序安排如下：
外圆表面粗加工（以顶尖孔定位）→外圆表面半精加工（以顶尖孔定位）→钻通孔（以半精加工过的外圆表面定位）→锥孔粗加工（以半精加工过的外圆表面定位，加工后配锥堵）→外圆表面精加工（以锥堵顶尖孔定位）→锥孔精加工（以精加工外圆面定位）。
当主要表面加工顺序确定后，就要合理地插入非主要表面加工工序。
对主轴来说非主要表面指的是螺孔、键槽、螺纹等。
这些表面加工一般不易出现废品，所以尽量安排在后面工序进行，主要表面加工一旦出了废品，非主要表面就不需加工了，这样可以避免浪费工时。
但这些表面也不能放在主要表面精加工后，以防在加工非主要表面过程中损伤已精加工过的主要表面。
1—弹簧2—钢球3—浮动夹头4—弹性套内5—支架6—底座
图4磨主轴锥孔夹具
对凡是需要在淬硬表面上加工的螺孔、键槽等，都应安排在淬火前加工。
非淬硬表面上螺孔、键槽等一般在外圆精车之后，精磨之前进行加工。
主轴螺纹，因它与主轴支承轴颈之间有一定的同轴度要求，所以螺纹安排在以非淬火-回火为最终热处理工序之后的精加工阶段进行，这样半精加工后残余应力所引起的变形和热处理后的变形，就不会影响螺纹的加工精度。
（五）CA6140车床主轴加工工艺过程
下表A列出了CA6140车床主轴的加工工艺过程。
生产类型：
大批生产；材料牌号：
45号钢；毛坯种类：
模锻件
工艺路线方案
序号
工序名称
工序内容
定位基准
设备
1
备料
2
锻造
模锻
立式精锻机
3
热处理
正火
4
锯头
5
铣端面钻中心孔
毛坯外圆
中心孔机床
6
粗车外圆
顶尖孔
多刀半自动车床
7
热处理
调质
8
车大端各部
车大端外圆、短锥、端面及台阶
顶尖孔
卧式车床
9
车小端各部
仿形车小端各部外圆
顶尖孔
仿形车床
10
钻深孔
钻48mm通孔
两端支承轴颈
深孔钻床
11
车小端锥孔
车小端锥孔（配1∶20锥堵，涂色法检查接触率≥50%）
两端支承轴颈
卧式车床
12
车大端锥孔
车大端锥孔（配莫氏6号锥堵，涂色法检查接触率≥30%）、外短锥及端面
两端支承轴颈
卧式车床
13
钻孔
钻大头端面各孔
大端内锥孔
摇臂钻床
14
热处理
局部高频淬火（90g5、短锥及莫氏6号锥孔）
高频淬火设备
15
精车外圆
精车各外圆并切槽、倒角
锥堵顶尖孔
数控车床
16
粗磨外圆
粗磨75h5、90g5、105h5外圆
锥堵顶尖孔
组合外圆磨床
17
粗磨大端锥孔
粗磨大端内锥孔（重配莫氏6号锥堵，涂色法检查接触率≥40%）
前支承轴颈及75h5外圆
内圆磨床
18
铣花键
铣89f6花键
锥堵顶尖孔
花键铣床
19
铣键槽
铣12f9键槽
80h5及M115mm外圆
立式铣床
20
车螺纹
车三处螺纹（与螺母配车）
锥堵顶尖孔
卧式车床
21
精磨外圆
精磨各外圆及E、F两端面
锥堵顶尖孔
外圆磨床
22
粗磨外锥面
粗磨两处1∶12外锥面
锥堵顶尖孔
专用组合磨床
23
精磨外锥面
精磨两处两处1∶12外锥面、D端面及短锥面
锥堵顶尖孔
专用组合磨床
24
精磨大端锥孔
精磨大端莫氏6号内锥孔（卸堵，涂色法检查接触率≥70%）
前支承轴颈及75h5外圆
专用主轴锥孔磨床
25
钳工
端面孔去锐边倒角，去毛刺
26
检验
按图样要求全部检验
前支承轴颈及75h5外圆
专用检具
四、CA6140加工中的主要问题
（一）锥堵和锥堵心轴的使用
对于空心的轴类零件，在深孔加工后，为了尽可能使各工序的定位基准面统一，一般都采用锥堵（闷头）或锥堵心轴的顶尖孔作为定位基准。
当锥度较大时，就用带锥度的拉杆心轴，当主轴锥孔的锥度比较小时，就常用锥堵，本课题CA6140主轴的锥孔分别为1：
