主轴加工的实施工艺过程

主轴加工工艺的要点有两个方面：加工精度要求高，尤其是主轴支承轴颈和莫氏锥孔的尺寸精度，两支承轴颈的同轴度及其锥孔的同轴度较高，是加工的关键；主轴是外表面为多阶梯的空心轴，而主轴毛坯一般是实心锻件，并有深孔加工问题。

主轴属于轴类零件，通常在加工外圆时应以顶尖孔为定位基准，以求各工序定位基准的统一。但是，深孔钻削通孔是粗加工工序，要切除大量金属，易造成主轴变形，故只能将钻深孔工序跟随在粗车外圆工序之后。但是在以后工序中顶尖孔已不复存在。因此，在成批生产中，需在通孔两端加工出因工艺需要的辅助工艺锥面，然后插入两个带顶尖的工艺锥堵或锥堵心轴，以便于安装主轴工件。

为了确保支承轴颈与锥孔的同轴度要求，通常采用互为基准原则来选择定位基面。

主轴的加工工艺路线大致安排如下：备料—锻造—正火—打中心孔—粗车—调制或时效—钻深孔—半精车—车锥孔—表面淬火—粗磨外圆—粗磨内锥孔—精磨内锥孔。表3-3所示为卧式车床主轴小批量生产的加工工艺过程。具体分析如下：

1.加工阶段的划分

由于主轴加工精度要求高，且切除的金属量较多，所以无论是小批生产还是大批生产，其加工工艺都被划分为比较明显的三个阶段：

（1）粗加工阶段：粗车外圆，钻深通孔等；

（2）半精度加工阶段：半精车外圆及两端锥孔，有时还扩中心通孔等；

（3）精加工阶段：半精车各段外圆，精磨各段外圆及锥孔等。

各阶段的划分往往以热处理为界。

对于普通机床的主轴，精磨是最终的工序。但是，作为精密机床的主轴，在精磨后还应有光整加工阶段。例如采用超精密磨削、镜面磨削、超精加工、双轮珩磨或研磨等加工方法。

表3-3　卧式车床主轴加工工艺过程

2.定位基准的选取

定位基准的选取与主轴加工的生产批量有关，见表3-4。现作如下分析。

表3-4　主轴工艺的定位基准

（1）加工顶尖孔的定位。批量大时，主轴毛坯一般采用模锻，各加工表面余量较均匀，且外圆面较平整，因此，不必划线找正，就以毛坯的外圆面作为粗基准。

（2）钻通孔工序。小批生产的加工在卧式车床上进行，定位夹紧方式只能是用三爪自定心卡盘夹工件主轴的大端外圆，再用中心架托住小端的外圆，尾座上夹持通用的麻花钻进行钻孔，此法生产率低。

当批量较大时，主轴的通孔加工可采用专用的深孔钻在专门的深孔钻床上进行。这样不仅提高了生产率，同时也能保证深孔中心不偏斜。所以，定位基准使用经粗车后的两支承轴颈。

（3）为了尽可能使各工序的定位基准统一，在批量生产中，一般都采用锥堵或带有锥堵的心轴，它们的结构如图3-4所示。当主轴内锥孔的锥度较小时，由于摩擦力可自锁，就用锥堵；当锥孔的锥度大时，就要用带锥套的心轴。

图3-4　锥堵及锥堵心轴

（a）锥堵；（b）锥堵心轴

使用时需注意以下两点：

①锥堵的锥面与顶尖孔之间肯定有一定的同轴误差。因此锥堵装上以后，直到磨内锥孔工序前才拆下，不允许中途更换或拆下。

②装配时不能用力过大，尤其对于壁厚较小的主轴，用力太大会使主轴变形。

（4）在精加工阶段，内锥孔和支承轴颈的磨削加工采用了互为基准的原则。磨内锥孔工序，最好是直接用两个支承轴颈作定位基准，但是，具体实施时会出现两方面的困难。一是主轴前支承轴颈往往是1∶12的圆锥面而不是圆柱面，给夹具设计带来了麻烦；二是使用过程中容易被拉毛或划伤。因此，实际生产中应用了靠支承轴颈最近的圆柱轴颈作为定位基准。当然，为了减小定位误差，用作定位的圆柱轴颈和支承轴颈应在一次安装中一起加工。

3.热处理工序的安排

热处理工序也是主轴加工的重要工序，用以改变主轴材料的金相组织从而获得必要的力学性能。根据所用材料的不同，应采用的热处理方法及所能达到的表面硬度如表3-5所列。

（1）预备热处理。即毛坯热处理，安排在粗加工开始之前。其作用为：消除锻造内应力，硬度一般应在150～250 HV（140～248 HBS）范围内。硬度过高，会加剧刀具磨损；硬度太低，则切削不易断开，会引起所谓黏刀现象。

表3-5　主轴的材料与处理

（2）主轴经粗加工后常安排调质处理（淬火后再进行500℃～650℃的高温回火）。这样可获得均匀细密的回火索氏体组织，使主轴达到既有一定的硬度及强度，又有好的冲击韧度的综合力学性能，使它能承受各种载荷和冲击。但是，调质处理后变形大，且出现较深的氧化皮，因此也将它用作预备热处理。

（3）最终热处理。其目的是提高表面硬度，即在保持主轴芯部韧性的前提下，使其支承轴颈和工作表面具有较高的耐磨性与抗疲劳强度，以保证主轴的工作精度及使用寿命。渗碳和渗氮都属于化学热处理。

