车床主轴综合分析报告Word文件下载.docx
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主轴轴承是精密机床及类似设备的主轴轴承,它对保证精密机床的工作精度和使用性能。
以日本NSK主轴轴承产品为例:
精密主轴轴承包括精密角接触球轴承70系列、719系列、72系列,精密圆柱滚子轴承N10系列、NN30系列,精密滚珠丝杠支承用轴承TAC系列。
车床主轴零件的分析
(一)零件的功用
主轴的主要作用是把旋转运动及扭矩传递给工件或刀具。
主轴上可安装夹具、刀具或其它辅具,由其带动刀具或工件直接参与表面成形运动,它是刀具或工件的相对位置基准和运动基准,机床主轴制造质量的直接影响整台机床的工作精度和使用寿命。
主轴的主要特点是轴端悬伸量短,刚性好,操作方便,能快速装卸夹具(夹盘)。
主要应用于精密车床,高精度车床。
(二)零件加工中存在的问题
主轴是机床的重要部件,对高速精密机床来说,其加工精度在很大程度上取决于主轴系统的精度,它受主轴系统的几何精度、静态和动态刚度及热性能的影响。
因此,在机床设计中如何提高主轴系统的精度是机床设计的关键。
机床主轴回转精度是机床的主要精度指标之一,直接影响着被加工零件的加工精度及表面粗糙度。
机床主轴的回转误差是一项综合性的误差,是主轴在回转过程中实际回转轴线相对于理论回转轴线的漂移[2]。
轴类零件在生产中加工精度要求很高,在切削加工中存在共同的问题,即刚性差,加工容易产生颤振、刀具与工件之间的相对振动会使加工表面留下振纹、产生强烈的噪声、严重影响加工质量和危害操作者的身心健康;
而且由于颤振使切削截面、切削角度、切削力均发生变化,刀具易磨损、严重时会产生破损;
另外,由于切削颤振的发生,目前生产中往往以降低切削用量,比如减小切深和降低主轴速度为代价,致使机床、刀具的工作性能得不到充分发挥,限制了机械加工生产效率的提高,这对大批大量生产的制造厂家来说无疑是巨大的损失。
在毛坯材料确定后,其质量取决于加工质量,而加工质量是由加工设备的性能和工艺过程决定的。
通常,主轴的各阶外圆、倒角、圆根、越程槽、退刀槽以及锥面均是在车床上加工完成的。
在切削过程中,由于车床本身的原始制造误差和切削用量、刀具选择不当,引起振动,造成工件形位误差超差是生产中常见的问题。
设法改进加工工艺从而消除或减轻振动对工件加工质量的影响,对提高工件加工质量,保证零件合格率,有其重要意义
机床主轴性能要求分析
图1为C6132卧式车床主轴零件简图。
该轴承受交变弯曲应力与扭应力,但由于承受的载荷与转速均不高,冲击作用也不大,故具有一般综合力学性能即可。
但在主轴大端的内锥孔和外锥体,因常与卡盘、顶尖有相对摩擦;
花键部位与齿轮有相对滑动,故这些部位要求较高的硬度与耐磨性;
主轴在滚动轴承中运转,工作时因轴颈与轴承不发生摩擦,故轴颈无耐磨性要求。
图1C6132卧式车床主轴零件图
刘桂芝《影响机床主轴系统加工精度的分析》
三、选择车床主轴材料:
主轴是车床上传递动力的零件,传递着动力和各种负荷,它的合理选材直接影响整台车床的精度和使用寿命。
其主要实效形式如下:
1、受横向力并传递扭矩,承受交变弯曲应力和扭应力,常常发生疲劳断裂。
2、轴颈和花键等部位发生相对运动,承受较大的摩擦,轴颈表面产生过量的磨损。
3、承受一定的过载和冲击和载荷,产生过量弯曲变形,甚至发生折断或扭断。
所以所选的材料应满足:
良好的综合力学性能,即具有较高的强度刚度、足够的韧性、疲劳强度、变形小及对应力集中的敏感性低等性能以防止过载和冲击断裂,还要有良好的切削加工性,高的表面硬度和良好的耐磨性,以防止轴颈摩损。
在设计时要充分考虑:
1、主轴的工作特性和技术要求。
主轴的摩檫和磨损情况;
主轴的载荷大小和载荷性质。
