CA6140车床主轴机械加工工艺的设计毕业设计.docx
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CA6140车床主轴机械加工工艺的设计毕业设计
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指导教师签名：
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摘要I
1绪论
1.1本课题的来源、目的及意义
（1）
1.2课题背景及国内外研究现状
（1）
1.3本课题研究的主要内容
（1）
2典型轴类零件加工工艺
2.1轴类零件的功用、分类和结构特点
（2）
2.2轴类零件典型工艺路线（3）
3CA6410主轴加工工艺过程的制订
3.1概述（4）
3.2主轴加工工艺过程制订的依据（4）
3.3CA6140主轴加工工艺过程（5）
4CA6140主轴技术条件的分析
4.1概述（5）
4.2支承轴颈的技术要求（6）
4.3锥孔的技术要求（6）
4.4短锥的技术要求（6）
4.5空套齿轮轴颈的技术要求………………………………………….（6）
4.6螺纹的技术要求……………………………………………………..（7）
5CA6140主轴加工工艺过程分析
5.1概述（7）
5.2主组后毛坯的制造方法（8）
5.3毛坯的材料和热处理（8）
5.4定位基准的选择（9）
5.5加工阶段的划分…………………………………………………..（10）
5.6加工顺序的安排和工序的确定…………………………………..（11）
6CA6140主轴加工中的关键工艺
6.1锥堵和锥堵心轴的使用（12）
6.2顶尖空的研磨（13）
6.3组合魔削（14）
6.4身空加工（15）
6.5主轴锥孔加工……………………………………………………….（17）
7轴的精度检验
7.1概述（18）
7.2几个形状精度检验（18）
7.3尺寸精度检验（18）
7.4相互位置精度检验（19）
8轴加工中常出现的自量问题及其解决办法
8.1概述（20）
8.2机床轴锥空加工的质量分析……………………………………..（21）8.3磨削表面缺陷的产生及防止（23）
9结论与展望机械
9.1本文总结……………………………………………………………（25）9.2制造工业的现状及展望.（26）
致谢……………………………………………………………………（27）
参考文献…………………………………………………………………（28）
毕业设计任务书…………………………………………………………（29）
绪论
1.1本课题的来源、目的及意义
车床主轴是具有代表性零件之一，加工难度大，工艺路线较长，涉及轴类零件加工的许多基本工艺问题。
本人根据在校期间的理论课程学习为基础，在多次深入车间实习为实践依据，通过本次毕业设计对CA6140车床主轴技术条件的分析和工艺过程的讨论，来说明轴类零件加工的一般规律。
1.2课题背景及国内外研究现状
机械制造工艺技术是在人类生产实践中产生并不断发展的。
在20世纪50年代“刚性”生产模式下，通过大量使用的专用设备而后工装夹具，提高生产效率和加工的自动化程度，进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。
在20世纪70年代主要通过改善生产过程管理来进一步提高产品质量和降低成本。
在20世纪80年代，较多地采用数控机床、机器人、柔性制造单元和系统等高技术的集成来满足产品个性话和多样化的要求，以满足社会各消费群体的不同要求。
从20世纪90年代开始，机械制造工艺技术向着高精度、高效率、高自动化发展。
精密加工精度已经达到亚微米级，而超精密加工已经进入0.01μm级。
现代机械产品的特点是多品种、更新快、生产周期短。
这就要求整个加工系统及机械制造工艺向着柔性、高效率、自动化方向发展。
由于成组技术理论的出现和计算机技术的发展，计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）、数控加工技术等在机械制造业中得到了广泛应用，从而大大缩短了机电产品的生产周期，提高了效率，保证了产品的高精度、高质量。
1.3本课题研究的主要内容
本课题就典型的机床主轴进行系统性的讲述、设计，从中介绍了典型轴类零件加工工艺分析、CA6140主轴加工工艺过程的制订及技术分析、轴的精度检验、轴加工中常出现的质量问题及其解决办法、CA6140主轴加工中的几个工艺问题及相关夹具的设计。
机械制造工艺及夹具的设计是以机械制造中的工艺和工装设计问题为研究对象的一门应用性制造技术。
