高精度镗床主轴的优化选材及制造工艺流程设计

论文（设计）题目：高精度镗床主轴的优化选材及制造工艺流程设计内容提要该设计针对高精度镗床主轴选材以及制造工艺流程进行优化，从常用的合金结构钢中通过性质对比选择出38CrMoAlA作为设计材料。根据主轴的尺寸参数以及刚度、强度、耐磨性等性能要求，通过查询相关文献以及设计手册，最终设计出主轴的制造工艺流程，在锻造之后进行预备热处理。然后进行粗加工，坯料进行锻造成型，再进行完全退火，粗加工后进行调质处理，再进行精加工进行气体二段渗氮，渗氮完成之后精磨研磨至设计精度控制范围得到所需主轴的尺寸。主轴的优劣会直接影响到整台机床的精度和使用寿命，进而影响到加工工件的质量和生产率，因此，必须保证主轴具备较高的刚度、强度、耐磨性，以及耐疲劳和精度稳定的性能。由于这种性能与主轴用材和热处理工艺有密切关系，所以必须通过合理地选材及热处理来保证主轴的使用性能要求，调质处理配合气体渗氮工艺，通过查询热处理工艺参数手册得出工艺参数，绘制出主轴的热处理工艺曲线。指导教师评语同意其参加答辩，建议成绩评定为。指导教师：年月日答辩简要情况及评语根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为。答辩小组组长：年月日答辩委员会意见经答辩委员会讨论，同意该毕业论文成绩评定为。答辩委员会主任：年月日 目录 摘要 .绪论现代制造业的各个领域都难以脱离高精度的机床，大到航空航天、国防武器、航母舰队的关键零件，小到机械手表。制造业的每一次大的迈步，都与机床制造精度的提升有着密不可分的联系。机床质量的好坏将影响到生产的产品质量。镗床能够保证所加工出来的孔具有很高的精度。包括高的直线度、圆柱度和位置度。镗床的镗杆对于刚度的要求很高，相比于钻床，镗床的加工精度以及表面质量都要更高，钻孔后对孔进行镗削可以提升零件的加工精度。主轴作为机床中最重要的零件之一，是机器的核心零件，提供机床主运动。应保证其刚度、强度、耐磨性、耐冲击性、热稳定性和抗振性等力学性能和高的原始几何精度,为了达到高精度的设计需要，主轴用材和热处理至关重要。高精度镗床主轴的设计主要按照强度来进行确定，同时考虑一定的耐磨性和韧度。主轴的品质直接影响机械的精度以及寿命，它在传递动力时要承受多种载荷。整台机床的精度和使用寿命都依赖于主轴的优劣，进而影响到加工工件的质量和生产率，因此，必须保证主轴具备较高的刚度、强度、耐磨性，以及耐疲劳和精度稳定的性能。由于这种性能与主轴用材和热处理工艺有密切关系，所以必须通过合理地选材及热处理来保证主轴的使用性能要求。1.1钢的强韧化机理1.1.1强化钢基本的强化机理主要分为四种：1.固溶强化。溶质原子进入金属晶格中形成固溶体强化金属，这个过程称为固溶强化。固溶强化的原因有以下几点：1)溶质原子与位错的之间存在弹性作用。当溶质原子进入基体晶格点阵中时，溶质原子与基体原子之间的存在物理差异，基体受到原子间的相互作用力而发生晶格畸变，在溶质原子附近出现弹性应力场。在应力场的作用下固溶体中的溶质原子在位错周围会发生偏聚，形成Cottrel气团。Cottrel气团对位错的钉扎增加了阻碍位错运动的阻力，宏观上强化金属。2)溶质原子与溶剂原子存在化学交互作用。一方面，溶质使得层错能降低，层错宽度增大，因此位错束集变得困难，提高金属的强度。另一方面，溶质原的进入会降低金属晶体的层错能，在扩展位错的层错区偏聚，形成铃木气团，同样增大了扩展位错运动的阻力，使得金属的强度提高。2.第二相强化。第二相强化分为沉淀强化(时效强化)和弥散强化两种。第二相粒子为可变粒子时的强化为沉淀强化，当位错运动切过第二相粒子时，增加了新的界面，又消耗了能量，同时产生了割阶，增大位错运动阻力，宏观上强化金属；第二相粒子为不可变粒子时的强化为弥散强化，当位错绕第二相硬粒子，会在粒子周围产生位错环，当位错环数量达到一定数量级之后，相当于一个位错塞积群从而阻碍后续位错的运动；同时由于位错环的塞积，相邻粒子间距不断减小，增大了位错运动的阻力，金属得到强化。在齿轮的热处理工艺中，热处理工艺对钢材的强化就是第二相强化中的时效强化。