2、主轴热处理的要求。
主轴的工作状况;
主轴精密度和光洁度;
主轴弯曲载荷和扭转力矩;
主轴转速;
主轴有无冲击载荷。
3、主轴热处理加工工艺实行的可能性以及经济性。
轴的常用材料为碳素钢和合金钢。
合金钢比碳素钢具有更高的机械性能和更好的热处理性能。
含不同合金的钢可获得各种特殊性能。
因此,对于载荷大并要求尺寸小,重量轻、耐高温或耐磨性、抗腐蚀性能要求高的轴可采用合金钢。
合金钢对应力集中的敏感性高,因此设计时应从结构上避免或减小应力集中,并降低其表面粗糙度的数值。
由于在常温下合金钢的弹性模量与一般碳素钢差不多,故选合金钢对提高轴的刚度没有实效。
而对形状复杂的轴可采用球墨铸铁。
球墨铸铁具有良好的吸振性和耐磨性,对应力集中的敏感性低,且价格低廉,加工性好。
但球墨铸铁的强度较低。
我们一般主轴承受交变弯曲应力和扭应力,在轻度或中等载荷、转速不太高,精度不很高,冲击、交变载荷不大的情况下,具有普通力学性能就能满足要求,一般采用45钢制造。
这类材料强度和塑形、韧性等综合机械性能较好,一般经正火、调质处理,而且材料来源方便,加工性、经济性好。
在主轴大端的内锥孔和外锥体,因常与卡盘、顶尖有相对摩擦;
花键部位与齿轮有相对滑动,故这些部位要求较高的硬度与耐磨性;
主轴在滚动轴承中运转,工作时因轴颈与轴承不发生摩擦,故轴颈无耐磨性要求。
钢轴的毛坯多数用轧制的圆钢和锻件。
锻件的内部组织比较均匀,强度较好,故重要的轴及大尺寸的轴或阶梯尺寸变化大的轴,应采用锻件。
综上,无其他特殊要求一般的车床主轴采用45钢锻件毛坯制造即可。
机床主轴材料
工作条件
材料
热处理
硬度
原
因
使用实例
1)与滚动轴承配合
2)轻载荷或中等载荷,转速低
3)精度要求不高
4)稍有冲击载荷,交变载荷可以忽略不计
45
调质处理
220~250HB
1)调质后,保证主轴具有一定强度
2)精度要求不高
一般机床主轴
2)轻载荷或中等载荷,转速略高
3)装配精度要求不太高
4)冲击和交变载荷可以忽略不计
调质后局部整体淬硬
42~47HRC
1)有足够的强度
2)轴颈及配件装拆处得到需要的硬度
3)简化热处理操作
4)不承受较大冲击载荷
龙门铣床,立式铣床
小型立式车床等的主轴
2)轻载荷或中等载荷,转速低[PV≤150N·
m/(cm2·
s)]
3)精度要求不很高
4)冲击,交变载荷不大
正火
170~217HB
1)正火或调质后保证主轴具有一定的强度和韧性
2)轴颈处有滑动摩擦,需要有较高的硬度
C650、C660、C8480等大重型车床主轴
调质
轴颈部分表面淬硬
48~53HRC
2)承受中等,转速较高
3)精度要求较高
4)交变,冲击载荷较小
40Cr(42MnVB)
淬硬
调质后局部淬硬
或
52~57HRC
1)为保证有足够的强度,选用40Cr调质
2)轴颈和配件装拆处得到需要的硬度
3)若无冲击力,硬度要求取高值
齿轮铣床,组合车床等的主轴
5)工作中受冲击载荷
40Cr(42MnVB)
1)调质后主轴有较高的强度和韧性
2)轴颈处得到需要的硬度
铣床,龙门铣床,车床等的主轴
1)与滑动轴承配合
2)承受中等载荷,转速较高[PV<400N·
3)承受较高的交变和冲击载荷
4)精度要求较高
250~280HB
2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬
3)配件装拆部分有一定硬度
车床主轴或磨床砂轮主轴(φ80mm以下)
轴颈部分表面淬火
装拆配件处表面淬硬
2)承受中等载荷,转速较[PV<400N·
s)]提高
4)精度要求更高
40Cr(42CrMn)
表面硬度
56~61HRC
磨床砂轮主轴
2)承受中等载荷或重载荷[PV<400N·
3)要求轴颈有更高的耐磨性
5)承受较高的交变,但冲击载荷较小
