数控车削中心主轴箱主轴设计

数控车削中心主轴箱主轴设计前言在数控车床中由于数控系统的应用，主轴箱的结构大为简化，数控系统控制的主轴无级伺服调速取代了复杂的机械式变速系统和相关的操纵装置。主轴电机通过同步带传动直接带动主轴，机床的传动精度和主轴的运动精度得以提高。主轴是该部件的核心零件，主轴的尺寸精度和几何精度直接决定机床的回转精度，同时，主轴直接承受切削载荷，必须具有足够的刚度。因而主轴的制造工艺是主轴箱部件的关键，也是整个机床的关键。一、传动方案拟定轴上零件的布置 图1二、选择主轴材料1、主轴零件的材料轴类零件应根据不同工作条件和使用要求选用不同的材料和不同的热处理，以获得一定的强度、韧性和磨性。一般轴类零件常选用45钢，经过调质可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合力学性能，重要的表面经局部淬火后再回火，表面硬度可达4552HRC。中等精度而转速较高的轴，可选用40Cr等合金结构钢，经调质和表面淬火处理后具有较高的综合力学性能。精度较高的轴，可用轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频感应加热淬火后再回火，表面硬度可达5058HRC，并具有较高的耐疲劳性能和耐磨。高转速、重载荷等条件下工作的轴，可选用20CrMoTi、20Mn2B、20Cr等低碳合金钢或38CrMoAIA中碳合金渗碳钢。低碳合金钢经正火后可获得很高的表面硬度、较软的芯部，因此耐冲击韧性好，但热处理变形大。而对于渗碳钢，由于渗碳温度比淬火温度低，经调质和表面渗碳后，变形小而硬度却很高具有很好的耐磨性和耐疲劳强度。数控车削中心主轴是典型的受扭转与弯曲作用的零件，承受的应力不大，承受的冲击载荷也不大、运转也较平稳，使用轴承则轴领处要求有较高的耐磨性，在使用时常会因轴领磨损，导致精度丧失，造成失效；在锥空与外圆锥面工作时亦易拉毛，这些部件应具有一定的耐磨性。在根据毛坯选择的基本原则：（1） 保证零件的使用性能。（2） 满足材料的工艺性能要求。（3） 降低制造成本。（4） 符合生产条件。因此，数控车削中心主轴应采用45号钢。2、主轴零件的毛坯轴类零件最常用的毛坯是棒料和锻件，只有某些大型或结构复杂的轴，在质量允许时 才可以使用铸件，由于毛坯经过锻造后，能使金属内部纤维组织沿表面均匀分布，可获的较高的抗拉、抗弯及抗扭强度，所以除光轴、直径相差不大的阶梯轴可使用热扎棒料或冷扎棒料外，一般比较重要的轴大都采用锻件。根据生产规模的不同，毛坯锻造方法又自由锻和模锻两种，自由锻设备简单、容易投产，但毛坯精度较差，加工余量较大且毛破的形状较为简单，多用于单件小批量生产。模锻的毛坯精度高、加工余量小，生产率也高，可以锻造形状复杂的毛坯，但模锻需贵的设备和专用锻模，所以只适用用于大批量生产。综合各方面因素，主轴选择锻件和自由锻。三、主轴加工工艺过程分析1、热处理工序的安排主轴零件在机加工前后和过程中一般均需安排一定的热处理工序，对毛坯进行热处理的目的主要是改善材料的切削加工性。消除毛坯制造过程中产生的内应力。如对锻造毛坯通过退火或正火处理可以使钢的晶粒细化降低硬度，便于切削加工，同时也消除了锻造应力。对圆棒料毛坯，通过调质处理可以有效地改善切削加工，在机加工过程中的热处理，主要是为了在各个加工阶段完成后，消除内应力，以利于后续加工工序保证加工精度。在最终加工前的热处理。目的是为了达到要求的表面力学物理性能。同时也消除应力。A主轴材料为45钢为达到表面硬、耐磨、中心韧性好的要求，安排如下热处理工序。（1） 造后正火，通过正火工序，消除锻造内应力，细化晶粒、降低硬度改善机加工时的切削性能。（2） 粗加工后进行调质处理，在粗加工阶段经过粗车，打中心孔等工序。主轴大部分加工余量被切除。