20和莫氏6号，锥度较小故选用锥堵。
如图3
使用锥堵或锥堵心轴时的注意点:
图6-1锥堵
图6-2锥堵
1.一般不中途更换锥堵或锥堵心轴，也不要将同一锥堵或锥堵心轴卸下后再重新装上，因为不管锥堵或锥堵心轴的制造精度怎样高，其锥面和顶尖也会有程度不等的不同轴度误差，因此，必然会引起加工后的主轴外圆表面与锥孔之间的同轴度误差。
如果在中途更换或卸下后再装上，就会在上述误差的基础上又增加了新的同轴度误差，使加工精度降低，特别在精加工时这种影响就更为明显。
2.用锥堵心轴时，两个锥堵的锥面要求同轴线，否则拧紧螺母后会使工件变形。
锥堵心轴结构比较合理，其特点是右端锥堵与拉杆心轴是一体的，其锥面与顶尖孔的同轴度较好，而左端有个球面垫圈，拧紧螺母时，能保证左端锥堵与锥孔配合良好，使锥堵的锥面和工件的锥孔以及拉杆心轴上的顶尖孔，三者有较好的同轴度。
3.装配锥堵或锥堵心轴时，不能用力过大，特别是对壁厚较薄的轴类零件，如果用力过大，会引起轴件变形，使加工后出现圆度误差等。
为防止这种变形，使用塑料或尼龙制的锥堵心轴有良好效果。
（二）顶尖空的研磨
对于实心轴或锥堵上的顶尖孔，因为要承受工件的重量和切削力的作用，而常会磨损；并且工件在热处理时，顶尖孔也会随之变形。
因此，在热处理工序之后和
1-油石顶尖；2-工件；3-后顶尖
图5用油石研磨顶尖孔
磨削加工之前，对顶尖孔要进行研磨，以消除误差。
研磨顶尖孔的方法，常用的有以下几种：
1.用铸铁顶尖研磨。
2.用油石或橡胶砂轮研磨。
研磨时先将圆柱形油石或橡胶砂轮夹在车床的卡盘上，用装在刀架上的金刚石将油石或橡胶砂轮前端修整成顶尖形状（60°圆锥体），接着将工件顶在油石或橡胶砂轮顶尖和车床后顶尖间（图5），在加上少量润滑油（柴油或轻机油），然后开动车床使油石或橡胶砂轮转动，进行研磨。
研磨过程中，用手把持工件并使它连续而缓慢地转动。
⑶用中心孔磨床磨削。
中心孔磨床的磨头结构原理如图6所示。
磨头机构要求砂轮主轴具有三种运动：
①主切削运动；
②行星运动；
③往复运动：
砂轮磨料采用白刚玉或铬钢玉；硬度中软（ZR2）；粒度则要依顶尖孔的表面粗糙度和生产率来选择，中心孔表面粗糙度能达到Ra0.2，以这种中心孔定位磨削轴件外圆，其外圆圆度误差可以减少到0.0008mm，并且有较高的生产率，适与批量生产。
据以上各方法分析比较针对本课题CA6140车床主轴整体结构及工装要求中心孔的研磨则采用这种磨削方法。
1-砂轮主轴；2-凸轮轴及皮带轮；3-斜导轨皮带轮及套轴；4-外斜导轨；
5内斜导轨；6-杠杆；7-主轴套；8-砂轮；9-工件
图6中心孔磨头简图
五、零件的检验
零件的检验零件的检验零件的检验主轴零件在加工过程中和加工完以后都要按工艺规程的技术要求进行检验。
检验的项目包括表面粗糙度、硬度、尺寸精度、表面形状精度和相互位置精度。
（一）表面粗糙度和硬度的检验
硬度是在热处理之后用硬度计抽检。
表面粗糙度一般用样块比较法检验，对于精密零件可采用干涉显微镜进行测量。
（二）精度检验
精度检验应按一定顺序进行，先检验形状精度，然后检验尺寸精度，最后检验位置精度。
这样可以判明和排除不同性质误差之间对测量精度的干扰。
1.形状精度检验
车床主轴的形状误差主要是指圆度误差和圆柱度误差。
圆度误差为轴的同一截面内最大直径与最小直径之差。
一般用千分尺按照测量直径的方法即可检测。
精度高的轴需用比较仪检验。
圆柱度误差是指同一轴向剖面内最大直径与最小直径之差，同样可用千分尺检测。