研究范围主要是零件的机械加工及加工过程中工件的装夹和产品的装配两个方面，机械制造工艺及夹具课程涉及的行业有百余种，产品品种成千上万，但是研究的工艺问题则可归纳为质量、生产率和经济性三类。
⑴保证和提高产品的质量：
产品质量包括整台机械的装配精度、使用性能、使用寿命和可靠性，以及零件的加工精度和加工表面质量。
近代，由于宇航、精密机械、电子工业和国防工业的需要，对零件的精度和表面质量的要求越来越高，相继出现了各种新工艺新技术，如精密加工、超精密加工和细微加工等，加工精度由1μm级提高到了0.1～0.01μm级，目前正在向nm（0.001μm）级精度迈进。
⑵提高劳动生产率：
提高劳动生产率的方法一是提高切削用量，采用高速切削、高速磨削和重磨削。
近年来出现的聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼等新型刀具材料，其切削速度可达1200m/min,高速磨削的磨削速度达200m/s。
重磨削是高效磨削的发展方向，包括大进给、深切进给的强力磨削、荒磨和切断磨削等。
二是改进工艺方法、创新工艺。
例如，利用锻压设备实现少无切削加工，对高强度、高硬度的难切削材料采用特种加工等。
三是提高自动化程度，实现高度自动化。
例如，采用数控机床、加工中心、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）和无人化车间或工厂等。
成组技术的出现，能解决多品种尤其是中、小批生产中存在的生产效率低的问题，也是企业实现高度自动化的基础。
⑶降低成本：
要节省和合理选择原材料，研究新材料；合理使用和改进现有设备，研制新的高效设备等。
对上述三类问题要辨证地全面地进行分析。
要在满足质量的前提下，不断提高劳动生产率和降低成本。
以优质、高效、低耗的工艺去完成零件的加工和产品的装配，这样的工艺才是合理的和先进的工艺。
2典型轴类零件加工工艺分析
2.1轴类零件的功用、分类和结构特点
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
轴类零件的功用为支承传动零件（齿轮、皮带轮等）、转动扭矩、承受载荷，以及保证装在主轴上的工件（或刀具）具有一定的回转精度。
轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。
轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。
轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项：
⑴尺寸精度起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5～IT7）。
装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6～IT9）。
⑵几何形状精度轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。
对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。
⑶相互位置精度轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。
通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。
普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.01～0.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.001～0.005mm。
⑷表面粗糙度一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.5～0.63μm，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.63～0.16μm。
轴类零件按其结构形状的特点，可分为光滑轴、阶梯轴、空心轴和异形轴（包括曲轴、凸轮和偏心轴等）四类。
若按轴的长度和直径的比例来分，又可分为刚性轴（L/d≤12）和挠性轴（L/d＞12）两类。
本课题所设计的轴为CA6140车床主轴，该轴既是阶梯轴又是空心轴，并且是长径比小于12的刚性轴。
根据其结构和精度要求，在加工过程中对这种轴的定位基准面选择、深孔加工和热处理变形等方面，为加工技术难点。
2.2轴类零件典型工艺路线
对于7级精度、表面粗糙度Ra0.8～0.4μm的一般传动轴，其典型工艺路线是：
正火－车端面钻中心孔－粗车各表面－精车各表面－铣花键、键槽－热处理－修研中心孔－粗磨外圆－精磨外圆－检验。