当钢材经过升温形成过饱和溶液之后，随着温度的降低，合金元素以一定的形式从过饱和溶液中析出，并在基体中形成沉淀相，导致沉淀强化，强化钢材，因此钢材经过热处理之后，能够得到一定的强化。3.细晶强化。细晶强化是指通过细化晶粒实现增加晶界数量、塑性变形抗力从而提高金属的强度。晶界处的点阵畸变严重，在晶界的两侧晶粒的取向、滑移方向、滑移面都存在不同，因此位错从一个晶粒进入另一个晶粒的阻力很大，如果晶粒要发生滑移，那么需要加大外加应力，才能观察到材料在宏观上的塑性变形。晶粒细化，单个晶粒尺寸小，晶界数目大量增加，受到的阻力也越大，需要的外加应力也越大，宏观上表现为增大了材料的强度。对于多晶体的强度与晶粒尺寸的关系，可用著名的Hall-Petch公式表示： σs=σ0根据Hall-Petch公式，晶粒平均直径d越小，多晶体的屈服强度σs越大。4.形变强化。形变强化也称位错强化，金属材料在再结晶温度下经过冷变形，材料强度硬度上升的一种强化。实质是冷变形后金属的位错密度增大，位错的交截，缠结概率增大，增大了位错运动的阻力，需要更大的外加应力才能进行位错的滑移，宏观上表现为增大了材料的强度。金属的塑性变形抗力的增加和位错密度的关系有如下公式[5]： ∆σ=αGbρ12 位错密度ρ增加，塑性变形抗力增大，宏观上表现在金属强度提高。1.1.2韧化金属材料韧化，也就是提高其断裂的抗力，提高金属材料的韧性有以下几种途径：1.改善延性断裂抗力。金属晶体内部微孔坑的形成长大会引发材料发生延性断裂，为减少微孔坑的形成，减少钢中第二相的数量是有效的办法，第二相在所占的体积分数越小，金属断裂韧度越大。改善延性断裂的另一种办法是提高基体的塑性，基体的塑性得到提高后，裂纹扩展塑性区宽度增大，从而提高延性断裂抗力。2.改善解理断裂抗力。细化晶粒有助于改善材料的解理断裂的现象。细化晶粒能够使得材料的晶粒尺寸减小，使得材料内部存在的位错塞积群数目下降，改善材料内部的应力集中，甚至使材料内部不发生应力集中，从而提高解理断裂的抗力。改善解理断裂的另一种方法是加入某些合金元素，例如加入一定量的镍元素能降低钢的韧脆转变温度，提高材料的韧性。3.改善沿晶断裂抗力。沿晶断裂主要是溶质原子和第二相质点在晶界处偏聚分布导致的，因此提高沿晶断裂抗力，需要防止溶质原子和第二相质点在晶界处的偏聚与分布，例如加入能与杂质原子交互作用的合金元素，加入能够减少杂质原子或者硫化物、磷化物在晶界析出的合金元素等。1.2主轴的工艺毛坯的选择：普通零件一般建议采用圆棒料和锻件，大型结构复杂的使用铸件。主轴热处理工艺：毛坯在进行机械加工前，需要进行正火或者退火。对于精度要求较高的轴类零件，在局部淬火或者粗磨后，为了保证尺寸上的稳定，需要进行低温时效处理。氮化钢还需要在氮化之前进行调质和低温时效处理，氮化钢在进行氮化之前需要进行调质和低温时效处理。轴需求精度越高，对于材料和热处理的要求越严格锻件使用的坯料应符合规定的要求，并进行超声波探伤检验，锻件的流线应分布均匀，对称，不允许有流线切断紊乱等现象。锻件需要先经过热处理，并且硬度需要达到符合规定的要求，最终的尺寸、形位公差、加工余量和表面粗糙度应当符合国标要求。钻镗类等的机床主轴结构，所受到的力以轴向力为主，刀杆或者刀具使用莫氏锥孔定义，锥孔或右端第一个扁孔传递扭矩，第二个扁孔用以拆卸刀具图1某型号镗床主轴末端的结构1.3主轴的失效轴类零件常见的失效形式有疲劳断裂以及轴颈处的磨损，有时也会发生冲击过载断裂，个别情况下会发生塑性变形以及腐蚀失效。具体的失效形式包括轴件的变形、断裂、表面失效。轴类零件的变形包括有弹性变形、塑性变形、高温蠕变。断裂现象包含静载断裂、疲劳断裂、冲击断裂、高温蠕变断裂这几种。轴体表面失效形式主要为磨损和腐蚀。作为设计者，可以通过各种技术手段对失效的机械零件进行分析，找出轴类零件发生失效的具体原因，改进主轴的设计和制造工艺，以获得更好的服役性能和使用寿命。图2主轴疲劳断裂、轴颈的磨损1.4设计的背景、意义和内容轴类零件的轴颈处对硬度、耐磨性有较高的要求；服役条件：传递扭矩，载荷具有交变性，还需要承受一定的冲击或者过载，有时还有弯曲、抗压载荷，由轴承支承。