精密主轴工艺规程制定和工装设计.docx

1、精密主轴工艺规程制定和工装设计精密主轴工艺规程制定和工装设计摘要机械制造业是一个国家技术进步和社会发展的支柱产业之一，无论是传统产业，还是新型产业，都离不开各式各样的机械设备。而加快产品上市的时间，提高质量，降低成本，加强服务是制造也追求的永恒主题。此篇论文主要内容是对精密主轴加工工艺路线进行的研究、设计，其中包括了各道工序的加工方法，机床、刀具、夹具、辅具、量具的选择，基准面的选取，定位和夹紧方案的拟定。主轴零件是机床实线旋转运动的执行件，它直接带动工件或刀具参加表面成型运动是机床上的一个关键组件。它是机械加工中经常也遇到的典型零件之一。在机器中，它主要用来支撑传动零件、传递运动和扭矩。主轴

2、零件是机床主要部件之一，它的性能，对整机性能有很大的影响，主轴直接承受切削力，速度范围很大，所以对主轴组件的主要性能提出很高的要求。本文论述精密主轴零件的工艺编制，研究零件机械加工工艺规程的设计问题，介绍工艺规程的组成、制定程序等。说明零件的机械加工工艺结构性，结合生产主要从零件分析、毛坯的选择、工艺路线的拟定、工序内容的确定等几个方面详细的讲述了精密主轴零件工艺过程设计以及工艺编制中应注意的问题，以及如何才能达到最理想的表面质量和经济效益。关键词 工艺；装配图；夹具；轴第1章 零件分析1.1 零件的作用该零件为铣床主轴，属于精密机床主轴零件。它主要起支撑和传动转矩的作用，是旋转体零件。其主要

3、由内外圆柱面、内锥面、螺纹及横向深孔等组成，是空心类机床主轴。所以它的主要表面的精度和表面质量要求很高，而且精度也要求稳定。1.2 零件的技术要求1、精密主轴的支撑轴颈是主轴的装配基准，它的制造精度直接影响到主轴部件的旋转精度，故对它提出很高的技术要求。2、主轴前段锥孔是安装顶尖等小型夹具或工具锥柄的，其中心线必须与支撑轴颈中心线严格同轴。3、主轴前端圆锥面是安装卡盘等较大型夹具的重要表面，其中心线必须与支撑轴颈中心线同轴。4、主轴轴向定位面与主轴旋转中心线必须垂直，否则会引起主轴周期性的轴向窜动。因此，必须控制其垂直度要求。1.3 零件的工艺分析在拟定精密主轴工艺工艺过程时，应考虑一些问题。

4、1.3.1 加工阶段的划分加工过程大致划分为四个阶段： 顶尖孔之前是预加工阶段；打顶尖孔之后至调质前的工序为粗加工阶段调质处理后至表面淬火前的工序为半精加工阶段；表面淬火后工序为精加工阶段。要求较高的支承轴颈和3:20锥孔的精加工，则应在最后进行。整个主轴加工的工艺过程，是以主要表面（特别是支承轴颈）的加工为主线，穿插其它表面的加工工序组成的。这样安排的优点是：粗加工时切除大量金属是产生的变形，可以在半精加工和精加工中去掉。而主要表面放在最后，可不受其它表面加工的影响，并方便安排热处理工序，有利于机床的选择。1.3.2 工序顺序安排工序顺序的安排主要根据基面先行、先粗后精、先主后次的原则。并注

5、意下列几点。1.3.2.1 热处理的安排主轴毛坯锻造后，一般安排正火处理。其目的是，消除锻造残余应力，改善金属组织，降低硬度，改善切削加工性能。棒料毛坯可不进行该道热处理工序。粗加工后，安排调质处理。其目的是获得均匀细致的索氏体组织，提高零件的综合力学性能，以便在表面淬火时得到均匀致密的硬度层，并使硬化层的硬度由表面向中心逐渐降低。同时索氏体的金属结构经加工后，表面粗糙度较细。最后，还须对有相对运动的轴颈表面和经常与夹具接触的锥面进行淬火或氮处理，以提高其耐磨性。一般高频淬火安排在粗磨之前；氮化安排在粗磨之后，精磨之前。1.3.2.2 外圆表面的加工顺序 先加工大直径外圆，以免一开始就降低工件