对于空心轴（如本课题设计的主轴），为了能使用顶尖孔定位，一般均采用带顶尖孔的锥套心轴或锥堵。
若外圆和锥孔需反复多次、互为基准进行加工，则在重装锥堵或心轴时，必须按外圆找正或重新修磨中心孔。
轴上的花键、键槽等次要表面的加工，一般安排在外圆精车之后，磨削之前进
行。
因为如果在精车之前就铣出键槽，在精车时由于断续切削而易产生振动，影响加工质量，又容易损坏刀具，也难以控制键槽的尺寸。
但也不应安排在外圆精磨之后进行，以免破坏外圆表面的加工精度和表面质量。
3主轴加工工艺过程的制订
3.1概述
车床主轴是代表性零件之一，加工难度较大，工艺路线较长，涉及轴类零件加工的许多基本工艺问题。
下面对本课题CA6140主轴技术条件的分析和工艺过程的讨论，来说明轴类零件加工的技术条件。
3.2主轴加工工艺过程制订的依据
主轴加工工艺过程制订的依据是主轴的结构技术要求、生产批量和设备条件等。
从CA6140车床主轴的加工，可以知道：
⑴主轴的技术要求，如主轴两个支承轴颈的本身精度、表面粗糙度和同轴度，主轴前端内、外锥面与主轴颈的同轴度要求都较高。
因此必须正确选择定位基准；工序按粗精加工分开；并合理安排工序。
⑵主轴是一种多阶梯的空心轴，而主轴毛坯又往往是实心锻件，因此需要从外圆和中心切去大量的金属，进行深孔加工。
对于结构不同和技术条件不同的轴类零件，其加工工艺过程是不同的；即使是同一种轴，其批量不同，或所选的材料不同。
或者生产条件不同，其加工工艺过程也是不同的，尤其是批量的大小，对加工工艺过程的影响更为显著。
3.3CA6140主轴加工工艺过程
CA6140主轴零件图（见附件图纸1）。
批量：
大批；材料：
45钢；毛坯：
模锻件。
其工艺过程（见附件工艺卡）。
这类属于大批生产规模而又工序分散的主轴加工工艺过程，概括为下列三个阶段：
⑴粗加工阶段
①毛坯处理毛坯备料、锻造和正火（工序0～5）。
②粗加工锯去多余部分、铣端面打中心孔和荒车外圆等（工序8～14）。
这阶段的主要目的是：
用大的切削用量切除大部分余量，把毛坯加工至接近工件的最终形状和尺寸，只留下小量的加工余量。
通过这阶段还可即使发现锻件裂缝等缺陷，作出相应措施。
⑵半精加工阶段
①半精加工前热处理对于45钢一般采用调质处理以达到HBS235（工序17）。
②半精加工车工艺锥面（定位锥孔）、半精车外圆端面和钻深孔等（工序20～40）。
这个阶段的主要目的是：
为精加工作好准备、尤其是为精加工作好基面准备。
对一些要求不高的表面，在这个阶段达到图纸规定的要求。
⑶精加工阶段
①精加工前热处理局部高频淬火（工序42）
②精加工前各种加工粗磨工艺锥面（定位锥孔）、粗磨外圆、铣键槽和花键槽，以及车螺纹等（工序45～63）。
③精加工精磨外圆和内、外锥面一保证主轴最重要表面的精度（工序65～75）。
这阶段的目的是：
把各表面都加工到图纸规定的要求。
4主轴技术条件的分析
4.1概述
主轴的技术条件是根据主轴的功用和工作条件制定的。
而技术条件中各项精度又是以支承在轴承孔中的前后两个轴颈为基准来确定的。
本次设计以CA6140主轴技术条件进行分析。
4.2支承轴颈的技术要求
主轴两支承轴颈A、B的圆度公差0.005mm，径向圆跳动公差0.005mm，两支承轴颈的1：
12锥面接触率≥70%，表面光洁度Ra0.4，支承轴颈直径按IT5级精度制造。
机床主轴外圆的圆度要求，对于一般精度的机床，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。
主轴支承轴颈的径向跳动将产生主轴的同轴度误差，以此主轴加工工件就会影响工件的加工精度，所以有必要加以严格控制。
4.3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0.01mm，锥面的接触率≥70%，表面光洁度Ra0.4，硬度要求HRC48。
主轴锥孔是用来安装顶尖或工具锥柄的，其轴心线要与两个支承轴颈的轴心线尽量重合，否则将影响机床精度，会使工件产生同轴度等误差。
4.4短锥的技术要求
短锥C对主轴支承轴颈A、B的径向圆跳动公差0.008mm，端面D对轴颈A、B的端面跳动公差0.008mm，锥面及端面的粗糙度均为Ra0.8。
这些要求是为了保证安装卡盘时能够很好定位，只要这短圆锥锥面能与支承轴颈同轴，端面与回转轴线垂直，就能提高卡盘的定心精度。
4.5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的径向跳动公差为0.015mm。
这是由于这些轴颈与齿轮孔相配合的表面，对支承轴颈应有一定的同轴度要求，否则会引起主轴传动齿轮传动啮合不良，当主轴转速很高时，还会影响齿轮传动的平稳性并产生噪音；加工工件时，也会在工件外圆表面产生重复出现的振纹，尤其在精加工时，这种缺陷更为明显。
