引言

随着科学技术不断发展，数控机床的发展越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速、高柔 性化和模块化方向发展。数控机床的快速发展，新刀具、新材料和新制造过程的出现对数控机床的主轴提 出了更高要求，它的优良直接影响机床的性能，要不断从主轴的加工方法和加工工艺上下功夫，不断改进 以达到主轴的高运转精度、高速高刚性、高可靠性、低而稳定的操作温度等各方面要求。

2主轴加工工艺流程及改进前后对比

2.1主轴结构及主要技术要求

以加工中心TKP6511主轴为例，如图1所示。

零件名称：主轴 零件号：Z104339 材料：38CrMoAlA 技术要求：7:24锥孔用标准规涂色法检查；锥面接触不低于工作长度的85%

热处理：Z; D0.5-900;螺纹部除外

毛坯：规格为025x1516 (冷拔钢）（包括试片料）

2.2改进后的主轴加工工艺流程

下料—正火—钻中心孔—粗车—稳定—钻通孔(深孔加工)—半精车外圆—扩铰各阶梯孔(深孔加工)—半精车7:24锥孔切试片—粗磨外圆—粗磨7:24锥孔—铣18H11对键槽-划-铣端键槽-划-镗-钳-探伤检查-粗磨18H11对键槽—半精磨外圆—半精磨7:24锥孔—氮化—半精磨7:24锥孔—半精磨外圆—车螺纹—磨端键槽—精磨孔Φ41H7及端面—精磨18H11对键槽—精磨外圆—精磨7:24锥孔—钳（倒键槽棱角）—研磨 —抛光—钳。

2.3工艺改进的主要内容

(1) 采用深孔钻床进行7:24主轴拉刀机构的通孔及阶梯孔的加工，大大缩短了主轴加工周期。

(2) 在主轴氮化前增加半精磨7:24锥孔，利用较精确的检测手段严格控制锥孔留量，有效保证氮化后 精磨锥孔时氮化层的去除量，从而使主轴锥孔获得维氏硬度HV2900的硬度及0.5的氮层深度。

3主轴加工过程中热处理安排及作用

主轴材料选用氮化钢38CrMoALA优质合金结构钢。该钢含碳量使钢材具有足够的强度而Cr、Mo、 A1等合金元素能与碳形成复杂的弥散相，均匀地分布在基体中，当受到外应力作用时起着机械阻碍作用而 强化。其中Cr的加入可显著地提高氮化层的硬度。提高钢材的淬透性及心部度，A1的加入可显著地提 高氮化层的硬度和细化晶粒；Mo主要是消除钢材的回火脆性。

主轴氮化是热处理工艺中最后工序，为使主轴心部具有必要的机械性能，消除加工应力，减少氮化过 程的变形，以及为获得氮化层做组织准备，故主轴在氮化前需要进行适当的预先热处理。

3.1正火

一般地说氮化钢为了提高心部硬度可采用调质或正火处理。调质处理可获得回火索氏体组织，且调质 状态氮化比正火状态氮化的冲击值（ak)高。但是正火处理可获得片状珠光体组织，且正火状态氮化比调 质状态氮化有更好的表面硬度和硬度梯度，且更经济（正火前不需要冷加工），而主轴主要是承受耐磨，冲 击軔性不是主要影响因素，因此选择正火处理。正火处理所产生的氧化脱碳层将导致氮化后脆性增加及硬 度不足等弊病，故正火工序应留有足够的加工余量。

3.2稳定

正火后加工量很大，将产生很大的机械加工应力，为了消除粗车后的机械加工应力，减少氮化过程中 的变形，增加一次稳定处理是很有必要的。

3.3探伤检査

利用超声波探伤仪检测主轴内部缺陷，如裂纹等；用磁力探伤仪检查主轴表面裂纹，这对主轴内部及 表面裂纹等缺陷较早暴露，保证主轴质量是必要的。

3.4氮化

采用离子氮化炉可以获得均匀准确的氮化层深度及硬度，工件氮化后质量：

(1) 外观：氮化后工件表面呈银灰色无光泽；

(2) 硬度：氮化后工件表面硬度用维氏计测量，氮化后HV21000,磨削后HV2900 (磨削深度不能大 于 0_15);

(3) 氮化层深度：工艺规定：深度沙56 mm;磨削后深度>0.5 mm。

(4) 变形：氮化变形要求振摆S0.08 mm;

(5) 脆性：1?2级为合格，现实生产中都能达到，经研磨后更好。

4主轴半精加工及精加工工艺过程析 4.1半精磨外圆

由于主轴需要经过氮化处理，为控制氮化层硬度及深度需要安排两次半精磨外圆工序。次半精磨 在氮化前，目的为氮化处理打好基础。一方面根据用同样材料的圆柱体零件氮化后磨削所作实验得出氮化 后磨削余量越大，氮化层的硬度降低得越多。氮化后磨削深度在0.15 mm以内，才能保证氮化层硬度在 HV900以上（见图2曲线示意图氮化后硬度-深度变化曲线）。另一方面氮化时虽然弯曲变形较小，但绝不 能校正氮化前的变形，而只能比原来变形大，这就必须给氮化后的磨削留有足够的余量，以便能达到零件 全长上直线度的要求。

