精密主轴的精密及超精密加工.doc

华 侨 大 学先进制造技术导论课程论文精密主轴的精密及超精密加工年 级: 09级 学 号: 0911116049 姓 名: 姚江传 专 业: 机械制造 指导老师: 沈剑云 二零壹二年五月第6页 共7页 摘 要精密与超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺。精密、超精密加工技术已成为一个国家制造技术水平的主体，也显示了精密，超精密加工技术在整个制造工程中的重要性。由于主轴，特别是机床主轴的特殊地位，其加工精度尤为重要。从技术要求及其精密制造过程，包括所使用的加工设备、加工刀具（刀具或者砂轮等）、对装备和工具的要求、以及检测技术方法等，都要逐一考虑，仔细选择。要保证主轴的精度，非常重要的一点就是要确保工件的合理装夹，保证顶尖孔定位精度，精化顶尖孔定位精度。最难的就是后序的加工，精磨与精研。要选择合适的刀具，合适的夹具，采用合适的加工方法，确保精度，以符合使用要求。关键词：精密与超精密加工技术；主轴；机床主轴；加工特点及技术要求; 工件的定位; 精磨； 精研精密与超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺。它综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进一步提高，尤其是超精密加工技术的不断完善，使之加工的极限精度目前正向着纳米和亚纳米级精度发展。尖端技术产品对零件提出了越来越高的要求，即高精度、高可靠性、长寿命、综合化和小型化，常规的加工方法无法满足这类零件的制造技术要求，而适应现代技术发展的精密、超精密加工技术是最有效的加工手段。精密、超精密加工技术已成为一个国家制造技术水平的主体，也显示了精密，超精密加工技术在整个制造工程中的重要性。在制造业中，机床是制造其他机械的温床，因而它的设计制造就显得特别的重要。要保证其他机械的加工制造，就先得保证机床的加工制造。在机床中，影响机密加工精度的主要部件是主轴、导轨和进给装置。机床的主轴在加工过程中直接带动工件或刀具运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度，现在超精密加工机床中精度最高的主轴采用的是空气静压轴承，其实用精度可达0.05um，但还不满足纳米级加工的要求，近年来磁悬浮轴承的发展非常迅速，有望在未来有所突破，但目前还达不到空气静压轴承的精度。而提高空气轴承主轴回转精度的途径之一是提高轴及轴套的圆度，因为理论上这两者是成比例。另外还要想办法提高气孔供气的平稳性，通过多孔粉末冶金材料的小孔供气是理想的供气形式，有待进一步研究。此外，还可以利用控制技术以补偿的形式来减小或消除回转误差。由于主轴，特别是机床主轴的特殊地位，其加工精度尤为重要。从技术要求及其精密制造过程，包括所使用的加工设备、加工刀具（刀具或者砂轮等）、对装备和工具的要求、以及检测技术方法等，都要逐一考虑，仔细选择。（一） 精密主轴的加工特点及技术要求1)定位基准的选择，为了保证支撑轴承外圆与其他其外圆的位置公差，采用了基准统一原则，即全部以工件的两个中心孔定位。为了保证支撑轴承外圆与其他外圆的形状与位置公差，在主轴的精加工过程中，用油石顶尖多次研磨中心孔。中心孔的表面粗横度R值，逐次减少，圆度精度要逐次增高，进而提高中心孔与顶尖的接触面积。2)详细划分加工阶段。为了达到主轴的精度要求，逐步消除工件毛坯的复映误差，工序分粗车、半精车、粗磨、半精磨、精磨和高精磨削，并且有效地保证了主要轴颈的加工精度。3)合理安排热处理工序。为了保证主轴精度的稳定性，先后在工序过程中安排了多次热处理，以减少加工中产生的残余应力。虽然渗氮处理的变形量较小，但为了保证渗氮处理和主轴精度的稳定性，渗氮处理前需要安排调质和削除应力两道热处理工序。渗氮前，主要轴颈的余量要严格控制。