主轴加工工艺分析

1.主轴的加工工艺过程

图5-2所示的车床主轴零件，该轴材料为45钢，其结构有台阶、螺纹、花键、圆锥等表面，而且是空心轴，精度要求比较高。其大批生产时的工艺过程如表5-1所示。

表5-1　主轴的加工工艺过程

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2.主轴加工的工艺特点

（1）加工阶段的划分

分析表5-1的加工工艺过程，可以将加工过程分为4个阶段：工序1～4为毛坯准备阶段；工序5～14为粗加工阶段；工序16～24为半精加工阶段；工序25～28为精加工阶段。较具特殊性的是调质和表面淬火两道热处理工序都安排得比较靠前，这是因为工序6切除了大部分余量，调质处理可紧随其后，将表面淬火提前，磨削莫氏6号锥孔后再进行精车，则是为了提高定位基准的精度和充分消除热处理后的变形。

（2）定位基准的选择与转换

轴类零件的定位基准，最常用的是两中心孔。因为轴类零件的内、外圆表面、螺纹、键槽等的设计基准均为轴心线，以两中心孔定位，不仅符合基准重合原则，同时符合基准统一原则，还能够在一次装夹中加工多处表面，使这些表面具有较高的相对位置精度。因此，只要有可能，总是尽量采用中心孔作为定位基准。但有时为了提高零件的装夹刚度，也采用一夹一顶（一头用卡盘夹紧，一头使用顶尖）定位。在车削锥孔时，用外圆定位是为了保证锥孔对支撑轴颈的径向圆跳动要求。磨削锥孔时，按基准重合原则，应选支撑轴颈定位，但由于支撑轴颈为圆锥面，为简化夹具的结构，故选择其相邻的有较高精度的圆柱表面定位。

由于空心轴在钻出通孔后就失去了中心孔，为了能继续用双顶尖定位，一般都采用带有中心孔的锥堵或锥套心轴。当主轴孔的锥度较小时，可用锥堵（如图5-3（a）所示）；当主轴孔的锥度较大或为圆柱孔时，则用锥套心轴（如图5-3（b）所示）。堵的中心孔既是锥堵本身制造的定位基准，又作为主轴加工的精基准，因此必须有较高的精度，其中心孔与圆锥面要有较高的同轴度要求。另外在使用过程中，应尽量减少锥堵的装拆次数，以减少安装误差。

图5-3　锥度与锥套心轴

（a）锥堵；（b）锥套心轴

在表5-1主轴工艺过程中，定位基准的选择与转换过程如下：以外圆面为粗基准，铣端面钻中心孔，为粗车外圆准备好定位基准；粗车好的外圆又为钻通孔准备了定位基准；之后加工前后锥孔，以便安装锥堵，为半精加工外圆准备基准。为提高主轴莫氏锥孔与外圆的同轴度，可互为基准加工对方。在外圆粗、精磨和键槽、花键、螺纹加工前先拆下锥堵，用外圆定位粗磨莫氏锥孔，重装上锥堵后再用两中心孔定位完成花键、螺纹及外圆的加工，最后，用精磨好的轴颈定位终磨莫氏锥孔。另外，为了提高定位基准的精度和消除高频淬火产生的变形，安排了反复修研顶尖孔。

（3）加工顺序的安排

在安排主轴的加工工序时，应以支撑轴颈和内锥孔的加工作为主线，其他表面的加工穿插进行，按先粗后精的顺序，逐步达到零件要求的精度。具体的工序安排还应注意：

①“基准先行”。前一工序应为后工序准备基准。首道加工工序是加工中心孔，为粗车外圆准备好基准，后续的工序也应如此，如表5-1中工序11钻通孔，之后加工两端锥孔并配锥堵，接着用锥堵中心孔定位钻大端轴向孔；工序20磨削莫氏锥孔，将基准精度提高后作为加工花键、螺纹和外圆各表面的精基准；精加工后的外圆表面又作为莫氏锥孔终磨的精基准。由此可以看出，整个工艺过程是贯穿“基准先行”原则的。

②先大端后小端。安排外圆各表面的加工顺序时，一般先加工大端外圆，再加工小端外圆，避免一开始就降低工件的刚度。

③钻孔工序的安排。钻通孔属于粗加工，应靠前，但钻孔后定位用的中心孔消失，不便定位。所以，深孔加工应安排在外圆粗车或半精车之后，这时就有较精确的轴颈定位（搭中心架用），避免使用锥堵。另外，钻孔要安排在调质之后进行，因为调质处理引起的工件变形较大（孔歪斜），而钻通孔无后续工序纠正这种歪斜变形，主轴孔的歪斜将影响加工时棒料的通过。钻孔不能安排在外圆精加工之后，因为钻孔加工是粗加工，发热量大，会破坏外圆的加工精度。