失效形式大部分为疲劳断裂，主要为断裂、疲劳断裂和过量变形。传统的材料及其工艺在生产过程中往往为了调高强度以及硬度就牺牲了韧性和塑性。反过来也是如此，所以在一些同时需要高强度和较好韧性的机械零件和工模具，传统的材料和工艺方法难以满足需求了。现代机械工业生产也正朝着高速高压高温重载的方向进一步发展，同时对于零件的使用性能、使用寿命有更高的要求。低碳生产、节能减排的生产要求也对热处理工艺的流程提出了挑战。选择主轴使用材料的基本思路：首先确定主轴工作时所承受应力的大小、循环周期要求和应力集中系数等参数，对材料的强度、韧性、疲劳极限等性能的要求，综合各方面的性能需求选择所需要的材料，根据前人的经验，通过查阅相关的设计手册，计算出相应的热处理工艺参数并且选择出合理的热处理设备，最终设计出工艺流程，并绘制出相关的热处理工艺曲线图。

2.优化选材材料与热处理的选择主要考虑的因素有：机床主轴轴颈及拆卸部位的磨损情况、零件精度和表面粗糙度的要求，工作状态下主轴所受到的载荷情况，包括载荷大小和性质、转速高低、周围环境、形状和尺寸、生产批量、材料力学性能以及经济性等。 在工作的时候主轴的载荷不大，冲击力也非常少；相比齿轮等零件，精密机床的主轴所受到的摩擦所造成的磨损相比齿轮更少，但也会受到交变的疲劳应力。高精度主轴在性能要求上最重要的要求就是高的精度，渗碳钢的渗碳处理后，变形没有一定的规律，不能满足主轴的高精度要求。所以应选择渗氮工艺配合渗氮钢，得到符合性能要求的工件。氮化钢的选取通常为中碳铬钼铝合金，其碳含量相对较低，氮化物经过表面氮化处理后具备有以下的特点：能够得到很高的表面硬度，无需进一步的热处理，耐磨性较好。零件不易发生咬死和擦伤。疲劳强度大幅度得到提高，对缺口的敏感性得到缓解。对抗水、油具备良好的抗腐蚀性，一定的耐热性能，温度在低于渗氮温度下受热依然具有较高的硬度。对于碳当量较低而对强度要求较高的大截面整锻主轴，当正回火难以达到技术要求时，我们可以通过调制热处理提高冷却速度、降低回火温度等热处理工艺实现提高性能的目的。精密机床主轴一般需要满足所要求的性能要求，还需要满足技术工艺性、经济性的要求。常选用的精密机床主轴用钢有：合金渗氮钢：一般选用38CrMoAlA，属于中淬透性合金调质钢，ReL>835MPaRm>980MPa（直径25mm淬透），油淬的临界直径为40~60mm，调质之后具有良好的综合力学性能渗氮后的表面具有良好的耐磨性，因为渗氮的温度较低，主轴畸变相对较小。合金渗碳钢：一般选用20CrMnTi钢，其属于中淬透性合金渗碳钢，调质后具有良好的综合力学性能ReL>835MpaRm>1100MPa（直径25mm淬透）。渗碳钢经过渗碳淬火、回火处理后表面硬度可以达到58~63HRC，具有较好的耐磨性，心部依然保持较高的强韧性。合金工具钢：一般选用9Mn2V钢。其属于低合金冷作模具钢，不含有Cr元素，价格较低，具有高的淬透性和耐磨性。Mn的加入使淬火后有较多的残留奥氏体，可使主轴淬火畸变减小；V的加入可以克服锰钢发生过热的缺陷，并且使得碳化物的分布更加均匀。淬火后硬度>62HRC。轴承钢：一般选用GCr15钢。其属于中淬透性合金钢，油淬临界直径为25mm，具有高的弹性极限和接触疲劳强度，高而均匀的硬度和耐磨性，拥有足够的韧性，同时在大气或者润滑剂中具有一定的耐蚀性，Cr的加入不但增加了钢的淬透性，也有利于低温回火的回火稳定性。２.１合金元素的作用常加入合金钢中的合金元素有Cr(铬)、Ni(镍)、Mn(锰)、Mo(钼)、Si(硅)、W(钨)、V(钒)、B(硼)、Nb(铌)等，为了增强某种性能，人们有时还会加入一些稀土元素。合金元素在钢中的作用是多个方面的，它对钢的作用大致有以下五种：(1)强化铁素体合金元素溶入铁素体之后，由于原子半径不同于铁原子的原子半径，铁素体晶格发生畸变，产生固溶强化作用。合金元素的含量不同，对铁素体韧性的影响不同，铬和镍的含量在适当范围内(Cr≤2.0%，Ni≤5.0%)，能够提高合金钢的强度和韧性。(2)形成合金碳化物当合金元素与碳形细小颗粒状碳化物并且均匀分布在钢的基体中时，钢的强度硬度提高。