浅析加工中心主轴加工工艺设计与改进

引言

随着科学技术不断发展，数控机床的发展越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速、高柔性化和模块化方向发展。数控机床的快速发展，新刀具、新材料和新制造过程的出现对数控机床的主轴提出了更高要求，它的优良直接影响机床的性能，要不断从主轴的加工方法和加工工艺上下功夫，不断改进以达到主轴的高运转精度、高速高刚性、高可靠性、低而稳定的操作温度等各方面要求。

2主轴加工工艺流程及改进前后对比

2.1主轴结构及主要技术要求

以加工中心TKP6511主轴为例，如图1所示。

零件名称：主轴零件号：Z104339 材料：38CrMoAlA 技术要求：7:24锥孔用标准规涂色法检查；锥面接触不低于工作长度的85%

热处理：Z; D0.5-900;螺纹部除外

毛坯：规格为025x1516 (冷拔钢）（包括试片料）

2.2改进后的主轴加工工艺流程

下料—正火—钻中心孔—粗车—稳定—钻通孔(深孔加工)—半精车外圆—扩铰各阶梯孔(深孔加工)—半精车7:24锥孔切试片—粗磨外圆—粗磨7:24锥孔—铣18H11对键槽-划-铣端键槽-划-镗-钳-探伤检查-粗磨18H11对键槽—半精磨外圆—半精磨7:24锥孔—氮化—半精磨7:24锥孔—半精磨外圆—车螺纹—磨端键槽—精磨孔Φ41H7及端面—精磨18H11对键槽—精磨外圆—精磨7:24锥孔—钳（倒键槽棱角）—研磨 —抛光—钳。

2.3工艺改进的主要内容

(1) 采用深孔钻床进行7:24主轴拉刀机构的通孔及阶梯孔的加工，大大缩短了主轴加工周期。

(2) 在主轴氮化前增加半精磨7:24锥孔，利用较精确的检测手段严格控制锥孔留量，有效保证氮化后精磨锥孔时氮化层的去除量，从而使主轴锥孔获得维氏硬度HV2900的硬度及0.5的氮层深度。

3主轴加工过程中热处理安排及作用

主轴材料选用氮化钢38CrMoALA优质合金结构钢。该钢含碳量使钢材具有足够的强度而Cr、Mo、 A1等合金元素能与碳形成复杂的弥散相，均匀地分布在基体中，当受到外应力作用时起着机械阻碍作用而强化。其中Cr的加入可显著地提高氮化层的硬度。提高钢材的淬透性及心部度，A1的加入可显著地提高氮化层的硬度和细化晶粒；Mo主要是消除钢材的回火脆性。

主轴氮化是热处理工艺中最后工序，为使主轴心部具有必要的机械性能，消除加工应力，减少氮化过程的变形，以及为获得最好的氮化层做组织准备，故主轴在氮化前需要进行适当的预先热处理。

3.1正火

一般地说氮化钢为了提高心部硬度可采用调质或正火处理。调质处理可获得回火索氏体组织，且调质状态氮化比正火状态氮化的冲击值（ak)高。但是正火处理可获得片状珠光体组织，且正火状态氮化比调质状态氮化有更好的表面硬度和硬度梯度，且更经济（正火前不需要冷加工），而主轴主要是承受耐磨，冲击軔性不是主要影响因素，因此选择正火处理。正火处理所产生的氧化脱碳层将导致氮化后脆性增加及硬度不足等弊病，故正火工序应留有足够的加工余量。

3.2稳定

正火后加工量很大，将产生很大的机械加工应力，为了消除粗车后的机械加工应力，减少氮化过程中的变形，增加一次稳定处理是很有必要的。

3.3探伤检査

利用超声波探伤仪检测主轴内部缺陷，如裂纹等；用磁力探伤仪检查主轴表面裂纹，这对主轴内部及表面裂纹等缺陷较早暴露，保证主轴质量是必要的。

3.4氮化

采用离子氮化炉可以获得均匀准确的氮化层深度及硬度，工件氮化后质量：

(1) 外观：氮化后工件表面呈银灰色无光泽；

(2) 硬度：氮化后工件表面硬度用维氏计测量，氮化后HV21000,磨削后HV2900 (磨削深度不能大于 0_15);

(3) 氮化层深度：工艺规定：深度沙56 mm;磨削后深度>0.5 mm。

(4) 变形：氮化变形要求振摆S0.08 mm;

(5) 脆性：1?2级为合格，现实生产中都能达到，经研磨后更好。

4主轴半精加工及精加工工艺过程析 4.1半精磨外圆

由于主轴需要经过氮化处理，为控制氮化层硬度及深度需要安排两次半精磨外圆工序。第一次半精磨在氮化前，目的为氮化处理打好基础。一方面根据用同样材料的圆柱体零件氮化后磨削所作实验得出氮化后磨削余量越大，氮化层的硬度降低得越多。氮化后磨削深度在0.15 mm以内，才能保证氮化层硬度在 HV900以上（见图2曲线示意图氮化后硬度-深度变化曲线）。另一方面氮化时虽然弯曲变形较小，但绝不能校正氮化前的变形，而只能比原来变形大，这就必须给氮化后的磨削留有足够的余量，以便能达到零件全长上直线度的要求。