④次要表面的安排。主轴上的键槽、花键、螺纹、横向孔等都属于次要表面，它们一般都安排在外圆的精车或粗磨之后加工。因为如果在精车前就铣出键槽和花键，精车外圆时因断续切削而产生振动，既影响加工质量，又容易损坏刀具。另外，键槽的深度也难以控制。但是也不宜放在外圆表面精磨之后，避免破坏主要表面已获得的精度。

主轴上的螺纹是配上螺母后用来调整轴承间隙或对轴承预紧的，要求螺母的端面与主轴轴线垂直，否则会使轴承歪斜产生回转误差，另外会使主轴承受弯曲应力。这类螺纹的要求较高，若安排在淬火前加工，会因淬火而产生变形甚至开裂。因此，螺纹加工必须安排在局部淬火之后，且其定位基准应与精磨外圆的定位基准相同，以保证其与外圆的同轴度要求。对于高精度主轴上需要淬硬的螺纹，则必须在外圆精磨后直接用螺纹磨床磨出。

（4）主轴加工中的几个工艺问题

①主轴外圆的车削。

图5-4　多刀加工示意图

轴类零件的结构特点是阶梯多、槽多、精度要求较高，它的粗加工和半精加工都采用车削。在小批量生产时，多在卧式车床上加工，生产效率低。大批量生产时，常采用多刀加工或液压仿形加工。

多刀加工如图5-4所示，一般在半自动车床上进行。多刀复合加工走刀距离缩短、调整轴向尺寸辅助时间减少，可提高生产率。但调整刀具花费时间较多，而且切削力大，要求机床的功率和刚度也大。

图5-5所示是液压仿形车削的示意图。床鞍纵向进给，通过触头随样件4的形状移动，由液压随动阀5使油缸6驱动中滑板1跟随触头动作，从而车出工件的外圆轮廓。此时，切削各阶梯无须调整，生产效率高，质量较稳定。由于液压仿形系统具有通用性，加工对象变化时，更换样件就可适应加工，所以这种方法多用于中、小批量生产。(www.xing528.com)

目前生产中用数控车床加工多阶梯轴，不仅切削过程可自动进行，加工精度也高于液压仿形（一般为±0.01mm），而且只要改变数控程序和刀具即可适应加工对象的变化，所以对大、小批量的生产均适用。车削加工中心则更具有复合加工能力及自动换刀装置，可采用工序高度集中的方式加工。例如，车完各外圆后，就可换切槽刀加工沟槽，还可以更换铣刀铣键槽或平面、钻孔、攻螺纹等，除中心孔加工和磨削外，其余大部分表面都有可能在一次装夹中完成，使零件的生产周期大为缩短。

②中心孔的作用与修研方法实践证明，中心孔的质量对轴类零件外圆的加工有很大影响。作为定位基准，除了中心孔的位置会影响定位精度外，中心孔本身的圆度误差将直接反映到工件上去。图5-6所示为磨削外圆时中心孔不圆对工件的影响。受磨削力的作用，工件始终被推向一侧，砂轮与顶尖保持不变的距离为a，因此，工件外圆的形状就取决于中心孔的形状。

图5-5　液压仿形车削

1—中滑板；2—工件；3—床鞍；4—样件；5—随动阀；6—油缸

图5-6　中心孔对磨削外圆的影响

为了提高外圆表面的加工质量，修研中心孔是重要手段之一。轴的精度要求越高，需要修研中心孔的次数就越多。

图5-7　中心孔的修研

（a）用油石修研中心孔；（b）硬质合金顶尖

常用的中心孔修研方法如图5-7所示。图5-7（a）是用铸铁、油石或橡胶砂轮做成顶尖状作为研具，然后再用尾架顶尖将工作夹持在研具与顶尖之间，在中心孔里加入少许润滑油，在卡盘高速转动时，手持工件缓缓转动。该方法修研中心孔的质量好、效率高、应用较多，缺点是研具要经常修正。另一种方法是用硬质合金制成锥面上带槽和刃带的顶尖（如图5-7（b）所示）修研，通过刃带对中心孔的切削和挤压作用提高中心孔的精度。这种方法生产率高，但质量稍差。