4.3锥孔留量

如半精磨外圆所述，氮化层磨削深度在0.15 mm以内，才能保证氮化层硬度在HV900以上，因此次半精磨时锥孔轴向留量0.25~0.35;第二次半精磨锥孔留量0.1~0.15,见表1。

4.4磨对键槽18H11

采用花键磨床精磨对键槽18H11, —端顶涨芯中心孔，一端顶锥孔芯轴中心孔。这样磨削可使键槽向 上，外圆的弯曲变形及机床导轨的直线度只影响槽底，对槽两侧面影响不大（图5)。如果使用导轨磨床加 工，则由于机床导轨直线度及主轴自重引起的变形会影响键槽直线度（图6)。一般情况下使用花键磨床可 以容易达到18H11对键槽的直线度、平行度各项要求。

4.5精磨外圆

主轴外圆精磨是在BHU50A磨上进行，采用方法是纵向走刀中心磨削法。影响主轴外圆圆柱度的 主次因素见表2。

4.6精磨锥孔

锥孔的跳动是加工中心机床的一项主要成品精度。锥孔加工最终要求：

(1) 锥孔对外径跳动应保证在主轴端部件0.005 mm,在300 mm处为0.01mm;

(2) 锥孔的接触面积为85%;

(3) 锥孔粗糙度如0.4,锥孔精加工方法有两种：一是留余量然后由装配自磨而使锥孔的接触达到最后 成品精度_：二是加工过程中直接达到技术要求。采用瑞士内圆磨床精磨7:24锥孔，同时用高精度锥度量规 50S/T; 7:24 (1级）检测锥孔磨量及接触工作长度不小于85%,从而保证锥孔硬度及精度要求。

4.7研磨及抛光

研磨抛光是主轴最后光整加工。研磨可以获得很高的尺寸精度和很低的表面粗糙度。一般地说，研磨 工具的材料比工件材料软，且组织均勻。的是铸铁研具（图7),适用于加工各种工件材料和精研加 工，能保证较好的研磨质量和较高的生产率，并且研具制造容易，成本也较低。在研磨过程中，研磨液不 仅起调和磨料和润滑冷却作用而且还起着化学作用，加速研磨过程。它会附着在工件表面，使工件表面很 快产生一层氧化膜，并起到磨平工件表面凸峰，保护工件表凹谷作用。主轴研磨时所使用的研磨剂成分为 手白色氧化铝的白刚玉粉和煤油的混合剂。

主轴经研磨后尽管取得较好的尺寸精度及较低的表面粗糙度，但其表面出现嵌砂，并呈乌黑色，装配 后磨损快，影响了主轴的切削精度。因此为消除主轴表面的研磨嵌砂，需采用主轴外圆表面抛光处理。主 轴表面涂绿色的氧化铬，利用专用抛光具及改制车床进行抛光加工，效果非常好，主轴表面光亮美观且防 腐蚀。

5主轴测量 5.1主轴锥孔7:24氮化前后留量检测

为保持锥孔精磨后氮化层硬度及深度，应严格控制锥孔氮化前后磨序留量。我们采用髙精度锥度量规 50S/T; 7:24 (1级）及深度游标卡尺，测量锥孔的轴向留量及用涂色法检测锥孔接触工作长度，如图8所

不。

5.2主轴外圆尺寸精度、圆度和圆柱度检测
主轴外圆尺寸用杠杆卡规检测。将主轴pllOh8MF抛光面全长尺寸分为17等份，用杠杆卡规按径向的 a、b、c、d的顺序位置分别测出直径方向上的尺寸（图9),将测得的数据列入镗杆检验记录表（表3)，a 向圆柱度误差为零，b向误差为2/i, c向误差为办，d向误差为如，将a、b、c、d四个方向综合来看，其 中值和最小值之差，正是真正的圆柱度误差1.5//。如果主轴检验不合格或其中一项超差，则需继续研 磨抛光直至合格为止。

另外检测时应注意室温和人体温度（手握卡规）对测量结果的影响，并注意剔除过失误差，减小测量 误差的影响，尽可能使测量数值的准确。

6结束语

主轴加工是机械加工行业中的重点及难点课题之一，对其加工方法一直以来有许多的成熟经验，通过 不断的学习和实践，不该改进，提升加工水平。对主轴加工还有诸如“如何降低深孔加工的成本”等课题， 在今后的生产实践中将不断的总结及探索。

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