粗加工过程中，切削力和发热都很大，在力和热的作用下主轴产生很大内应力。通过调质处理可消除内应力，代替时效处理，同时，可以得到所要求的韧性。（3） 半精加工后，除重要表面外，其他尺寸以达到设计尺寸。重要表面仅剩精加工余量这时支承轴领，配合轴领，锥孔等安排淬火处理，使之达到设计的硬度要求，保证这些表面的耐磨性。而后续的精加工工序可以消除淬火的变形。1、 定位基准的选择主轴零件本身的结构特征和主轴上的各主要表面的位置精度要求都决定了以轴线为基准是最理想的。这样既基准统一，又基准重合。在主轴加工工艺过程中，除了表面的加工外还有基准的准备与转换的有关工序。在机加工开始先以支撑轴颈定位（粗基准）加工两端面和中心孔，就是为后续工序准备精基准。在内孔加工时，以加工后的轴颈为精基准。在内空加工完成后以锥套心轴定位精加工外表面，以保证了各表面间位置精度，以后以精加工后的支撑轴颈定位精磨锥孔。一般主轴零件用两中心孔定位即可，但主轴由于有通空，在空加工后，不能以中心孔来体现轴线，因而采用了锥套心轴（如图1）来实现，有时也可以采用锥堵来实现，（如图2）图1 在主轴的加工工艺中，定位基准的正确选择、体现和转换是一个很重要的问题。在某种程度上说，工艺过程实质是定位基准的准备与转换的过程，各表面的加工也是在此基础上实现的。因此定位基准在很大程度上决定着加工顺序。 2、 加工顺序的安排 图2机加工顺序的安排依据“基面先行、先粗后精、先主后次”的原则进行。对主轴零件一般是准备好中心孔后，先加工外圆，再加工内孔，并注意粗加工分开进行。在A主轴加工工艺中，热处理为标志，调质处理前为粗加工，淬火处理前为半精加工，淬火后为精加工。这样，把各阶段分开后，保证了主要表面精加工最后进行，不至于因其他表面加工时的应力影响主要表面的精度。四、主轴零件加工中的几个工艺问题1、锥堵使用 如前所述，在加工有通孔的主轴零件时，需要锥堵定位。为保证可靠定位，在使用锥堵心轴时应注意以下问题：首先锥堵上的锥面应保证与中心孔有较高的同轴度；其次在使用过程中应尽量减少锥堵装夹次数，以避免重新装夹造成的安装误差。2、 中心孔的研磨作为定位基准，中心孔的误差会直接反映到工件上。若中心孔与顶尖接触不良，则会降低工艺系统刚度，增大受力变形，产生变形误差。在使用过程中，由于受切削力等的作用，中心也会磨损。因此，在各加工阶段结束后，尤其是热处理后，须修研中心孔。在A主轴加工中，更是一个必须注意的问题。中心孔的研修方法常用的有两种：一是用铸铁顶尖或橡胶砂轮、成形油石作为研具加研磨剂，在车床或钻床上研磨；另一种方法是用硬质合金顶尖刮研，如图3所示。通过顶尖上刃带的切削或挤压作用，提高中心孔表面质量，纠正形状误差。A就是用的后一种。图33、主轴锥孔的精加工锥孔加工是主轴的最后一个关键工序，目前已普遍采用专用磨锥孔夹具和机床来保证其加工精度。在锥孔精加工时采用前后支承轴颈定位。在夹具中选用镶硬质合金的V形块固定在夹具支架上，主轴前后支承轴颈支承在V形定位块上。磨床的床头主轴通过弹性浮动夹头驱动工件转动，并避免了磨床头主轴的圆跳动等对加工精度影响。五、主轴零件外圆表面加工1、主轴零件外圆车削加工车削加工是轴零件外圆的主要加工方法。根据生产批量的大小，A主轴的加工选择在普通机床上加工。外圆车削的工艺范围很广、根据毛坯的类型、制造精度以及轴的最终精度要求不同，A主轴采用了粗车、半精车、和精车来加工不同的阶段。A采用锻件，可直接进行粗车，经过粗车后工件的精度可达到IT10IT12，表面粗造度Ra值可达12.5um25um，粗车可切除毛坯的大部分余量。对经过粗加工的工件，采用半精车可达到IT9IT10级精度，表面粗糙度Ra值可达到12.5um6.3um，为磨削或精加工的预加工工序。精车可作为磨削加工工序的预加工，精车后工件表面可达IT7IT8级精度，粗糙度Ra值可达3.2um1.6um。