由于合金元素与碳的亲和力的不同，形成的碳化物可以分为两类，一类是合金渗碳体，另一类是特殊碳化物。一般弱、中强碳化物形成元素倾向于形成前者，而一些强碳化物形成元素更倾向于形成后者。特殊碳化物不易分解，比合金渗碳体更稳定。当形成的特殊碳化物在基体中呈弥散分布时，能够提高钢的机械性能。(3)细化晶粒几乎所有的合金元素都能够抑制奥氏体晶粒的长大，达到细化晶粒的目的。Al在钢中可以形成AlN和Al2O3细小质点，V在钢中形成V(N，C)细小质点，这些细小质点能够强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大，使合金钢获得精细的组织。(4)提高钢的淬透性除钴外，合金元素几乎都增加过冷奥氏体的稳定性，延迟珠光体的转变并使C曲线向右移动，从而减小钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。常用的提高淬透性的合金元素主要有Mo、Cr、Mn、V、B等。足够的淬透性，才能保证主轴具有足够的强度硬度。因此在保证性能的同时，钢材的选择应尽量选含有较多提高淬透性的合金元素的合金钢。(5)提高钢的回火稳定性合金钢在回火过程中，马氏体弥散度较大，所以钢在回火过程中硬度下降较慢。由于合金钢回火稳定性比较高，因此合金钢在较高温度下仍能保持高硬度和高耐磨性。红硬性即是金属材料在高温下保持高硬度的能力，这对一些钢具有重要意义。例如刀具在高速切削时，温度因为摩擦很高，若刀具材料的回火稳定性高，即使温度高，刀具仍然保持高的硬度和耐磨性，从而提高刀具的使用寿命。C：在钢材中，部分的碳元素可以在在基体中引起固溶强化，另外有一部分的碳元素与其他元素结合生成的碳化物可能引起二次硬化。两者结合可以达到提高钢的强度的目的。在碳含量高于0.4%时，钢的塑性韧性又会出现降低，所以在确保钢的强度达到设计要求的同时，应尽量降低C元素的含量。Cr：主要作用是提高淬透性，稍提高硬度、强度和韧性，对材料的抗腐蚀有益。铬元素溶入基体中可以引起固溶强化。研究表明，Cr含量低于6%时，可以提高金属的强度。铬元素还形成Cr7C3、Cr2C等碳化物提高硬度。作为碳化物形成元素，Cr可以在回火时候阻止M3C型碳化物长大，提高回火稳定性。Cr的碳化物相对稳定且不易长大，因此可以细化晶粒。Mo：有效地提高钢的淬透性，能降低钢中碳活度，细化晶粒。抑制钢中有害元素的偏聚，有效减轻回火脆性。同时Mo具有二次硬化的的作用。研究表明，Mo元素的二次硬化作用是由于[Mo-C]偏聚团形成G.P.区对二次硬化做出贡献，而后温度升高，G.P.区转变为Mo2C，Mo2C形核长大，引起二次硬化。Mo的二次硬化作用有一定的限度，研究表明，当Mo含量高于3%时，对二次硬化的作用不大。Al：Al能与够与钢中N形成大量弥散分布的AlN粒子，达到细化晶粒的作用。同时Al的加入可以降低缺口敏感性及韧脆转变温度。提高钢材的高温耐腐蚀性能，提高冲击韧性。图2部分合金元素对淬透性的影响2.2选择材料选择38CrMoAlA作为主轴材料，38CrMoAlA的合金元素成分和选择的主要理由有以下几点：表138CrMoAlA的合金元素成分钢号CSiMnCrMoAl38CrMoAlA0.35～0.420.20～0.450.30～0.601.35～1.650.15～0.250.70～1.10考虑到高精度镗床主轴后续渗氮的工艺流程，在材料的选择上采用适宜氮化处理的38CrMoAl，合金结构钢标准或者代号A33382，密度:7.85g/cm3。经过氮化处理后的氮化用钢具备以下特性：高硬度、高耐磨性；疲劳强度高，尺寸精度高且稳定性好。铝是强氮化物形成元素，在氮化后具备有高硬度且稳定的氮化层。其硬度可以达到900~1000HV。经过调质和表面氮化处理后钢材的表面硬度可以达到最高氮化层硬度。碳含量一般在0.5~0.45%，常用工艺为调质和氮化，38CrMoAl钢气体渗氮化合物层由ε+γ´相组成，表面不含有α相，而离子渗氮化合物层由γ´+ε+α相组成，表面会有约25%α相，以γ´相为主。合金结构钢的临界温度、退火和正火的工艺参数：临界温度Ac1=760℃、Ar1=675℃、Ac3=885℃、Ar3=740℃、Ms=360℃。