CA6140车床主轴加工工艺数控化改造论文

床主轴加工工艺数控化改造 作者姓名： 指导教师： 学科专业： 班 级： 摘 要 随着社会不断进步的今天，老式车床已经达不到目前生产生活的目的，普通机床考齿轮和普通螺丝传动，由于运动附件存在间隙，加上手工操作的不准确，因此重复精度较低，普通机床测量时需停车后手动测量，误差 较大，效率低下，比较适合批量较小，精度要求不高，零活类零件，虽然老式机床投资较低，但对工人的操作技能要求高。同时数控机床具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可 靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理的现代化，而且数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具、不需要经常雕成机床，所以数控机床适用于零件必反更换的场合。因此一些老式的机床将会被淘汰，而购买一些新的数控设备价格过于昂贵，所以数控化的推进势在必行。同时经过大量实践证明普通机床的数控化改造有一定经济性，实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少，见效快的特点，事实证明：机床的数控化 改造可以为企业带来可观的经济效益。 目前机床 数控化在 我国的普及率不带 3%，用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长。从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益、影响企业的生存和发展，所以必须加大力量提高机床的数控化率，这里主要介绍数控机床主轴改造，包括结构的改造，性能的选择以备将来更深化的探索和研究。 关键字：机床、数控化、改造、意义 of to a so to is is a is At is to NC on it t t in so of So be so of is a of So nc of of of to be At in %, t of in of a on of so of of of 一、 数控化改造的必要性 当代人类社会快速发展，正在进行第三次工业革命，由于社会生产力的快速发展，工业发达国家的军、民机械工业，在上世纪 70 年代末、 80 年代初已经开始大规模应用数控机床，其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在改造过程中采用数控机床、 ，还包括在 产品开发中进行拟制造以及在生产管理中推行 ，以及在其生产的产皮中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对军、民机械工业进行深入该做，最终使得他们的产品在国际市场上竞争力大增 。而我们在信息 技术改造传统工业比发达国家落后，如果我国机床拥有量中，数控机床的比重只有 3%，而日本上世纪就达到 因此每年都有大量的机电产品进口。同时我国国内也在进行产业升级换代，而全新的数控机床价格昂贵，投资成本过高，大范围的推动势必影响到企业的资金流转，加重企业的负担，而推行普通机床的数控化改造使用的费用仅当于购买数控机床费用的 60%80%这也从客观上说明了机床数控化改造的必要性。 二、 数控化改造的好处 1. 有利于企业技术的提高，节约成本 数控机床与普通机床相比，有很大的优势，数控机床具有高度的柔性 ，加工精度高，加工质量稳定，加工可靠，生产效率高，改善劳动条件，理由生产管理的现代化，无纸化；而普通机床精度低，生产效率低，适合批量小，精度要求不高，灵活类的零件，但对工人操作技能要求高，这也变相的增加了企业的开支，加大了企业的生产成本，而且普通机床生产零件，从零件的定型设计，图纸绘注，到实际生产，需要很长的周期，这样也会影响到企业在市场上的竞争力，而数控机床在产品的定性，图纸的绘注一直到最终的产出全部都会由计算机一体化完成，大幅度的降低生产周期，这也使得企业的经营成本有大幅度的下降。 2. 有利于企业开支的节约 数控化改造一般的用户都能承担的起，数控化改造相对于全新的数控机床的成本降低 60%80%左右，这也为资金紧张的中小企业的技术改造开辟了新的道路，也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力，由于新型机床的价格昂贵，一次性投资巨大，如果吧旧机床设备全部用新型数控机床代替，需要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来早成巨大的浪费，若采用数控技术对旧机床加以改造和购买新机床相比，则可省 50%以上的资金，一套经济型数控装置的价格仅为全功能装置的 1/3 到 1/5。从这种性价比来看，对于将普通机床改装，比较适合现代我国 的实际国情，从而为减少资源浪费，节约成本开支，提供了新型的解决方法，从而可使企业将更多的资源投入到产品的研发和市场的开发上，能为企业进一步体高利润，打下坚实的基础。 3. 