选择车床主轴的热处理技巧

【情境导入】

车床已被广泛应用于机械加工中，车床主轴(图5-9)是车床极为重要的部件之一，其性能好坏直接影响车床的加工效果。为使车床主轴具有良好的稳定性，硬度、强度和韧性良好地配合，需要对车床主轴进行恰当的加工和热处理，使得主轴具有良好的使用性能。

图5-9　车床主轴

【讲一讲】

车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床，被广泛应用于机械加工中，具有不可或缺的地位。车床主轴是车床十分重要的结构件之一，主要用于支撑传动零件及传动扭矩。车床主轴的结构图如图5.10所示。

图5-10　主轴结构图

一、车床主轴的工作条件及性能要求

1.工作条件

①工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用。

②轴与轴上零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损。

③轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷。

④多数轴会承受一定的过载载荷。

⑤局部(轴颈、花键等处)承受摩擦和磨损。

2.性能要求

轴的失效方式主要是疲劳断裂和轴颈处磨损，有时也发生过载断裂，或者因发生塑性变形或腐蚀而失效。根据轴的工作条件及失效方式，轴的材料应具备如下性能：

①高的疲劳强度，防止轴疲劳断裂。

②优良的综合力学性能，即强度、塑性、韧性有良好配合，以防止过载和冲击断裂。

③局部承受摩擦的部位应具有高硬度和耐磨性，防止磨损失效。

④在特殊条件下工作的轴材料应具有特殊性能，如蠕变抗力、耐腐蚀性等。

二、车床主轴材料的选择

由上述车床主轴的工作条件和性能要求可选择40Cr作为主轴材料。

40Cr具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度极低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，一般在调质状态下使用，还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。

40Cr是使用最广泛的钢种之一，调制处理后用于制造中速、中载的零件，碳氮共渗处理后制造尺寸较大、低温中冲击韧度较高的传动零件。

三、车床主轴的加工工艺

主轴加工过程中的加工工序和热处理均会产生不同的加工误差和应力，因此要划分加工阶段，通常分为3个阶段。

1.粗加工阶段

①毛坯处理：备料，锻造，热处理(正火)。

②粗加工：锯除多余部分，铣端面，钻中心孔，粗车外圆。

目的：切除大部分余量，接近终形尺寸，只留少量余量，及时发现缺陷。

2.半精加工阶段

①半精加工前热处理：调质热处理。

②半精加工：车大端各部，车小端各部，钻深孔，车小端锥孔，车大端锥孔，钻孔。

目的：为精加工做好准备，次要表面达到图纸要求。

3.精加工阶段

①精加工前热处理：渗氮处理。

②精加工前各种加工：精车外圆，粗磨外圆，粗磨大端锥孔，铣花键，铣键槽，车螺纹。

③精加工：精磨外圆，粗磨外锥面，精磨外锥面。

四、车床传动轴热处理实验

(一)实验目的

①掌握车床传动轴热处理工艺。

②了解车床传动轴热处理步骤。

(二)实验内容(www.xing528.com)

传动轴热处理工艺。

(三)实验设备

①热处理炉。

②硬度计。

③装夹工具。

(四)实验步骤

在不同的加工阶段需要不同的热处理方法来配合，下面就对车床主轴的热处理工艺进行详细的叙述。

1.粗加工阶段的热处理：正火或退火

正火或退火的目的是消除锻造应力，细化晶粒，使金属组织均匀化，以利于切削加工。

·退火工艺：加热温度Ac3+(30～50)℃，保温时间120min，冷却方式为随炉冷却。

·正火工艺：加热温度Ac3+(30～50)℃，保温时间120min，冷却方式为空冷。

40Cr属于亚共析钢，退火和正火后都会得到铁素体+珠光体组织，由于空冷的冷速比随炉冷却的冷速大，正火得到的珠光体组织更为细小，因此具有更好的塑性和切削加工性能。

2.半精加工阶段的热处理：调质热处理(淬火+高温回火)

