ca6140车床主轴机械加工工艺的设计

ca6140车床主轴机械加工工艺的设计内容摘要：

内应力以及淬火过程中所产生的应力和残余奥氏体，从而使主轴的金相组织和应力状态保持稳定（由于奥氏体在使用过程中会逐步转变为马氏体，是主轴产生微量膨胀变形，影响主轴的尺寸精度）。 在此之后再进行主轴的精加工。 主轴精度要求越高，则对材料及热处理要求越高，热处理次数也越多。 本课题CA6140 主轴采用 45钢经过正火、 调质和局部高频淬火后变能满足要求，而无需在采用更高的钢材，并且免去了低温时效的工序。 定位基准的选择 轴件加工中，为了保证各主要表面的相互位置精度，选择定位基准时应尽可能使其与装配基准重合和使各工序的基准统一，并且考虑在一次安装中尽可能加工出较多的表面。 轴类零件加工的精度指标是各段外圆的同轴度以及锥孔和外圆的同轴度。 CA6140 主轴的装配基准主要是前后两个支承轴径面，为了保证卡盘定位面以及前锥孔与支承轴颈面有较高的同轴度，应以加工好的支承轴颈为定位基准来终磨锥孔和卡盘定位面，这就能符合基准重合的原则。 但是为了避免支承轴颈被拉毛或损伤，并考虑到支承轴颈带有锥度，不便于夹具制造等因素，在实际生产中也有不选用支承轴颈作为定位基准，而是同和它靠近的圆柱轴颈作为定位基准的。 CA6140 的主轴毛坯是实心的，但最后要加工成空心轴，从选择定位基准面的角度来考虑，希望采用顶尖孔来定位，而把深入加工工序安排在最后；但深孔加工是粗加工工序，要切除大量金属，会引起主轴变形而影响加工质量，所以只好在粗车外圆之后就把深孔加工出来。 在成批生产中深孔加工之后，为了还能用顶尖孔作定位基准面，可考虑在轴的通孔两端加工出工艺锥面，插上两 个带顶尖孔的锥堵或带锥堵的心轴来安装工作。 为了保证支承轴颈与主轴内锥面的同轴度要求，在选择精基准面时，要根据互为基准的原则。 本课题中 CA6140 主轴在车小端 1： 20锥孔和大端莫氏 6号锥孔时用的是与前支承轴颈相邻而又是用同一基准加工出来的外圆柱面为定位基准面（直接用前支承轴颈作为定位基准面当然更好，但由于这轴颈有锥度，在制造拖架时会增加困难）；在工序 45 精车各外圆包括两个支承轴颈的 1： 12 锥度时，既是以上述前 后锥孔内所配锥堵的顶尖孔为定位基准面；在工序 50粗磨莫氏 6 号内锥孔时，又以两个圆柱面为定位基准面，这 就是符合互为基准原则的基准转换，由于定位基准面的精度比上工序有所提高，故这工序的定位误差有所减小；在工序 63 和 65 中，粗精磨两个支承轴颈的 1： 12 锥度时，再次以粗磨的锥孔所配锥堵的顶尖孔为定位基准，这就是在次转换，定位精度比前又有所提高；在工序 68中，最后精磨莫氏 6 号锥孔时，直接以精磨后的前支承轴颈和另一圆柱面为定位基准面，这又再一次转换，提高了定位精度，这些转换过程是提高的过程，使精加工前有精度较高的精基面，这完全符合互为基准的原则。 转换次数的多少，要根据加工精度要求而定。 根据上述分析可知，本课题 CA6140 的空心主轴，除顶尖孔外还有轴颈外圆表面并且两者交替使用，互为基准。 加工阶段的划分 由于主轴的精度要求高，并且在加工过程中要切除大量金属，因此，将主轴的加工过程根据粗、精加工分开原则来划分阶段，极为必要。 这是由于加工过程中热处理、切削力、切削热、加紧力等对工件产生较大的加工误差和应力，为了消除前一道工序的加工误差和应力，需要进行另一次新加工，不过这一次加工所带来的误差和应力总是要比前一次为小。 因此，加工次数增多以后，精度便逐渐提高。 精度要求越高加工次数越多。 由于粗加工之前，毛坯余量较大，而且 余量往往不均（如锻件的外形与加工后的形状相差较大且不均匀），因而在粗加工中需用大的切削力，并常常因此产生大量切削热，使主轴在加工中产生受力变形和热变形，而出现形状误差（如圆柱度误差）及大的加工应力。 