有利于加快企业生产能力的提高 订购新的数控机床的交货周期一般比较长，往往不能满足用户的需要。对于企业来说，长时间的等待意味着利润的丢失，而改造的数控机床拥有成型的技术后可以随时针对老旧的机床进行改造，避免了大量的等待时间，而改造的数控机床能够满足产品的多样化和高精度的要求，因此得到了用户的广泛肯定和应用，同时机床的数控化改造已经成为满足市场需求 的主要补充手段，对于各类企业来说是理想的选择。 4. 有利于企业生产的扩大 在现代企业的机械制造工业中，中小批量甚至单间生产，个性化的产品占有相当大的比重，尤其是我国加入世贸组织后，成为世界性的加工基地，产品出口的增长迅速，从低附加值、劳动密集型产品逐步过渡到高附加值、劳动密集型产品过渡到高附加值的精密 型零件的出口，高精度的数控机床起到了重要的作用，同时数控机床与统相配合，并且可以边设计边生产，有效地缩短了产品的生产周期，而为小量得产品生产提供了充足的动力，减少了由于手工生产可能造成的不必要的损失 ，提高产品的高精密性，而数控机床是最能适应这种生产需要的。 5. 有利于企业工业化水品的提高 以数控机床为代表的现代基础机械是制造实现生产现代的重要设备，数控技术水平的高低和机床的数控化率，数控设备拥有量已成为衡量一个国家现代工业化水平的重要标志。 6. 有利于企业的多方面发展 数控技术用于机床的改造是建立在微电子技术与传统技术相结合的基础上，具有可靠性高、柔性强，抑郁实现机电一体化、经济性可观等特点。同时也推进企业的流水化生产，提高企业内部的责任分工，实现更高精度的专业化分工，提高企业的专业化程度，同时也能使更为先进 的生产理念和生产经验得到有效的实施进而实现设计生产一条龙，同时也可以最大化的提高生产效率。在使用数控机床时也可有效的生产出精密度高、外形复杂的产品，以适应现代社会在个性化、人文化上的快速进步，为此，在旧机床上进行数控化改造可以提高机床的使用性能、降低生产成本、用较少的资金投入而得到较大的经济效益。 三 主轴加工工艺数控化改造 普通车床的数控化改造主要有 4 个内容： （ 1）车床的注重的正、反向转数控制和实现其不同切削速度的主轴变速。 （ 2）车床纵横两个方向的走到两控制。由计算机控制 的电动机直接带动传动丝杠来实 现。 （ 3）自动换到的控制。是通过计算机控制的电动机来达到转交的母的。 （ 4）在加工螺纹时，应该保证主轴转一转，到俺家移动一个被加工螺纹的螺距或导程。 所以在本课题中，主要研究主轴加工工艺的改造。附带考虑其他3 项因素。 造原则 确定具体改造方案的基本原则是：在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少，以降低成本、增强抗干扰性。 造方案 采用先进的数控系统，由 I/O 借口输出步进脉冲，步进电机经减速齿轮减速后带动丝杠传动，利用滚珠丝杠螺母从而实现纵向、横向的进给运动。使用四方刀架进行 自动换刀。此外，为了保证成床加工螺纹的功能和防止意外事故的发生，增加光电编码器和电路中增置了保护电脑。 轴的改造 由于本课题主要研究主轴加工工艺数控化改造，所以在此仅对主轴的加工工艺和数控化进行研究论证。而在主轴的生产中依旧满足一般零件生产的流程 主轴毛坯的制造 毛坯的制造方法根据使用的要求和生产类型而定，毛坯形式有棒料和锻件两种。前着适用于单间小批量生产，尤其适用于光滑轴和外援直径相差不大的阶梯轴，对于直径较大的阶梯轴和外援 直径相差不大的阶梯轴，对于直径较大的阶梯轴则往往采用锻件。锻件还可以获得 较高的抗拉，抗弯曲和抗扭曲强度。单间小批量生产一般采用自由锻，批量生产则采用模锻件，大批量生产中若采用带有贯穿孔的无缝钢管毛坯，能大大节省材料和机械加工量。 主轴的材料和热处理 45 钢是普通机床 主轴的常用材料，淬透性比合金钢差，淬火后尺寸稳定性也比较差，要求较高的主轴采用合金钢材为宜。 选择适合的材料并且在整个加工过程中安排足够和合理的热处理工序，对于保证主轴的力学性能、精度要求和改善切削加工性能非常重要。车床主轴的热处理包括以下几个方面 a) 毛坯热处理。车床主轴的毛坯热处理一般用正火，其目的是消除锻造应力，细 化晶粒，并使金属组织均匀，以利于切削加工。 b) 预备热处理。在粗加工之后半精加工之前，安排调质处理，目的是活的南云细密的回火索氏体。 c) 最终热处理。主轴的默写重要表面需经过高温频淬火。最终热处理一般安排在半精加工时得以纠正。 精度要求高的主轴，在淬火回火后还要进行定性处理。定性处理的目的是消除加工的内应力，提高主轴的尺寸稳定性，使它能长期保持精度。定性处理是在精加工之后进行的，如低温人工时效或水冷处理。 热处理次数的多少决定于主轴的精度要求，经济型以及热处理效果， 床主轴一般经过正火，调质和表面局部淬 火 3 个热处理工序，无需进行定性处理。 主轴的加工 意事项 由于 轴相对比较复杂，应该注意一些事项，这样不但能够准确而快速的生产还能有效的避免操作失误而带来的不必要的浪费。所以在主轴加工过程中应该注意以下几点： a) 外圆加工要照顾主轴体本身的刚度，应该先加工大直径后加工小直径，一面一开始就降低主轴刚度。 b) 就基准统一而言，希望始终以顶尖定位，避免使用锥堵，深孔加工应安排在最后。