在外圆车削时，为提高加工生产率可采取如下措施：（1） 选用先进刀具材料和合理刀具结构，缩短磨刀、换刀辅助时间。（2） 增大切削用量，提高金属切除率，缩短机动时间。2、主轴零件外圆磨削加工磨削加工是主轴零件外圆精加工的主要方法。它既能加工淬火零件，也可以加工非淬火零件。磨削加工可以达到的经济精度为IT6、表面粗造度Ra值为1.25um0.32um。根据 A主轴不同的精度和表面质量要求，采用粗磨和精磨。粗磨支承轴颈表面可达IT8IT9级精度，表面粗造度Ra值为10um1.25um；然后，在精磨主轴各段外圆和大端莫氏锥孔，磨后可达到IT6IT8级精度，表面粗造度Ra值为1.25um0.63um。通过磨削加工能有效地提高主轴零件尤其是淬硬件的加工质量。在磨削加工中，由于各种因素影响，会生产影响加工质量的一些表面缺陷，包括以下几个方面：（1） 多边形缺陷如图4所示。由于砂轮与工件沿径向产生周期性振动，在工件外圆表面上沿轴线方向留下等距的直线痕迹，其深度小于0.5um。产生振动的根本原因是加工过程的强迫振源（如电动机或砂轮的不平衡）和工艺系统刚性不足（如轴承间隙、顶尖接触不良等），要消除这种振动也需从减小或消除振动、提高工艺系统刚性，减小磨削力入手，分析具体原因，有针对性地解决。图4（2） 螺旋纹缺陷螺旋纹即在磨削后的工件外圆表面产生连续或局部的螺旋痕迹，其间距等于工件轴向每转进给量。产生这一缺陷的原因是砂轮微刃等高性破坏或砂轮与工件局部接触，例如砂轮与工件轴线不平行，砂轮轴因刚性不足弯曲变形等。（3） 烧伤由于砂轮硬度过高或磨削用量选择不当、砂轮钝化、冷却不足等都会造成因高温作用而使工件表面层组织相变，即为烧伤。适当降低砂轮硬度、充分冷却、及时修正砂轮等可以有效地避免烧伤。除上述几种表面缺陷外，加工过程中还会产生其他表面缺陷和形状、位置误差，对这些问题都要通过对工艺系统和磨削过程的分析，有针对性地解决。在机械加工中，毛坯制造技术的发长使工件加工余量普遍减小，有效地节省了原材料，这一发展使磨削加工所占的工作量比例逐渐增大。提高磨削效率、降低磨削成本，是磨削加工中的重要问题之一。在生产中解决这一问题的途径有两条：一是采用自动装卸、自动测量、数字显示、自动修正及补偿技术来缩短辅助时间。二是采用先进磨削方法和磨削工艺，增大磨削用量和磨削面积、缩小机动时间。如采用高速磨削、强力磨削、砂带磨削、宽砂轮磨削、多片砂轮磨削等技术。采用这些新技术时特别要注意解决砂轮的强度、机床的功率与刚度、安全及冷却方式等问题。六、主轴零件的检验主轴零件的检验包括精度和表面质量检验两方面。精度检验包括尺寸精度、位置精度、形状精度；表面质量检验包括表面粗造度和表面力学物理性能（如硬度）。对重要的轴和精密主轴还需进行表层物理性能检验。通过检验可以确定零件是否达到设计要求。检验工作分成品检验和工序间检验，工序间检验可以检查出工序中存在的问题，便于及时修正。主轴工作图是检验的依据。在检验是首先检验各表面的尺寸精度和形状是否合格，然后检验表面粗造度，最后在专用检验夹具上检验位置精度。成批生产、工艺稳定时，可采用抽检，主要表面的硬度检验在热处理车间进行。根据生产批量不同，尺寸精度可采用通用量具或专用量具检验；表面粗造度可采用比较法或表面轮廓仪检验。位置精度的检验则需要一定的专用检验夹具。如图5是A主轴位置精度检验专用夹具，在夹具上可完成所有位置精度项目的检验。主轴锥孔的接触精度采用锥度量规，涂色检验。总结 主轴是机器中最基本的零件之一，往往也是非常关键的零件。主轴的主要功能是支承 传动零件并传递运动和动力。轴的质量的好坏直接影响机器的精度与寿命。主轴的主要功能是支承旋转零件、传递转矩、力和运动，轴上的零件装在轴上形成轴系部件。因此，轴的设计与轴上零件的布置和固定是密切相关的。 A的主轴