粗磨外圆和端面后留余量0.04-0.06 mm，这样高的留余量要求，就是为了确保渗氮质量，因为渗氮层表面硬度梯度很大，渗氮后最外层表面可达72HRC，但距衰面0.1 mm层以下，硬度则为60 HRC，在表面0.1mm层内，硬度保持在70HRC几乎不变。因此，渗氮前严格控制余量小于0.1mm是非常重要的。对于非渗氮精密主轴，虽然表面淬火前不必安排除应力处理，但是在淬火及粗磨后，为了稳定淬硬钢中的残余奥氏体组织，使工件尺寸稳定和消除加工应力，需要安排低温人工时效。时效的次数视零件的精度和结构特点而定。4)磨出两端螺纹。主轴技术要求两端螺纹不要求渗氮，在渗氮后的工序安排了磨螺纹外圈及端面的工序和车螺纹的工序。有时为了避免装卸砂轮和带轮时将螺纹碰伤，要求对螺纹部分进行淬火处理。但若对已车好的螺纹进行淬火，则会因应力集中产生裂纹，故有些主轴上的螺纹不采用车削，而在淬火、粗磨外圆后用螺纹磨床直接磨出。（二）工件的定位 保证顶尖孔定位精度的一般工艺措施加工精密主轴时，最典型的工作定位方式为两端顶尖孔定位，这种定位方式符合基准重合原则和基准统一原则。为保证顶尖定位精度，一般在对主轴的主要外圆表面进行加工前，需重新对顶尖孔进行修研加工，常用的修研方法有：用油石或橡胶砂轮修研顶尖孔。将圆柱形油石或橡胶砂轮装夹在车床卡盘上，用金刚石笔将其修整为60圆锥体；将工件顶夹在油石与车床后顶尖之间，并加入少量柴油或轻机油润滑，然后开动车床使油石高速转动进行修研，同时操作者手握工件断续转动。用铸铁顶尖修研顶尖孔。该方法原理同上，不同的是用铸铁顶尖代替油石顶尖，修研时应加入研磨剂，顶尖转速略低。用硬质合金顶尖修研顶尖孔。该方法加工效率高，但修研质量稍差，多用于修研普通轴顶尖孔或作为精密轴顶尖孔的粗研加工。用顶尖孔磨床研磨顶尖孔。该机床加工精度较高，顶尖孔表面粗糙度可达Ra0.32;m，圆度可达0.8;m. 加工精密主轴外圆时，主轴顶尖孔支承在固定的前、后顶尖上，此时工件的回转轴线由两个固定顶尖决定。理论上回转轴线是固定不变的，可加工出高精度的外圆。但当两顶尖孔存在形状误差(如圆度、角度误差等)或同轴度误差时，均会造成定位截面上的顶尖与顶尖孔之间呈非圆周线接触的有限点接触状态(如图1所示)，这将导致支承刚度不足而使工件轴线发生变动，造成加工面的圆度误差。在终磨(超精磨)图2所示精密主轴的主要外圆时，由于其圆度允差极小，即使对两顶尖孔进行了仔细修研，使两顶尖孔具有很低的表面粗糙度、较高的形状精度和同轴度，但其接触面积仍很难达到85%以上，工件轴线变动依然较明显，仍会对工件外圆圆度产生显著影响，外圆圆度超差现象时有发生。顶尖定位精度的精化方法为提高加工精密主轴时顶尖的定位精度，保证主轴外圆终加工的圆度要求，可采取以下顶尖定位精度精化措施。 1） 采用外圆终磨专用球形顶尖 利用球体任意截面均为圆形和球体与锥孔接触均呈圆周线接触的特点，设计外圆终磨专用球形顶尖对工件进行顶夹定位(如图3所示)。球形顶尖可从几何原理上保证顶尖与顶尖孔在定位截面上始终保持圆周线接触状态，即使两顶尖孔存在较明显的锥度误差和同轴度误差，也不会改变其圆周线接触状态。采用球形顶尖定位时，定位圆截面的接触应力分布均匀，接触刚度显著提高，被磨削主轴零件因定位面接触变形引起的轴线位移基本消除，从而可显著提高主轴回转轴线的位置稳定性，使主轴外圆终磨后的圆度大大提高。 2） 顶尖孔的多次修研 精密主轴零件的主要外圆表面(如主轴轴颈面)一般需经粗磨半精磨精磨终磨(超精磨)等多道工序加工，在每道磨削工序之前均应对顶尖孔进行仔细修研，以逐步减小顶尖孔的表面粗糙度值，提高两顶尖孔的形状精度和同轴度，达到提高顶尖孔的表面粗糙度值。 各道磨削工序前的顶尖孔修研精度应达到以下要求：粗磨外圆前修研精度：表面粗糙度Ra0.63;m以下，用标准顶尖着色检查，接触面积不小于60%；半精磨外圆前修研精度：表面粗糙度Ra0.32;m，用标准顶尖着色检查，接触面积不小于65%；精磨外圆前修研精度：表面粗糙度Ra0.32;m，用磨床工作顶尖着色检查，接触面积不小于75%，且在近大端接触。终磨外圆前修研精度：表面粗糙度Ra0.32;m，在终磨磨床上用专用终磨球形工作顶尖加研磨剂研磨并着色检查，接触面积不小于95%；同时应保证恒温加工条件(201)。 