故粗加工之后要进行半精加工（如半精车、精车等），这也是锻件毛坯要比棒料毛坯多车一次的原因。 此后即使不插入热处理工序，也还需要进行一些精加工，以提高精度，何况为了改善主轴的机械性能（如增加表面硬度），往往在半精加工（半精车或精车）之后进行淬火处理，因而又需进一步进行一系列的精加工（如磨削等）。 后一次加工所带来的切削 力和热量，均比前一次为小（因其余量逐渐减小），因而出现的误差和应力亦随之减小，这就是进行多次加工能提高精度的原因。 因此，粗、精加工不能同一次安装中完成，而应当把粗、精加工分别为两个工序或者在不同的机床上进行，最好粗、精加工间隔一些时间（一天或几天），让上道工序加工的内应力逐渐消失（自然时效）。 加工顺序的安排和工序的确定 具有空心和内锥特点的轴类零件，在考虑支承轴颈、一般轴颈和内锥等主要表面的加工顺序时，可有以下几种方案： ⑴外表面粗加工 —— 钻深孔 —— 外表面精加工 —— 锥孔粗加工 —— 锥孔精加工； ⑵外 表面粗加工 —— 钻深孔 —— 锥孔粗加工 —— 锥孔精加工 —— 外表面精加工； ⑶外表面粗加工 —— 钻深孔 —— 锥孔粗加工 —— 外表面精加工 —— 锥孔精加工； 针对 CA6140 车床主轴的加工顺序来说，可作这样的分析比较： 第一方案：在锥孔粗加工时，由于要用已精工过外圆表面作精基准面，会破坏外圆精度和表面粗糙度，所以此方案不宜采用。 第二方案：在精加工外圆表面时，还要再插上锥堵，这样会破坏锥孔精度。 另外，在加工锥孔时不可避免地会有加工误差（锥孔的磨削条件比外圆磨削条件差），加上锥堵本身的误差等就会造成外圆表面和内锥面的不同轴，故 此方案也不宜采用。 第三方案：在锥孔精加工时，虽然也要用已精加工过的外圆表面作为精基准面，但由于锥面精加工的加工余量已很小，磨削力不大；同时锥孔的精加工已处于轴加工的最终阶段，对外圆表面的精度影响不大；加上这一方案的加工顺序，可以采用外圆表面和锥面互为基准，交替使用，能逐渐提高同轴度。 经过这一比较可知， CA6140 主轴的轴件加工顺序，以第三方案为佳。 通过方案的分析比较也可看出，轴类零件各表面先后加工顺序，在很大程度上与定位基准的转换有关。 本课题 CA6140 主轴工艺过程，一开始就铣端面打中心孔，这是为粗车 和半精车外圆准备定位基准；半精车外圆又为深孔、加工准备了定位基准；半精车外圆也为前后的锥孔加工贮备了定位基准。 反过来，前后锥孔装上锥堵后的顶尖孔，又为此后的半精加工和精加工外圆准备了定位基准；而最后磨锥孔的定位基准则又是上工序磨好的轴颈表面。 为了保证主轴支承轴颈与大头端面及短锥间的相互位置精度，在最后加工时应在一次安装中磨出这些表面。 检验工序是保证质量，防止废品的重要措施。 检验工序一般安排在各加工阶段 的前后、重要工序的前后和花费工时较多的工序前后，总检验则放在最后。 6 主轴加工中的关键工艺 锥堵 和锥堵心轴的使用 对于空心的轴类零件，在深孔加工后，为了尽可能使各工序的定位基准面统一，一般都采用锥堵（闷头）或锥堵心轴的顶尖孔作为定位基准。 当锥度较大时，就用带锥度的拉杆心轴，当主轴锥孔的锥度比较小时，就常用锥堵，本课题 CA6140 主轴的锥孔分别为 1： 20 和莫氏 6号，锥度较小故选用锥堵。 如图 61 所示。 使用锥堵或锥堵心轴时的注意点 : ⑴一般不中途更换锥堵或锥堵心轴，也不要将同一锥堵或锥堵心轴卸下后再重新装上，因为不管锥堵或锥堵心轴的制造精度怎样高，其锥面和顶尖也会有程度不等的不同轴度误差，因此， 必然会引起加工后的主轴外圆表面与锥孔之间的同轴度误差。 