弯曲度可以用千分表检验，把工件放在平板上，工件转动一周，千分表读数的最大变动量就是弯曲误差值。
2.尺寸精确检验
在单件小批生产中，轴的直径一般用外径千分尺检验。
精度较高（公差值小于0.01mm）时，可用杠杆卡规测量。
台肩长度可用游标卡尺、深度游标卡尺和深度千分尺检验。
大批大量生产中，为了提高生产效率常采用极限卡规检测轴的直径。
长度不大而精度又高的工件，也可用比较仪检验。
3.位置精度检验
为提高检验精度和缩短检验时间，位置精度检验多采用专用检具，如图所示。
图7位置精度检验
检验时，将主轴的两支承轴颈放在同一平板上的两个V型架上，并在轴的一端用挡铁、钢球和工艺锥堵挡住，限制主轴沿轴向稳动。
两个V型架中有一个的高度时可调的。
测量时先用千分表调整轴的中心在主轴前锥孔中插入检验心棒，按测量要求放置千分表，用手轻轻转动主轴，从千分表读数的变化即可测量各项误差，包括锥孔及有关表面相对支承轴颈的径向挑动和端面跳动。
线，使它与测量平面平行。
平板的倾斜角一般是15°，使工件轴端靠自重压向钢球。
在主轴前锥孔中插入检验心棒，按测量要求放置千分表，用手轻轻转动主轴，从千分表读数的变化即可测量各项误差，包括锥孔及有关表面相对支承轴颈的径向挑动和端面跳动。
六、结论
机床作为一种高效率的设备，欲充分发挥其高性能、高精度和高自动化的特点，除了必须掌握机床的性能、特点及操作方法外，还应在工艺分析和确定合理的加工工艺，并且设计出最好的加工方案。
实际加工中，操作者只有具备较强的加工工艺分析能力和丰富的实践技能，并且严格按照加工工艺来操作，考虑到加工中会出现的各种精度、误差，尺寸，热处理等情况，做好充分合理的应对方法，才能保证加工出高质量的工件。
结束语
本次的毕业设计，使我对这三年总体知识进行了一次总的复习，同时也对自身在专业领域的不足有了一个总体认识，以方便日后的更好学习，不断完善和充实自己，通过老师的讲解，也明白了很多书本上没有的实际工作经验为以后的工作打下一个坚实的基础。
通过一个多月的忙碌，这次毕业设计已经基本完成，本次的设计得以完成，在这里首先要感谢我的指导老师纪成美老师，，在设计过程中，遇到了种种困难，有了老师的指导，使得这些困难才能迎刃而解。
除了佩服老师的专业水平外，他们的作风，精神更让我敬佩。
三年的大学生活即将结束，也许我再也不会再有机会进入校园深入的学习，我将不会有机会再接受文化的熏陶，我将不会再有机会聆听各位尊敬师长的教诲，在将要离开的时候，我十分感谢学院给我提供了一个培养我各方面能力舞台。
在这两年里使我得到了更大的发展，也更加清楚地认识了自己，明白了自己将来的人生目标。
[参考文献]
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机械工业出版社，2005.
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机械工业出版社，2000.
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清华大学出版社，1990.
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北京理工大学出版社，1990.
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清华大学出版
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