退火温度840~870℃，硬度小于或等于229HBW，正火温度930~970℃。2.3渗氮钢渗氮钢在早期只有一个钢号，为含铝的铬钼钢，但随着技术的发展，渗氮钢的到了很大的发展。(1)含铝渗氮钢。目前为止，渗氮钢中的主要品种仍然是含铝的渗氮钢。为改善高铝含量对钢材产生的不利影响，世界各国开发了低铝氮化钢。这类钢的主要特点是：铝含量低；渗氮后渗氮层的硬度稍低；改善了冶炼和被切削加工性；渗氮速度快等。这一类钢[8]，有我国研制的25Cr2MoAl、30CrMoAl、30CrMnAl等；法国的30CAD6-03、30CAD6-06等；日本大同制钢的RDK401、RDK705等；前苏联的38X2Ю、30XT2HЮ等。(2)不含铝渗氮钢。无铝渗氮钢，用于生产专门的氮化钢，在成分设计上，主要是考虑钢的渗氮性能。例如，同样是Cr-Mo钢或Cr-Mo-V钢，为了获得渗氮层的最佳性能，其铬含量均比Cr-Mo系调质钢高。这一类钢[8]，我国曾研制的有25Cr2Mo；德国有31CrMo12、39CrMoV139、31CrMoV9等；前苏联的30X3MΦC、30X3MΦ1、25X2H2MΦ等；英国的897M39EN40等；法国的30CD12以及日本的MAC24等。(3)快速渗氮钢。以38CrMoAl为例，典型的渗氮钢，如果要获得0.5mm以上的渗碳层，那么渗氮时间一般需要50h以上，渗氮层的深度，主要取决于渗氮的温度和时间，但是当渗氮温度超过590℃时，表面硬度显著下降；如果延长渗氮的时间，不仅不经济，而且效果也会降低。因此需要一种既能加快渗氮速度又能提高表面强度的渗氮钢，这类钢典型代表有日本的N6钢和N7钢；前苏联的30X2T、30XT2H3Ю；还有我国曾研制过35MnMoAlV钢。(4)沉淀硬化型渗氮钢。在需要高强度的情况下，普通渗氮钢难以满足要求，因而开发了沉淀硬化型渗氮钢。在该钢的预热处理中，可以调节到适当的切割尺寸以便于加工成形，然后在氮化期间发生沉淀硬化以进一步固化钢。这类钢[8]有美国的NitalloyC，日本的NT-100、NT-200等。(5)易切削渗氮钢。为了改善渗氮钢的切削加工性，从而发展了一类易切削渗氮钢。这类钢一般是在渗氮钢中添加改善切削性能的元素如Se(硒)等。此类钢有美国的Nitralloy

EZ、ASTM

A355-70B；

德国的34CrAlS5等。2.4本章小结我国渗氮钢品种的发展相当缓慢，水平也相当落后。虽然研制了新型渗氮钢，但是未能巩固发展和应用于实际生产。按照JIS标准只有SACM645一种，几十年来沿用至今，显然这是不够的，所以还需要开发更多的渗氮钢。通过对氮化用钢38CrMoAlA、35CrMo、40CrV、40Cr钢的对比，钢中常添加的氮化元素有铝铌钒，除此之外铬钼钨也能形成相对稳定的氮化物。38CrMoAlA在经过调质和表面氮化处理后后具有更高的硬度，满足高耐磨性高精度的要求，在经过氮化处理之后不会出现脆性，钢材的表面硬度可以达到最高，氮化层硬度性能优异。还能使得零件抗水、油腐蚀的能力提高，适用于机床主轴。因此我们选择38CrMoAlA作为主轴的制造材料。

3主轴参数要求和工艺流程工艺规范应根据技术要求和主轴的形状来确定。一般要求渗氮层深度为0.35~0.50mm，表面硬度大于或等于900HV。需要满足设计图样的技术要求，产品的设计的合理性是确保热处理质量的首要环节，并且能提高产品工艺质量和稳定产品热处理质量。充分发挥金属材料的各种性能潜力，改善金属材料及其制品的可加工性，保证精密零件、精密量具的尺寸精度、几何精度的稳定性。进而对于机械产品的成本的控制和质量的保证具有极其重要的意义。机床主轴的热处理包括预备热处理与最终热处理。机床主轴的热处理质量对其使用性能与寿命影响很大，机床主轴预备热处理包括退火、正火及调质。轴类零件的细长比不宜过大，有利于减少变形，同时应考虑热处理时的装夹和吊挂，主轴的性能受材料、成型方法、热处理工艺、表面改性方法等多因素综合影响的作用,其中热处理工艺是影响数控机床主轴性能的重要因素,有必要深入研究不同热处理工艺对数控机床主轴性能的影响程度,为实际的数控机床主轴热处理方案设计和工艺控制提供参考。