热处理工艺：870℃淬火，保温70min，油淬，500℃回火，保温100min，油淬。

如果调质热处理不当，会造成钢中存在较多的网络状、块状游离铁素体，从而使钢材的强度和冲击韧性下降。淬火温度偏低，回火温度过高是主要的不当操作。淬火时冷却速度缓慢，铁素体会从原奥氏体晶界优先析出，形成网状铁素体；钢在加热过程中，加热温度偏低或保温时间不足时，铁素体未完全溶于奥氏体中，淬火后形成块状游离铁素体。高温回火是一个碳原子扩散，颗粒状碳化物从马氏体中析出，以及消除马氏体痕迹的过程，因此淬火后组织存在的网状铁素体和块状游离铁素体无法在高温回火中消除而保留在调质处理后的组织中。铁素体的存在会降低组织的强度、硬度，直接影响疲劳断裂的程度。

40Cr的淬火选用油淬，Cr的存在会增加奥氏体的稳定性使C曲线右移，提高其淬透性，如果采用水淬，冷却速度太大，容易产生大的淬火内应力，使得材料开裂。

铬还会提高钢的回火稳定性，如果回火温度偏高，保温时间不足，组织转变就会不充分，铬在高温回火阶段会随着温度升高阻止马氏体的分解，从而影响碳化物的析出，高温回火后所得碳化物颗粒很少或分布不均匀，使得强度降低。

由上可知，适当提高淬火温度，增加保温时间，充分奥氏体化，降低高温回火温度，延长保温时间，使得碳化物充分析出均匀分布形成细密均匀回火索氏体组织。回火索氏体组织具有较高的强度和硬度，同时又具有比较好的韧性，从而提高材料的综合性能。

3.精加工阶段前的热处理：氮化处理或表面高频淬火处理

氮化是整个车床主轴制造过程的最后一道工序，氮化后只需对主轴进行精磨加工。氮化温度为480～570℃，氮化温度越高，扩散越快，获得的渗氮层越深，但当渗氮温度升高至600℃以上，合金氮化物发生强烈聚集长大而引起弥散度减小，表面硬度显著降低。

4.氮化层特性

①氮化层的硬度和耐磨性：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，合金元素会减小氮化层的深度，也会显著提高表面硬度。一般地，硬度高耐磨性相应也会升高。

②疲劳强度：氮化层不仅具有高的表面硬度和强度，而且析出体积较大的氮化物相，使氮化层产生较大的残余压应力，能部分抵消在疲劳载荷下产生的拉应力，延缓疲劳破坏过程，使疲劳强度显著提高。同时氮化还使缺口敏感度显著降低。

③红硬性：氮化层的抗回火能力一般可保持到氮化温度，所以氮化表面在500℃以下可长期保持高硬度。

5.表面高频淬火

表面高频淬火也可以使车床主轴表面获得高的硬度，满足其性能要求。

根据车床主轴的工作条件和所要求的性能，制订出对应的合理的加工工艺和热处理方案，使得车床主轴内部有良好的韧性和强度，外表面有很好的硬度和耐磨性，从而减少磨损，延长主轴的寿命和机械加工的稳定性。由此，使得车床有较高的加工效率。

【议一议】

活动：记一记车床主轴加工3个阶段包含的内容。

【做一做】

一、判断题(正确的打√，错误的打×)

1.车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件。(　)

2.车床主轴一般会承受一定的过载载荷。(　)

3.主轴加工过程包含粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段。(　)

4.车床主轴受力方向单一。(　)

5.车床主轴内部有良好的韧性和强度，外表面有很好的硬度和耐磨性。(　)

二、简答题

1.简述车床主轴的性能要求。

2.分析车床主轴加工过程中有哪些注意事项?

【评一评】

试用量化方式(评星)评价本节学习情况，并提出意见与建议。

学生自评：______________________________

小组互评：______________________________

老师点评：______________________________