但深孔加工是粗加工工序，需要切除大量金属，加工过程中会引起主轴变形，所以最好在粗车外圆之后就把深 孔加工出来 c) 花键和键槽加工应该安排在精车之后粗磨之前，如在 精车之前就 洗出键槽，将会造成断续车削，及影响质量又容易损坏刀具，而且也难以控制键槽的尺寸精度。但这些表面也不宜安排在主要 表面最终加工工序之后进行，以防止在 反复运输中碰上主要表面。 d) 因为主轴的螺纹对支撑轴颈有一定的同轴度要求，故放在淬火之后的精加工阶段进行，以免受半精加工所产生的应力以及热处理变形的影响。 e) 主轴是加工要求很高的零件，需要安排多次检验工序。检验工序一般安排在 各加工阶段前后 ，以及重要工序前后和花费工时较多的工序前后，总检验放在最 后。必要时，还应该安排探伤工序。 根据要点我们应具体分析主轴的生产过程。 床主轴技术要求及功用 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。下面分别介绍主轴各主要部分的作用及技术要求： 支承轴颈 主轴二个支承轴颈 A、 B 圆度公差为 向跳动公差为 支承轴颈 1 12 锥面的接触率 70%；表面粗糙度 承轴颈尺寸精度为 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。 端部锥孔 主轴端部内锥孔（莫氏 6 号）对支承轴颈 A、 轴端面 300公差为 面接触率 70%；表面粗糙度 度要求4550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。 端部短锥和端面 头部短锥 对主轴二个支承轴颈A、 B 的径向圆跳动公差为 面粗糙度 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。 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 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。 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。 床的主轴简图 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，。机床上有两个独立的砂轮架，精磨在两个工位上进行，工位 精磨前、后轴颈锥面，工位 用角度成形砂轮，磨削主轴前端支承面和短锥面。 组合磨削图 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 。 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。 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。 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。 床主轴主要加工表面加工工序安排 床主轴主要加工表面是 758090105支承轴颈及大头锥孔。它们加工的尺寸 精度在 间，表面粗糙度 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 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。 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 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。 1 弹簧 2 钢球 3 浮动夹头 4 弹性套内 5 支架 6 底座 磨主轴锥孔夹具 床主轴加工工艺过程 以上内容宏观的概括了 床主轴的加工工艺，则生产床主轴的完整的加工工艺过程如下。 大批生产 床主轴工艺过程 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 48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（ 90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 7590105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75圆 内圆磨床 18 铣花键 铣 89键 锥堵顶尖孔 花键铣床 19 铣键槽 铣 12槽 80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75圆 专用主轴锥孔磨床 25 精细除毛刺加工 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75圆 专用检具 充说明 考虑到可能会通过数控车床大批量生 产 床主轴，因此对一些问题进行补充说明。 对于原料的选择可以选取 45 号钢，毛坯种类选择模锻件。 以下是数控加工中精加工部分的 序节选。 0001 800 00X 25