加工工序为:下料—锻造—退火—粗车—调质—精车—感应淬火—回火—渗氮—精磨研磨。主轴的工艺流程中每道工艺的主要作用如下。下料：得到所需尺寸的坯料。锻造：获得所需零件的大致形状，还能消除铸造的缺陷。退火:消除零件的的缺陷,消除锻造的应力,使得组织均匀细化,提升锻件切削加工性能,为后续的热处理工艺做准备。粗车：完成大部分的切削量，便于精加工的进行。调质处理是淬火和高温回火的联合操作。一般按实际需要，淬火后在稍低于Ac1点或500~680℃温度范围进行高温回火。调质的目的是为了提高主轴的综合力学性能，获得均匀的回火索氏体，为表面硬化做好组织上的准备。使主轴心部获得高的强韧性，表层获得高的硬度。同时有一个良好的硬度梯度，避免出现应力集中，并且减少热处理的畸变。精车：热处理后材料会发生轻微变形，精车之后可以获得尺寸精度较高的工件。感应淬火：是指使用一定频率的电流通过欲淬火件附近的导体（感应器），在磁场作用下使其表面产生感应电流而被加热，达到预期的温度后对其立即冷却的热处理工艺。可以使得零件具有高硬度的马氏体组织，而芯部依然能保持韧性和塑性较好的原来组织。去应力时效能够去除主轴在机械加工、铸造及焊接中形成的应力，减少热处理畸变。去应力时效主要包括高温时效和低温时效。渗氮：加强工件的耐磨性和硬度。精磨研磨：达到所需要的尺寸的要求，满足高精度镗床的需求。4主轴的机械工艺设计每次热处理变形都会对工件造成影响，因此需要对每一步热处理工艺的变形进行控制设法减少变形。减少对后续的机械切削加工造成过大的加工难度，导致生产效率的降低、生产成本的增加、带来不必要的材料浪费。工艺要求，粗车留精车4~6mm，精车留磨量0.9~1mm，精磨留精磨量0.06~0.10mm。非渗氮处每面留磨量0.40mm以上或涂覆防渗氮涂料。锻造参数的设计(1)锻造温度。锻造需要一定的温度加热，才能进行锻造。锻造的始锻温度不能过高，否则会引起过热导致晶粒粗大，或者过烧导致坯料报废；终锻温度不能过低，否则导致锻裂。常见的始锻温度和终锻温度见表。表2常见金属的锻造温度钢材种类始锻温度范围/℃终锻温度/℃温度范围/℃普通碳素钢1250~1280700580优质碳素钢1150~1200800400合金结构钢1100~1200800~850350合金工具钢1100770~800330碳素工具钢1050~1150800~850250~300根据表中数据，38CrMoAlA属于合金结构钢。确定始锻温度为1200℃，终锻温度为850℃。(2)锻造加热时间。锻造的加热时间见表３。表3不同种类钢的不同加热时间钢材种类加热时间(h/100mm)低碳钢、中碳钢、低合金钢0.66~0.77高碳钢、合金结构钢0.95~1.05碳素工具钢、合金工具钢、高合金钢1.20~1.40根据表4中确定合金成分含量，38CrMoAlA钢属于合金结构钢，通过表3可以得到38CrMoAlA钢的加热时间取1.00h/100mm，因此加热时间为2.40×(3)锻锻造设备以及吨位的确定。锻造设备以及吨位一般考虑锻件的材料尺寸等。部分锻造设备见表４。表4锻造设备的选择锻件类型规格/mm锻锤落下质量/t51235圆饼D/mmH/mm<200<30<250<50<300<100≤400<150≤500<200≤600≤300≤700≤300圆环D/mmH/mm<150≤60<350≤75<400≤100<500≤150<600≤200≤1000≤250≤1200≤300圆筒D/mmd/mmL/mm<150≥100≤165<175≥125≤200<250≥125≤275<275≥125≤300<300≥125≤350<350≥150≤400<700≥500≤550主轴锻件是圆筒锻件，根据锻件所需的尺寸选择对应质量为1t的自由锤锻。(4)锻后冷却采用空冷方式，随后进行正火+高温回火的预备热处理工艺。