65Mn
1)调质后有较高的强度
2)表面淬硬后提高耐疲劳性能
3)获得较高的硬度,提高耐磨性
4)表面马氏体易粗大,冲击值低
≥59HRC
50~55HRC
6)表面硬度和显微组织要求更高
GCr15
9Mn2V
1)获得高的表面硬度和良好的耐磨性能
2)超精磨性好,粗糙度易降低
较高精度的磨床主轴
2)受重载荷,转速很高
3)精度要求极高,轴隙≤0.003mm
4)受很高的疲劳应力和冲击载荷
38CrMoAlA
正火或调质
1)有很高的心部强度
2)达到很高的表面硬度,不易磨损保持精度稳定
3)优良的耐疲劳性能
4)畸变量小
高精度磨床主轴,镗床主轴、坐标镗床等的主轴
渗氮
≥900HV
1)与滚动或滑动轴承配合,转速较低
2)受轻载荷或中等载荷
50Mn2
192~241HB
对于大直径主轴,当热处理设备或技术有困难时,可用此材料
重型机床主轴
2)受中等载荷心部强度不高,但转速很高
3)精度要求不太高
4)不大的冲击压力和较高的疲劳应力
20Cr
20MnVB
20Mn2B
渗碳后淬硬
56~63HRC
1)心部强度不高,受力易扭曲畸变
2)表面硬度高,适用于高速低载荷主轴
高精度精密车床,内圆磨床等的主轴
2)重载荷,高速运转
3)高的冲击力
4)很高的交变载荷
20CrMnTi
12CrNi3
1)很高的表面硬度冲击韧性和心部强度
2)热处理畸变比20Cr小
四、车床主轴的工作条件:
a.承受摩擦与磨损机床主轴的某些部位承受着不同程度的摩擦,特别是轴颈部位,因为轴颈与某些轴承配合时,摩擦较大所以此部位应具有较高的硬度仪增强耐磨性。
但是某些部位的轴颈与滚动轴承相配合摩擦不大,所以就不需要大的硬度。
b.工作中时承受载荷机床主轴在高速运转时要承受多种载荷的作用,如弯曲、扭转、冲击等。
所以要求主轴具有抵抗各种载荷的能力。
当主轴载荷较大、转速又高时,主轴还承受着很高的变交应力。
因此要求主轴具有较高的疲劳强度和综合力学性能即可。
(1)、支承轴颈的技术要求
主轴两支承轴颈A、B的圆度允差0.005毫米,径向跳动允差0.005毫米,两支承轴颈的1:
12锥面接触率>70%,表面粗糙度Ra0.4um。
支承轴颈直径按IT5-7级精度制造。
主轴外圆的圆度要求,对于一般精度的机床,其允差通常不超过尺寸公差的50%,对于提高精度的机床,则不超过25%,对于高精度的机床,则应在5~10%之间。
(2)、锥孔的技术要求
主轴锥孔(莫氏6号)对支承轴颈A、B的跳动,近轴端允差0.005mm,离轴端300mm处允差0.01毫米,锥面的接触率>70%,表面粗糙度Ra0.4um,硬度要求HRC48。
(3)、短锥的技术要求
短锥对主轴支承轴颈A、B的径向跳动允差0.008mm,端面D对轴颈A、B的端面跳动允差0.008mm,锥面及端面的粗糙度均为Ra0.8um。
(4)、空套齿轮轴颈的技术要求
空套齿轮的轴颈对支承轴颈A、B的径向跳动允差为0.015毫米。
(5)、螺纹的技术要求
这是用于限制与之配合的压紧螺母的端面跳动量所必须的要求。
因此在加工主轴螺纹时,必须控制螺纹表面轴心线与支承轴颈轴心线的同轴度,一般规定不超过0.025mm。
从上述分析可以看出,主轴的主要加工表面是两个支承轴颈、锥孔、前端短锥面及其端面、以及装齿轮的各个轴颈等。
而保证支承轴颈本身的尺寸精度、几何形状精度、两个支承轴颈之间的同轴度、支承轴颈与其它表面的相互位置精度和表面粗糙度,则是主轴加工的关键。
五、加工工艺路线:
车床主轴是把旋转运动及扭矩通过主轴端部的夹具传递给工件和刀具,要求有很高的强度及回转精度,其结构为空心阶梯轴,外圆表面有花键、电键等功能槽及螺纹。
故,生产主轴的工艺以及加工方法,对整个机械加工来说都有着非常重要的作用。