6、刚度。1.3.2.3 深孔加工1、应安排在调质以后进行，因为调质处理变形大，深孔产生弯曲变形后没法纠正，不仅影响棒料通过，还会造成主轴高速转动的不平衡。2、深孔加工应安排在外圆粗车或半精车之后，以便有一个较精确的轴颈作定位基面，保证孔与外圆同轴度，时主轴壁厚均匀。如果仅从定位基准考虑，希望始终用顶尖孔定位，避免使用锥堵，深孔加工安排在最后为好。但是深孔加工是粗加工，发热量大，会破坏外圆加工的精度，而且钻偏时，要有余量纠正。所以，深孔加工只能在半精加工阶段进行。第2章 工艺规程设计2.1 主轴的材料、毛坯与热处理2.1.1 主轴的毛坯主轴属于外圆直径相差较大的阶梯轴，为了节省材料和减少加工的劳动

7、量，毛坯常采用锻件。在热锻过程中金属纤维按轴向排列，组织细蜜，具有较高的抗拉、抗弯和抗扭强度。锻件在铸造方法上又分自由锻和模锻两种。自由锻使用的设备比较简单，但毛坯的精度较低、余量大、生产率低，只适用于单件、小批生产。模锻一般在模锻压力机上进行，设备比较昂贵，并须专用锻模，但毛坯精度高、加工余量小、生产率高。目前国内精锻毛坯公差外径可达0.3mm，内径达0.1mm，表面粗糙度Ra可达3.21.6um。它适于在大批条件下锻造形状复杂、精度要求高的主轴。图2-1所示为模锻主轴毛坯示意图图2-1 主轴毛坯图2.1.2 主轴的材料根据主轴的功用，主轴应具有良好的机械强度和刚度；主轴工作表面应具有高的耐

8、磨性与加工后尺寸精度的稳定性。这些都与主轴的材料与所选用的热处理方法有关。45钢是主轴常用的材料，价格较便宜。它经过调质（或正火）、局部加热淬火后回火，表面硬度HRC4552，一般能满足普通机床要求。但与65Mn、40Cr等合金钢比较，45钢淬透性差、淬火后变形大、加工后尺寸稳定性差，故高精度主轴常用合金钢。40Cr是含碳量为0.37%0.45%的合金结构钢，经调质淬火后具有较高的综合机械性能。38CrMnAlA是中碳合金氮化钢，由于氮化温度（540550）比淬火温度低，变形小。此材料硬度高（中心硬度大于HRC28），并具有优良的耐疲劳性能、尺寸稳定性好，是制造高精度主轴的理想材料。因此选择3

9、8CrMnAlA。2.1.3 主轴的热处理2.1.3.1 改善切削加工性能、消除锻造残余应力的热处理 主轴毛坯在锻造过程中，若温度过高，则将使金属组织的晶粒粗大；若锻造温度过低，则造成组织不均匀和过大的残余应力，甚至出现裂纹。这两种情况在主轴锻造过程中往往同时存在，致使主轴强度降低，并由于表面泠硬而不易切削。因此在粗加工前需进行热处理，以改善切削性能，消除锻造残余应力，细化晶粒，并使金属组织均匀。通常采用退火或正火处理。2.1.3.2 预备热处理主轴在粗加工后，最终热处理以前常进行预备热处理，通常为调质或正火。调质处理是淬火后高温回火（回火温度为500 650），调质后可得到均匀细密的回火索氏

10、体组织，使主轴获得较高的强度和韧性等综合机械性能。调质时由于回火温度高，故主轴容易变形并产生较多的氧化皮。2.1.3.3 最终热处理 主轴最终热处理包括局部加热淬火后回火（铅浴炉加热淬火、火焰加热淬火、电感应加热淬火等）、渗碳淬火、淡化等。其目的是在保持心部韧性的同时提高表面硬度，使主轴各工作表面获得较高的耐磨性和抗疲劳强度，以保持主轴的工作精度和提高使用寿命。最终热处理一般放在半精加工之后，因局部淬火后总会有些变形，故需在淬火后安排磨削加工工序以消除淬火变形。2.2 主轴加工工艺过程2.2.1 主轴加工的主要问题和工艺过程设计所应采取的相应措施主轴加工的主要问题是如何保持主轴支承轴颈的尺寸、