5.主轴的热处理工艺设计5.1热处理工艺流程退火→调质→高温时效→渗氮退火：消除粗加工锻造过程所产生的应力。调质：对工件淬火后进行高温回火以提升综合力学性能。高温时效：人工对零件进行加热完成时效处理，以获得稳定的组织。渗氮：对工件表面处理，以达到设计所需要的硬度和耐磨性。调质处理是进行氮化处理前的关键热处理步骤，包括淬火和高温回火，淬火的温度是影响材料性能的关键，温度过高时，会导致加热过程中合金晶粒粗大，渗氮过程会形成波浪形或者网状的组织使得性能大幅降低。温度不够或者加热时间不够又会导致淬火不完全，合金中的铁素体含量高，会引起材料渗氮后的脆性增加。根据铁碳相图图3。图3Fe-Fe3C相图38CrMoAl属于亚共析钢，Ac3为885℃,淬火温度为Ac3以上30~50℃,主轴调质处理的淬火温度选用930~950℃。5.2预备热处理设计预备热处理的主要作用是消除上一道工序所存在的性能缺陷，目的是为下一道工序以及最终热处理所需的性能而做准备。进行切削加工之前需要进行完全退火，以消除锻造应力，降低硬度。调质属于复合热处理工艺，指工件淬火后进行高温回火，工件经过调质处理后可以得到均匀的回火索氏体组织，调质也为后续的热处理做好组织的准备。查《热处理工艺参数手册》完全退火加热温度为Ac3+30~50℃,选定完全退火温度为900~930℃，退火时间选择2~3h，退火后的冷却选择：随炉降温到550~350℃后出炉空冷。高温回火时间根据经验公式，如下所示： tn=Kn+上式中，KnAnD——有效厚度，单位为mm。查阅相关手册，Kn和A表5Kn和A回火条件300℃以上300~450℃450℃以上箱式炉盐浴炉箱式炉盐浴炉箱式炉盐浴炉Kn1201202015103An/min·mm10.410.410.4根据表中数据和参数，可以得出回火时间tn=120+1×125min=245min，约4h。在进行完粗车之后需要对工件进行高温时效处理，在630℃保温一段时间后随炉冷温度降低到350℃以下出炉空冷，可以降低由于粗车切削加工后所产生的残余应力。在外圆精车前进行调质处理，采用吊装方式装炉，调质处理一般选择多用炉进行淬火和回火，亚共析钢整体淬火的加热温度一般为Ac3+30~50℃，选定淬火加热温度为900~930℃。在淬火后将工件加热到稍低于Ac1点或500~680℃的温度范围，完成高温回火过程。应在外圆精磨前对工件进行渗氮，渗氮前的热处理工艺参数比如进行感应淬火、渗氮处理。淬火温度930℃冷却介质油回火温度620~650℃，硬度200~220HBW，金相检验要求距表面10mm处的铁素体体积分数含量<5%。5.2机床主轴调质工艺的设计回火加热温度与材料的选择，工件的性能要求、淬火后的实际硬度有关。对于存在第一类回火脆性的零件不应该选择200~350℃回火脆性温度范围回火。对于存在第二类回火脆性的零件，不应该选择在450~650℃回火脆性温度回火。根据表6选择合适的淬火和回火工艺参数。表6常用钢材调质工艺规范材料牌号淬火回火调质后硬度HBW温度/℃冷却介质温度/℃冷却介质35CrMo850~870油600~660空气250~28038CrMoAl930~950油620~690空气240~300GCr15840~860油650~700空气200~230选择淬火温度950℃，回火温度650℃。对于形状简单的轴类零件选择单介质油淬即可达到设计要求。为防止加热速度过快而引起变形可以将工件先随炉加热到850℃保温0.5h，之后再升温到950℃，然后保温3h后使用油淬。回火时间一般为淬火加热保温时间的1.2~1.6倍，零件尺寸较大时要适当增加回火时间，一般回火完成后采取空冷，如果是具有回火脆性大的材料，应在回火完成后在水或者油中冷却。5.3机床主轴的最终热处理机床主轴进行的最终热处理，整体淬火、局部淬火、渗碳淬火、感应淬火、以及气体渗氮、离子渗氮等。中频感应淬火和气体渗氮广泛运用于主轴表面强化处理。不同的表面硬化方法（表面淬火、渗碳和渗氮等）都对应有合适的硬化层深度和处理时间。渗氮后工件表面能形成一层氮化物，不需要再经过淬火就可以获得具有高的硬度、耐磨性、抗疲劳性，工件的形变非常小也具有一定的腐蚀性，通过所选的材料去确定渗氮的方式，渗氮方式由表7中可以选择。