下料→备锻造毛坯→正火→机械粗加工→调质→机械半精加工车外圆+钻中心孔+铣键槽→锥孔及外锥体的局部淬火、回火→车各空刀槽+粗磨(外圆、锥孔、外锥体)+滚铣花键→花键高频淬火、回火→精磨(外圆、锥孔、外锥体)。
热处理工艺目的
钢的热处理工艺主要分为:
淬火、回火、正火、退火。
钢的淬火是将钢加热到临界温度(Ac3或Ac1)以上,保温一定时间使之奥氏体化后,以大于临街冷却速度进行冷却,过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的一种工艺过程。
回火工艺是根据零件材料的化学成分,淬火组织、零件的几何形状、保温时间和冷却方式等。
一般来说,淬火后还必须进行相应的回火处理,以实现以下几个方面:
(1)提高硬度和耐磨性
(2)提高强韧性(3)提高硬磁性(4)提高弹性(5)提高耐蚀性和耐热性
将金属及合金加热、保暖和冷却,使其组织结构达到或接近平衡状态的热处理工艺称为退火或正火。
退火一般在炉内缓冷,正火一般是空冷,主要应用于各类铸锻焊工件的毛坯或半成品以消除冶金及热加工过程中产生的缺陷,并为以后的机械加工及热处理准备良好的组织状态。
工艺部分过程和热处理分析
1、毛坯形成
毛坯的制造方法根据使用要求和生产类型而定。
毛坯形式有棒料和模锻两种。
前者适于单件小批生产,尤其适用于光滑轴和外圆直径相差不大的阶梯轴,对于直径较大的阶梯轴则往往采用锻件。
锻件还可获得较高的抗拉、抗弯和抗扭强度。
单件小批生产一般采用自由锻,批量生产则采用模锻件,大批量生产时若采用带有贯穿孔的无缝钢管毛坯,能大大节省材料和机械加工量。
在此一般选用模锻,以45钢为原材料。
2、锻造毛坯正火
目的:
锻造可成轴的毛坯和获得合适的加工流线。
而对于大锻件,截面较大的钢材、铸件,用正火来细化晶粒,均匀组织或消除魏氏组织,如果用退火,硬度太低,切削容易粘刀。
所以采用正火提高强度,消除毛坯的锻造应力,降低硬度以改善切削加工性能,以利于切削加工,并为下一步的热处理作组织准备。
热处理工艺:
850±
10℃,保温1.5h,空冷。
3、机械粗加工
4、调质
获得均匀细密的回火索氏体组织,细密的索氏体金相组织有利于零件精加工后获得光洁的表面。
同时,也使主轴具有良好的综合力学性能。
为了更好的发挥调质的效果,故安排在粗加工之后,在半精加工之前。
淬火840±
10℃,保温1.5h,水冷;
回火580±
10℃,保温2~2.5h,空冷。
5、半精加工
6、锥孔及外锥体的局部淬火
外锥体键槽部位不淬硬,应用石棉绳等物填充加以保护。
因内锥孔和外圆锥面常与卡盘,顶尖相对摩擦,所以要增加其耐磨性。
淬火900±
10℃,保温20min,水冷。
操作技巧:
采用超过45钢正常淬火温度的900℃进行快速加热,使锥孔及外锥体的表面快速达到淬火温度,进行淬火冷却,可以保证锥孔及外锥体表面的硬度和性能要求,又可减小锥孔及外锥体的局部加热对轴颈部位的影响,减小热处理变形量。
7、滚铣花键
8、花键高频淬火
花键部位采用高频感应加热淬火和回火,以保证其耐磨性和高的精度。
由于花键部位存在直角过渡,为避免淬硬层过深,应力集中造成尖角开裂,一般采用高频而不是中频设备进行淬火,淬硬层深度可达1~2mm。
同时,淬火后的及时回火,也能减缓尖角部位的开裂倾向。
9、精加工
10、其他
总之,由于轴较长,故锥部淬火应与花键淬火分开进行,这样可减少淬火变形,并且锥部淬火及回火后,需用粗磨来纠正淬火变形。
然后再进行花键的加工与淬火。
最后用精磨来消除总的变形,从而保证主轴的装配质量。
吴元徽《45钢制车床主轴的热处理工艺分析》南京工业职业技术学院
杨秀英刘春忠《金属学及热处理》机械工业出版社
六、结论:
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