③主轴莫氏锥孔的磨削。主轴锥孔对主轴支撑轴颈的径向圆跳动公差，是机床的主要精度指标之一，因此，磨削是关键工序。磨削主轴锥孔的专用夹具如图5-8所示。夹具由底座、支架及浮动夹头三部分组成。支架6固定在底座上，工件轴颈放在支架内的V形体上定位，其轴线必须与磨头中心等高，否则磨出的锥孔会产生双曲线误差。后端的浮动夹头锥柄2装在磨床头架主轴锥孔内，工件尾部插入弹性套5内夹紧，用弹簧8将夹头外壳9连同工件轴向左拉，通过钢球4压向带有硬质合金的锥柄2端面，限制工件的轴向窜动。这样，工件轴的定位精度将不受内圆磨床头架轴回转精度的影响。

图5-8　磨削主轴锥孔夹具

1—拨盘；2—锥柄；3—拨削；4—钢球；5—弹性套；6—支架；
7—工件；8—弹簧；9—夹头外壳

3.外圆表面的精密加工

当外圆的精度在IT5以上，或表面粗糙度为Ra0.2μm以下时，需要在精加工之后再安排精密加工或超精密加工。精密加工的主要方法有：

（1）研磨

研磨是在研具和工件之间放入研磨剂，施加一定的作用力并给予复杂的相对运动，通过磨粒和研磨液对工件表面的机械、化学作用，从工件表面切除一层极薄的金属而完成光整加工。研磨剂由磨粒加上煤油等调制而成，有时还加入化学活性物质，如硬脂酸或油酸等，可与工件表面的氧化膜产生化学作用，使被研磨表面软化，提高研磨效果。

研具材料应比工件软，常用铸铁、青铜等制成，其形状与工件形状相适应。研磨外圆时，研具为弹性套。手工研磨时，将工件装在车床卡盘或顶尖上，由主轴带动低速旋转，手持研具做往复直线运动。手工研磨简单、方便，但工作量大、生产率低，研磨质量与工人技术水平有关，一般适用于单件、小批生产。机械研磨在研磨机上进行，适于批量生产。

研磨的尺寸一般可达到IT6～IT4级形状精度（圆度为0.003～0.001 mm），表面粗糙度为Ra0.1～0.08μm。因研磨余量极小（一般为0.005～0.003 mm），又没有强制的运动约束，故不能提高工件的位置精度。

（2）超精加工

超精加工是用细粒度的油石，以较小的压力（约1.5 MPa）作用在工件表面上，并做3种运动（如图5-9所示）：工件低速转动、装在磨头上的油石沿工件轴向进给和高速往复振动。因此，磨粒在工件表面留下近似正弦曲线的复杂轨迹。在加工的初期，由于工件表面粗糙，只有少数的凸峰与油石接触，比压大，切削作用强烈；随着凸峰逐渐磨平，接触面积增大，比压降低，切削作用逐渐减弱，而摩擦抛光作用渐强；到最后，工件与油石之间形成液体摩擦的油膜，切削作用停止，完全是抛光作用。

超精加工可获得表面粗糙度Ra值为0.08～0.01μm，其加工余量为0.005～0.025 mm，但是它只能磨平工件表面的凸峰，不能纠正形状和位置误差。超精加工的生产率高，所用设备简单、操作简便，适于加工高精度的轴径以及滚动轴承的滚道等。

图5-9　超精加工

（3）精密及超精密磨削加工

精密磨削是指加工误差为1～0.1μm，表面粗糙度为Ra0.16～0.06μm的磨削工艺；而超精密磨削是指加工误差在0.1 μm以下，表面粗糙度为Ra0.04～0.02μm以下的磨削工艺；镜面磨削则是表面粗糙度达Ra0.01μm的磨削工艺。精密磨削的关键技术在于修整砂轮。如图5-10所示，普通砂轮表面每一颗磨粒就是一个切削刃（如图5-10（a）所示），由于这些磨粒不等高，较突出的磨粒在工件表面切出较深的痕迹，使加工表面粗糙。精细修整砂轮后，使磨粒形成更细的微刃，且具有等高性（如图5-10（b）所示）。当这种微刃达到半钝化状态时（如图5-10（c）所示），磨削的切削作用降低，但在压力作用下，能产生摩擦抛光作用，使工件获得很细的表面粗糙度。

图5-10　磨粒的微粒性和等高性

（a）砂轮磨粒；（b）微刃；（c）微刃的变化

超精密磨削采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料，用等高的微刃进行超微量切削；镜面磨削的特点是用半钝化的微刃对工件表面进行摩擦、挤压和抛光作用形成镜面，最后进行反复多次的无火花清磨。