4.6螺纹的技术要求
普通螺纹精度中等级。
这是用于限制与之配合的压紧螺母的端面圆跳动所必须的要求。
因为，如果压紧螺母端面圆跳动过大时，则在压紧滚动轴承的过程中，会造成轴承内环轴心线的倾斜。
由于轴承内环是与主轴支承轴颈配合的，这就引起主轴的径向跳动。
实践证明，当压紧螺母端面圆跳动≥0.05mm时，对主轴径向跳动的影响就很显著。
引起压紧螺母端面震摆的原因有两个：
一是螺母本身制造精度低，例如螺母端面与螺纹轴心线不垂直；另一原因是主轴上的螺纹表面轴心线与支承轴颈的轴心线不重合，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、支承轴颈与其他表面的相互位置精度和表面光洁度，则是主轴加工的关键。
5主轴加工工艺过程分析
5.1概述
从上面介绍的主轴加工工艺过程中，可以看出，主轴加工常分粗车，半精车、粗精磨三个阶段。
而且每阶段之间常插入热处理工序：
又在磨削之前常需修研顶尖孔/精度要求越高的主轴，磨的次数越多，修研顶尖孔的次数越多。
这些特点，贯穿于轴类零件整个加工过程之中，其原因在于轴件本身的尺寸和几何形状精度以及这些表面之间的同轴度（或径向跳动）和端面垂直度（决定轴向窜动程度）要求较高。
这些精度要求（指标），不但取决于轴件的加工精度，而且也取决于轴件加工后的尺寸精度稳定性，前者与加工的定位精度及所用的加工方法有关，后者与选用的材料及热处理方法有关。
从这个角度出发，现在重点分析制订主轴工艺过程所要考虑的几个问题。
5.2主轴毛坯的制造方法
毛坯制造方法主要与使用要求和生产类型有关。
毛坯形式有棒料与锻件两种。
在单件小批生产中，轴类零件的毛坯往往使用热扎棒料，这尤其适合于那些光滑轴和外圆直径相差不大的阶梯轴。
单件小批生产的阶梯轴一般采用自由锻，在大批大量生产时则采用模锻。
本课题CA6140车床主轴为大批量生产，所以毛坯的制造方法采用模锻制造。
5.3毛坯的材料和热处理
CA6140车床主轴是传递动力的零件，它应有良好的机械强度和刚度，而其工作表面又应有良好的耐磨性，因此要选用适当的钢材；为了使加工后有良好的尺寸精度稳定性，因而又要求有合适的热处理过程。
45钢，这是常用的主轴材料，在调质处理（T235）之后，在经局部高频淬火，可以使局部硬度达到HRC62～65，在经过适当的回火处理，可以降到需要的硬度（例如本课题CA6140主轴规定为HRC52）。
一般机床的主轴均可用45钢，因为它的机械性能（强度、韧性和局部表面硬度等）能满足设计的要求。
然而45钢的淬透性比较差（与合金钢比较而言），需要比较强的淬火剂，淬火后的变形比较大。
加上加工后的尺寸精度性较差，在长期使用后会出现微量的尺寸变化，对于高精度的机床主轴就有可能超差。
由此可见，主轴质量除与所选钢材种类有关外，还与毛坯热处理有关，一般各种毛坯在机械加工之前，均需进行正火（或退火）处理，以使钢材的晶粒细化（或球化），消除锻造（或轧制）后的内应力，并可降低毛坯的硬度，以利切削的进行。
本课题CA6140主轴用的45钢便规定在精锻后进行正火处理。
凡要求局部高频淬火的主轴，要在前道工序中安排调质处理（有的钢材则用正火）。
当毛坯余量较大时（如锻件），调质放在粗车之后，半精车之前，以便因粗车产生的内应力得以在调质时消除：
毛坯余量较小时（如棒料），调质可放在粗车（相当于锻件的半精车）之前进行。
高频淬火处理一般放在半精车之后，由于主轴只需要局部淬硬，故精度有一定要求而不需淬硬部分的加工，如车螺纹，铣键槽等有一定位置要求的工序，均安排在局部淬火和粗磨之后，这是因为局部淬火的变形虽然不大，但总有一些变形，故车螺纹、铣键槽等有一定位置要求的工序，要安排在粗
磨之后进行，以消除淬火变形，对于精度较高的主轴（如M1432A砂轮轴），在局部淬火及粗磨之后还需低温时效处理（160℃油中浸较长时间），低温时效不降低已获得的精度和机械性能，但能消除磨削加工中所引起的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。
5.4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。
5.5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
表5-1CA6140车床主轴加工基准转换过程
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（
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