4.3锥孔留量

如半精磨外圆所述，氮化层磨削深度在0.15 mm以内，才能保证氮化层硬度在HV900以上，因此第一次半精磨时锥孔轴向留量0.25~0.35;第二次半精磨锥孔留量0.1~0.15,见表1。

表1锥孔留量数据表

工序	锥孔轴向留量	锥孔法向留量	锥孔径向半径留量	锥孔径向直径留量
第一次半精磨	0.25-0.35	0.036^0.05	0.036-0.051	0.073^0.102
第二次半精磨	0.1-0.15	0.014-0.022	0.015^0.022	0.03-0.044

4.4磨对键槽18H11

采用花键磨床精磨对键槽18H11, —端顶涨芯中心孔，一端顶锥孔芯轴中心孔。这样磨削可使键槽向上，外圆的弯曲变形及机床导轨的直线度只影响槽底，对槽两侧面影响不大（图5)。如果使用导轨磨床加工，则由于机床导轨直线度及主轴自重引起的变形会影响键槽直线度（图6)。一般情况下使用花键磨床可以容易达到18H11对键槽的直线度、平行度各项要求。

4.5精磨外圆

主轴外圆精磨是在BHU50A万能磨上进行，采用方法是纵向走刀中心磨削法。影响主轴外圆圆柱度的主次因素见表2。

表2影响主轴外圆圆柱度的主次因素

序号	项目	主要项目原因分析		采取措施	允许界限
	机床	床头顶尖液压故障产生的振动		零件转动测试
1	机床	台尾顶尖因弹簧力小移动范围小；顶不住零件		用零件测磨	顶尖顶力3000 N
		卡规测量不准	磨损	目测
2	工具	卡规测量不准	与工件温差大	点温计	士4^〇C
		砂轮振动大，静平衡差		目测随处静止

4.6精磨锥孔

锥孔的跳动是加工中心机床的一项主要成品精度。锥孔加工最终要求：

(1) 锥孔对外径跳动应保证在主轴端部件0.005 mm,在300 mm处为0.01mm;

(2) 锥孔的接触面积为85%;

(3) 锥孔粗糙度如0.4,锥孔精加工方法有两种：一是留余量然后由装配自磨而使锥孔的接触达到最后成品精度_：二是加工过程中直接达到技术要求。采用瑞士内圆磨床精磨7:24锥孔，同时用高精度锥度量规 50S/T; 7:24 (1级）检测锥孔磨量及接触工作长度不小于85%,从而保证锥孔硬度及精度要求。

4.7研磨及抛光

研磨抛光是主轴最后光整加工。研磨可以获得很高的尺寸精度和很低的表面粗糙度。一般地说，研磨工具的材料比工件材料软，且组织均勻。最常用的是铸铁研具（图7),适用于加工各种工件材料和精研加工，能保证较好的研磨质量和较高的生产率，并且研具制造容易，成本也较低。在研磨过程中，研磨液不仅起调和磨料和润滑冷却作用而且还起着化学作用，加速研磨过程。它会附着在工件表面，使工件表面很快产生一层氧化膜，并起到磨平工件表面凸峰，保护工件表凹谷作用。主轴研磨时所使用的研磨剂成分为手白色氧化铝的白刚玉粉和煤油的混合剂。

主轴经研磨后尽管取得较好的尺寸精度及较低的表面粗糙度，但其表面出现嵌砂，并呈乌黑色，装配后磨损快，影响了主轴的切削精度。因此为消除主轴表面的研磨嵌砂，需采用主轴外圆表面抛光处理。主轴表面涂绿色的氧化铬，利用专用抛光具及改制车床进行抛光加工，效果非常好，主轴表面光亮美观且防腐蚀。

5主轴测量 5.1主轴锥孔7:24氮化前后留量检测

为保持锥孔精磨后氮化层硬度及深度，应严格控制锥孔氮化前后磨序留量。我们采用髙精度锥度量规 50S/T; 7:24 (1级）及深度游标卡尺，测量锥孔的轴向留量及用涂色法检测锥孔接触工作长度，如图8所

不。

5.2主轴外圆尺寸精度、圆度和圆柱度检测
主轴外圆尺寸用杠杆卡规检测。将主轴pllOh8MF抛光面全长尺寸分为17等份，用杠杆卡规按径向的 a、b、c、d的顺序位置分别测出直径方向上的尺寸（图9),将测得的数据列入镗杆检验记录表（表3)，a 向圆柱度误差为零，b向误差为2/i, c向误差为办，d向误差为如，将a、b、c、d四个方向综合来看，其中最大值和最小值之差，正是真正的圆柱度误差1.5//。如果主轴检验不合格或其中一项超差，则需继续研磨抛光直至合格为止。

表3镗杆检验记录表（单位：nm)

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
a	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10
b	11	11	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	9	9
C	10	9	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	8	10
d	11	9	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	9	9

另外检测时应注意室温和人体温度（手握卡规）对测量结果的影响，并注意剔除过失误差，减小测量误差的影响，尽可能使测量数值的准确。

6结束语

主轴加工是机械加工行业中的重点及难点课题之一，对其加工方法一直以来有许多的成熟经验，通过不断的学习和实践，不该改进，提升加工水平。对主轴加工还有诸如“如何降低深孔加工的成本”等课题，在今后的生产实践中将不断的总结及探索。

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