11、形状、位置精度和表面粗糙度，主轴前端内锥面的形状精度、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，磨前应提高精基准的精度。保证主轴前端内锥面的形状精度、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。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（不是装夹在磨床头架主轴上）加工保证的。以支承轴颈作为定位基准加工内锥面，符合“基准重合”原则。让被加工主轴装夹在磨床工作台上

12、而不装夹在磨床头架主轴上，可以避免磨床主轴回转误差对锥孔形状精度的影响；因为磨床头架主轴与被加工主轴零件只是柔性连接，磨床头架主轴只起带动工件回转的作用，而工件的回转轴心，则取决于定位基准面A、B与定位元件的精度。在精磨前端锥孔之前，应使作为定位基准的支承轴颈A、B达到一定精度。主轴外圆表面的加工，应该以顶尖孔作为统一的定位基准。如果主轴上有通孔，一旦通孔加工完毕，就要用带顶尖孔的工艺锥堵塞到主轴两端孔中，让锥堵的顶尖孔起附加定位基准的作用。既然工艺锥堵要起定位作用，所以工艺锥堵与主轴锥孔的配合质量就十分重要了。随着被加工主轴加工精度的逐步提高，也要相应提高工艺锥堵的精度。主轴上的通孔，虽然加

13、工精度要求不高，但深孔的加工比较困难，排屑方式都是不可忽视的问题。主轴深孔的加工属于粗加工，应安排在工艺过程的前部。2.2.2 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”与“互为基准”的原则，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主轴轴心线，根据基准重合的原则考虑选择主轴两端的顶尖孔作为精基准面。用顶尖孔定位，还能在一次装夹中把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。所以实心轴在粗加工之前先打顶尖孔。对于空心轴则以外圆定位，加工通孔，并在两端孔口加工出30度倒角或内锥孔（工艺锥面），用两

14、个带顶尖孔的锥堵或带锥堵的心轴装夹工件。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。例如车大端3:20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3:20内锥孔时，又以两圆柱面为定位基准面；再次用锥堵顶尖孔定位；最后精磨3:20内锥孔时，直接以精莫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。2.2.3 主轴主要加工表面加工工序的安排精密主轴主要加工表面是?45、?46、?50轴颈

15、，两支轴颈及大头锥孔。它们的加工公差都在IT3-IT4之间，表面粗糙度Ra为0.16m。要达到这样高的精度要求，其一般加工路线应是：粗车（IT11，Ra12.5m）半精车（IT9-IT10，Ra6.3-3.2m）精车（IT8，Ra1.6m）粗磨（IT7，Ra0.8 Ram）精磨（IT5-IT6，Ra0.4m） 精细磨（IT3-IT4，Ra0.16m）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进行的，即粗车调质（预备热处理）半精车精车淬火（最终热处理）粗磨精磨精细磨主轴加工工艺过程可划分为三个加工阶段，即粗加工阶段（包括铣端面打顶尖孔、粗车外圆等）；

16、半精加工阶段（半精车外圆，钻通孔，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、锥孔等）。铣床主轴主轴表面的加工顺序有如下几种方案：1、通孔（以毛坯外圆定位，加工后配锥堵）外圆表面粗加工（以锥堵顶尖孔定位）锥孔粗加工（以半精加工后外圆定位，加工后配锥堵）外圆精加工（以锥堵顶尖孔定位）锥孔粗加工以精加工后的外圆定位）。2、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（以半精加工后外圆定位，加工后配锥堵）外圆表面精加（以锥堵顶尖孔定位）锥孔粗加工（以精加工后外圆表面定位）锥孔精加工（以精加工后外圆表面定位）3、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（以半精加工后外圆表面定位）锥孔粗加工