如果在中途更换或卸下后再装上，就会在上述误差的基础上又增加了新的同轴度误差，使加工精度降低，特别在精加工时这种影响就更为明显。 ⑵用锥堵心轴时，两个锥堵的锥面要求同轴线，否则拧紧螺母后会使工件变形。 锥堵心轴结构比较合理，其特点是右端锥堵与拉杆心轴是一体的，其锥面与顶尖孔的同轴度较好，而左端有个球面垫圈，拧紧螺母时，能 保证左端锥堵与锥孔配合良好，使锥堵的锥面和工件的锥孔以及拉杆心轴上的顶尖孔，三者有较好的同轴度。 ⑶装配锥堵或锥堵心轴时，不能用力过大， 特别是对壁厚较薄的轴类零件，如果用力过大，会引起轴件变形，使加工后出现圆度误差等。 为防止这种变形，使用塑料或尼龙制的锥堵心轴有良好效果。 顶尖孔的研磨 对于实心轴或锥堵上的顶尖孔，因为要承受工件的重量和切削力的作用，而常会磨损；并且工件在热处理时，顶尖孔也会随之变形。 因此，在热处理工序之后和 图 62 锥堵 图 61 锥堵 磨削加工之前，对顶尖孔要进行研磨，以消除误差。 研磨顶尖孔的方法，常用的有以下几种： ⑴用铸铁顶尖研磨。 ⑵用油石或橡胶砂轮研磨。 研磨时先将圆柱形油石或橡胶砂轮夹在车床的卡盘上，用装在刀架上的金刚石将油石或橡胶砂轮前端修整成顶 尖形状（ 60176。 圆锥体），接着将工件顶在油石或橡胶砂轮顶尖和车床后顶尖间（图 62），在加上少量润滑油（柴油或轻机油），然后开动车床使油石或橡胶砂轮转动，进行研磨。 研磨过程中，用手把持工件并使它连续而缓慢地转动。 ⑶用中心孔磨床磨削。 中心孔磨床的磨头结构原理如图 63 所示。 磨头机构要求砂轮主轴具有三种运动： ①主切削运动； ②行星运动； ③往复运动： 砂轮磨料采用白刚玉或铬钢玉；硬 度中软（ ZR2）；粒度则要依顶尖孔的表面粗糙度和生产率来选择，中心孔表面粗糙度能达到 ，以这种中心孔定位磨削轴 件外圆，其外圆圆度误差可以减少到 mm，并且 有较高的生产率，适与批量生产。 据以上各方法分析比较针对本课题 CA6140 车床主轴整体结构及工装要求中心孔的研磨则采用这种磨削方法。 组合磨削 组合磨削或称多片砂轮磨削，是利用增大磨削面积以提高磨削效率的一种有效措施。 一台磨床上安装几片砂轮（有多达 10 片以上的），可以同时加工零件的几个表面，在汽车、拖拉机制造业中用来加工曲轴、凸 轮轴等甚为普遍，机床制造业亦 图 62 用油石研磨顶尖孔 图 63 中心孔磨头简图 常应用。 它的优点除了提高生产率外，相对地还能减少磨床数量，减少机床占地面积，节省劳动力，并能保证工件有较好的同轴度。 本课题 CA6140 主轴的前后轴颈锥面、短锥面和前端的精加工，均采用组合磨削的方法，如图 64所示。 磨削的方法： ⑴先粗磨前后轴颈锥面，磨完后进行砂轮精细修整； ⑵分两种工位进行精磨，第 I 工位精磨前后轴颈锥面，完成后，工作台带着主轴移到第 II共位，用设计图纸规定的角度成型砂轮，先后磨削主轴前端支承面和短锥面。 采用组合磨削时，由于是磨削锥轴颈，并且前后两锥 轴颈是同时进行的，因此有较大磨削力和轴向推力，所以改装或设计组合磨床时，要注意增强机床的刚度。 此外，砂轮修整质量直接影响主轴表面的加工质量，因此也要很好解决修整砂轮的问题。 深孔加工 一般孔的深度与孔径之比 L/d＞ 5 就算深孔。 各种枪孔 ,炮孔是典型的深孔。 CA6140 主轴内孔 L/d≈ 18，属深孔加工。 深孔加工要比一般的孔加工困难和复杂些 ,因为孔的深度增大以后 ,刀杆较长 ,刀具钢度变差 ,容易引起振动和钻偏孔；其次是刀刃在工件深处进行切削。 冷却液不易注入切削区 ,散热条件差 ,使刀具很快磨损。 加上图 64 CA6140 主轴的组合磨削 切削难于排出 ,容 易堵塞而无法连续。