①在加热的状态之下，将活性炭原子渗入低碳钢的表面层，使表面层获得高碳钢的性能，而内部仍保持低碳钢的性能，称为渗碳。控制渗碳时间的长短，可得到不同的渗碳层深度，可达到几个毫米。渗碳后还需经过淬火和低温回火。经淬火，使渗碳表层硬度有了较大提高，而且有时表面组织膨胀1%～1.5%，使表面层形成有益的压应力，从而使主轴获得了较高的抗弯曲疲劳性能。

主轴上各挡外圆轴颈有些是不必渗碳的部位，可以预留一定的加工余量，渗碳后把渗碳层再切去或者在不需要渗碳部位镀铜，可防止碳原子的渗入。(www.xing528.com)

②渗氮是在加热温度仅为500℃～600℃的情况下，把活性碳原子渗入渗碳钢38CrMoAlA的表面层，可形成硬度很高的氮化物。由于渗氮处理温度低变形小，且不需要再淬火，同时渗氮层产生了更大的压应力，使表层抗疲劳强度可提高15%～35%，但其深度仅有0.5mm左右，因此，渗氮处理安排在粗磨之后、精磨之前，而渗氮前主轴需先经过调质及消除内应力处理。对于不需要渗氮的部位，应镀锡。

（4）消除内应力处理。在主轴机械加工过程中适当安排人工时效以消除内应力。对于精度要求更高的主轴或轴类零件，消除内应力处理的次数要增加。

案例：图3-5所示为一阶梯轴，对该零件在CA6140车床上实施车削加工。

图3-5　阶梯轴

1.零件技术要求分析

该阶梯轴外圆公差等级为IT6和IT7，形位精度为6级和7级，表面粗糙度均为Ra0.8 μm，车削加工后要磨削加工才能达到图样要求。

图样上没有标注中心孔，但该零件较长，精度要求较高，在车削时需钻中心孔作为工艺基准保证零件精度。

2.加工工艺方案拟订

（1）合理选择装夹方式。根据轴类零件的形状、大小和加工数量不同，选择不同的装夹方法。用四爪单动卡盘夹紧力大，但找正费时，用于装夹大型或形状不规则的较短工件；三爪自定心卡盘装夹工件方便，但夹紧力不大，用于装夹外形规则、较短的中小型工件；两顶尖装夹工件方便，无须找正，装夹精度高，但刚度较差，会影响切削用量的提高，用于轴类工件的精车；一夹一顶装夹工件较安全方便，装夹刚度较高，能承受较大进给力，但装夹精度受卡盘精度影响，广泛用于轴类工件的粗车和半精车。本例工件由于车后还需磨削，因此，采用一夹一顶装夹工件为宜。

（2）准确控制径向尺寸。用试切法控制径向尺寸，是单件小批量轴类零件常用的方法。开动车床，移动床鞍和中滑板，使车刀刀尖接触工件，中滑板刻度盘对零，转动刻度盘，利用刻度盘控制背吃刀量，试切长度约2mm，向右移动床鞍，退出车刀，测量试切外圆尺寸，根据测量值调整背吃刀量。

车刀移动的背吃刀量与刻度盘转过的格数N的关系为

式中，N为刻度盘转过的格数；asP为背吃刀量mm；k为中滑板刻度盘转过一格中滑板移动的距离mm，刻度盘等分100格，横向进给丝杠导程为5mm，刻度盘转过一格时，中滑板移动5mm/100=0.05mm。

（4）正确使用车刀，合理选择车削用量。车削阶梯轴工件，通常使用90°外圆车刀。本例可对90°车刀前刀面磨倒棱，倒棱宽度为0.3mm，倒棱角为-5°，可增加切削刃强度，刀尖处磨rε=0.5mm刀尖圆弧，可增加刀尖强度，前刀面磨断屑槽，可有效断屑。粗车时，车刀装夹工作角度可取85°～90°，精车时取93°。

车削用量为：切削速度vc=80 m/min，背吃刀量asP=30mm-5mm，进给量f=0.5mm/r。

（5）正确使用量具和中心架。按测量工件尺寸选择千分尺规格，擦净测量面，检查零位线是否对准。测量时，需将两测量面与工件垂直，转动棘轮并轻微摆动，棘轮发出嗒嗒声时，读出工件尺寸。

较长零件一夹一顶车外圆，掉头车端面、钻中心孔时，需用中心架支承，以保证中心孔轴线与车床主轴轴线同轴度。中心架使用方法：三爪自定心卡盘夹持工件15～20mm，用百分表找正工件，中心架固定在轴端的导轨上。开动车床，工件转速为150～200 r/min，调整支承爪，与工件轻微接触时，用紧固螺钉固定支承爪。

（6）加工路线拟订。车各外圆、端面、车槽、倒角；铣键槽；钳工去毛刺；磨外圆。

3.加工步骤

（1）操作前检查、准备。润滑并检查车床：根据车床润滑系统图加油润滑；检查车床各手柄是否在规定位置；调整中、小滑板间隙松紧适应。

准备车刀：45°车刀、90°车刀和车槽刀装夹在刀架上，保证刀尖与工件中心等高，刀柄中心与主轴轴线垂直。钻夹头装中心钻φ2.5mm，钻夹头柄擦净后用力插入尾座套筒内。

准备量具：金属直尺、游标卡尺、外径千分尺、百分表。

（2）车右端面、钻中心孔。三爪自定心卡盘夹φ56mm外圆，车右端面，钻中心孔φ2.5mm。