表7渗氮方法的种类渗氮方法优点缺点气体渗氮500~550℃渗氮，变形小；渗氮可控；设备简单，操作容易；适于形状复杂、渗层要求深的零件渗氮时间长，生产效率低液体渗氮570~580℃渗氮；渗氮过程速度快，效率高；适于薄层渗氮有公害，废液处理费用高离子渗氮520~570℃渗氮；渗氮过程速度快；效率高节约渗剂，节约能源，无公害；适于形状均匀大量生产单一零件设备投资费用高；温度不均匀，也不好测量气体氮碳共渗550~600℃渗氮；渗氮过程速度较快；适于较轻载荷零件；用于小批量零件和工模具心部硬度较低液体氮碳共渗530~570℃共渗，渗氮过程速度较快；适于较轻载荷零件大批量生产心部硬度较低5.4渗氮工艺的原理渗氮和碳氮共渗都是在温度达到钢的相变转变点温度727℃以下进行的，使得处理后的工件具有变形小、渗层薄以及硬度高等特点。渗氮广泛运用于机械零件以及工模具等要去硬化层薄、载荷较小而对变形要求严格且需要耐磨性的情况，同时渗氮也有其不足之处，生产的周期较长、效率相对较低、成本也相对较高、适用的钢种有限以及渗层脆性大。为此出现了碳氮共渗即软氮化的技术。碳氮共渗虽然在硬度表现上稍逊于渗氮工艺，但能缩短生产周期、提高生产效率、降低成本，氮碳共渗所适用的钢材几乎不受限制、脆性也得到明显的改善，大大地扩展了渗层氮碳共渗的应用范围。5.6渗氮工艺参数的设计离子渗氮的工艺参数：加热温度520~550℃保持时间8~15h，炉压266~532Pa，表面硬度HV0.1能达到888~1164，化学物层3~8μm总渗氮层深度0.35~0.45mm。高频感应渗氮的工艺参数：渗氮温度520~540℃渗氮时间3h,渗氮层的深度0.29~0.30mm，表面硬度可以达到1070~1100HV。选择常规渗氮，适合对硬度要求高、畸变小的工件；渗氮时间控制在20~100h，渗氮温度490~520℃。图538CrMoAl钢气体渗氮后化合物层各相的分布氮化层的厚度与合金元素的含量有关，合金元素的加入会使得渗氮层的厚度会减小，但是氮化后的工件表面缺口敏感性会降低，硬度与耐磨性会得到提高，氮化层的主要组织是α相以及和它共格联系或独立的氮化物，组织结构表层氮硬化层+芯部回火索氏体。渗氮工艺规范应该根据技术要求和主轴的形状来确定，一般要求渗氮层的厚度达到0.35~0.50mm，表面硬度>900HV。根据性能需求选择气体渗氮，采用两段式渗氮工艺：500~520℃×5h+550℃×25h，工艺要求渗氮层深度不低于0.45mm，脆性等级低于2级，表面硬度达到950HV以上。图638CrMoAl渗氮处理工艺曲线5.7质量检测渗氮和碳氮共渗后零件不得有裂纹、碰伤和铁锈等缺陷主轴加工完成后需要进行质量检测以此保证主轴的质量，在工艺参数中可能出现的缺陷也应该尽量避免，在生产加工过程中出现缺陷应该及时进行补救。对于主轴的检测项目包括有表面粗糙度、尺寸精度、表面硬度、相互位置精度、表面几何形状精度。对于主轴精度的检测的顺序一般由考虑先几何精度，然后检测尺寸精度最后对位置精度进行检测。检测的方法：硬度检测使用硬度计、表面粗糙度的检测使用触针式表面粗糙度轮廓仪或样板比较法、锥孔的质量检测使用着色法，尺寸精度使用常规量具进行检测。位置精度使用专用检测仪器。

6.结论与展望6.1结论本次高精度镗床主轴所选取的材料为38CrMoAlA合金钢，由于镗床需要高的精度，表面处理的渗碳工艺势必会导致工件变形，故选用氮化工艺，以达到高精度和高的表面硬度，配合氮化用钢达到最好的性能表现。本次设计的主轴的工艺流程为：根据主轴设计要求下料，对坯料进行锻造成型，再进行完全退火，粗加工后进行调质处理，在进行精加工进行气体二段渗氮，渗氮完成之后精磨研磨至设计精度控制范围。在机械加工工艺已经热处理工艺过程中，都应当按照设计工艺步骤流程进行，规范操作，加工过程中可能因为种种原因发生缺陷。当发生工艺缺陷的时候，应该及时进行补救，以避免最终造成主轴的报废。6.2展望高精度的机床一直是工业生产中的重要环节，高精度的镗床首先需要高精度和耐磨性的主轴，在制造机床高精度主轴的热处理工艺流程就显得尤为重要，通过对高精度镗床主轴的优化选材及制造工艺流程设计，提升主轴的生产效率降低生产成本，制造出世界一流的高精度机械加工设备，推动工业制造朝更高精度发展。