总结 工艺试验表明，通过对顶尖孔进行多次修研，并在外圆终磨前采用球形顶尖研磨，可显著提高顶尖孔质量，精化顶尖定位精度。球形顶尖的制造、使用、维护方便，研磨质量高，可使接触面积稳定达到95%以上，且易保证在近大端接触。通过采取顶尖定位精度的精化措施，精密主轴零件的外圆加工精度明显提高，圆度误差分散范围缩小(可稳定在0.005mm以内)，保证了精密主轴零件的加工合格率。（二） 精磨精磨的目的是为最后的精研打好基础。为了使零件在精磨阶段获得较好的圆柱度，顶尖的精度是至关重要的，我们选用的顶尖孔形式如图2所示。在加工时，首先研磨顶尖孔的角度，经钢砂研磨后，一般应小于60度（59度左右）。顶尖孔与磨床顶尖的接触面宽度为2mm左右。顶尖孔的圆度是通过自制振动器保证的。从振动器的工作原理可知，经振动研磨后的顶尖孔母线呈圆弧状。在实际工作中，为了保证精磨后能获得较好的圆柱轴的圆度精度，要对顶尖孔的圆弧母线进行修正，使接触的2mm锥状带的锥体锥角小于60度（59度左右）。用振动器研磨顶尖孔时，应注意被加工主轴两顶尖孔的同心度，一般应控制在0.01mm以内。经振动后研磨的顶尖孔接触部分的表面粗糙度应保证小于Ra0.04um。磨削时，顶尖孔与磨床尾顶尖的摩擦力不宜过大，也不要过小，主要靠操作者的手感。磨轮要保持十分锋利，并保证磨床床身温度稳定，砂轮转速平稳。经实践证明：只要方法得当，主轴零件圆柱面的圆度磨削后可达0.2um，表面粗糙度Ra小于0.08um。（三）精研在精磨达到预定指标后，精研是加工合格的主轴零件的最后工序。（1） 研具的准备根据测得精磨后的圆柱外径实际尺寸，做4至5跟实体研磨芯和研磨套。研磨套比研磨芯的外径大，其梯度为3um。弹性研磨套具有6个均匀分布的槽，一条为通槽，如图三所示。精磨主轴前，研芯与研套首先自行对研，使研套的实际尺寸比主轴待研圆柱外径实测尺寸大约2um，选用W2、W3钻石粉研磨膏作研料，以煤油加酒精的混合物作润滑剂，对研磨套的圆度应控制在0.5um以内。 （2）主轴的研磨将主轴零件装卡在车床上进行精研，主轴回转精度为2um，主轴转速控制在50至100r/min。零件对顶在机床上，使零件顺时针转动，研磨时，研磨套逆时针转动、研磨磨料选用W3金刚石研磨膏，用酒精或蒸馏水加经过滤的透平油混合剂作润滑剂。 由于精研过程是一个钢砂嵌在研套上，对零件表面进行多方位均化切削的过程。为此，在实际研磨过程中，切削力大小的控制是很重要的，主要凭操作者的经验。同时，切削的速度与机床的转速、工件与研磨套的间隙、磨料的力度、润滑剂的浓度等诸多因素均有关。一般情况下，开始研磨时，被加工零件表面粗糙度较大，切削力较大，工件转速以低为宜。在研磨过程中，研套也将同时受损。为此，要及时地修正研套，并调整研套与工件之间的间隙。尤其在最后阶段，切削里不可过大，否则会破坏工作的表面粗糙度和几何精度。添加已调好的研磨剂时，要均匀地涂在工件的表面上，不宜过厚，否则会发生塌边现象，也不宜过薄，不然会影响切削力和零件表面粗糙度。在研磨过程中，严禁工件表面忽干忽湿，在后期研磨时应以少加勤加为原则。 主轴经研磨其何形状精度测量达到要求后，再用W1金刚石粉研磨进一步提高精度和减小表面粗糙度。超精密零件的加工，除有正确的工艺的、方法外，对环境条件的控制也非常重要。如温度要控制在20，环境的清洁度也要保证。经过实践，我们共加工两根如图1所示的主轴零件，四个圆柱面精度符合要求，圆度均在0.1um以 内。(四)检测（1）平衡测试。1）使用CEMB 计算机平衡校正机，精确校验主轴平衡，并提供校騟记录。2）校验主轴平衡已达到ISO1940规范G1等级。 （2）跑合测试。1）采用计算机控制全自动跑合程序，提供温异过热保护及完整温升记录。 2）提供完整中文或英文温升记录表，更于工具机厂供国内外客户参考。 3）跑合方式可依主轴转速及特性设定运转测试时间，保证温度确实保护轴承。 4）出厂主轴均经完整跑合程序，缩知工具机厂于在线跑合时间，减少组装时间。参考文献1 盖玉