车床主轴加工工艺设计.docx
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车床主轴加工工艺设计
机械制造工艺学课程设计
CA6140机床主轴加工工艺设计
870
0
0.004
121
A-B
布轴端处
Z
0.005
Z
0.01
A-B
/|0・015|才一
C/
D
C.
•■
・竽—
t
■——■
…丄
0
0.004
/
0.005
A-8
4570HRC
、零件图样分析
由零件简图可知，该主轴呈阶梯状，其上有安装支承轴承、传动件的圆柱、圆锥面，安装滑动齿轮的花键，安装卡盘及顶尖的内外圆锥面，联接紧固螺母的螺旋面，通过棒料的深孔等。
下面分别介绍主轴各主要部分的作用及技术要求：
⑴、支承轴颈?
主轴二个支承轴颈A、B圆度公差为，径向跳动公差为；而支承轴颈1∶12锥面的接触率≥70%；表面粗糙度Ra为；支承轴颈尺寸精度为IT5。
因为主轴支承轴颈是用来安装支承轴承，是主轴部件的装配基准面，所以它的制造精度直接影响到主轴部件的回转精度。
⑵、端部锥孔?
主轴端部内锥孔（莫氏6号）对支承轴颈A、B的跳动在轴端面处公差为，离轴端面300mm处公差为mm；锥面接触率≥70%；表面粗糙度Ra为；硬度要求45~50HRC。
该锥孔是用来安装顶尖或工具锥柄的，其轴心线必须与两个支承轴颈的轴心线严格同轴，否则会使工件（或工具）产生同轴度误差。
⑶、端部短锥和端面?
头部短锥C和端面D对主轴二个支承轴颈A、B的径向圆跳动公差为；表面粗糙度Ra为。
它是安装卡盘的定位面。
为保证卡盘的定心精度，该圆锥面必须与支承轴颈同轴，而端面必须与主轴的回转中心垂直。
?
⑷、空套齿轮轴颈?
空套齿轮轴颈对支承轴颈A、B的径向圆跳动公差为mm。
由于该轴颈是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，否则引起主轴传动啮合不良，当主轴转速很高时，还会影响齿轮传动平稳性并产生噪声。
⑸、螺纹主轴上螺旋面的误差是造成压紧螺母端面跳动的原因之一，所以应控制螺纹的加工精度。
当主轴上压紧螺母的端面跳动过大时，会使被压紧的滚动轴承内环的轴心线产生倾斜，从而引起主轴的径向圆跳动。
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。
二、毛坯的确定
1、毛坯尺寸的确定
CA6140主轴零件材料45钢，硬度HBS为127:
162。
生产类型为大批量生产，采用自由锻，设备上使用胎膜锻毛坯，经计算毛坯重量约30Kg.
由《机械加工工艺手册》表得：
直径为80:
100的余量及偏差为11-+34
直径为101:
125的余量及偏差为11-+34
直径为101:
125的余量及偏差为13-+35
对主轴的零件进行分析：
φ195-φ相差
φ195-φ120相差75mm
φ120-φ90相差30mm
由于考虑到胎膜锻加工的特征，故由上面分析可得将对坯模进行二次拔长，且第一次拔长时以φ120的毛坯尺寸φ131-+34mm为拔长对象，第2次拔长是以φ90mm的毛坯尺寸φ100-+23mm，毛坯原坯模为φ208-+35，体积约为立方米。
2、热处理工艺的制定和安排选择合适的材料并在整个加工过程中安排足够和合理的热处理工序，对于保证主轴的力学性能、精度要求和改善其切削加工性能非常重要。
车床主轴的热处理主要包括：
1）毛坯热处理
车床主轴的毛坯热处理一般采用正火，其目的是消除锻造应力，细化晶粒，并使金属组织均匀，以利于切削加工。
2）预备热处理
在粗加工之后半精加工之前，安排调质处理，目的是获得均匀细密的回火索氏体组织，提高其综合力学性能，同时，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。
3）最终热处理
主轴的某些重要表面（如Φ90g5轴颈、锥孔及外锥等）需经高频淬火。
最终热处理一般安排在半精加工之后，精加工之前，局部淬火产生的变形在最终精加工时得以纠正。
三、定位基准的确定
1、粗基准的选择
为取得两中心孔作为精加工的定位基准，所以机械加工的第一道工序是铣两端面中心孔。
为此可选择前、后支撑轴颈（或其近处的外圆表面）作为粗基准。
这样，当反过来再用中心孔定位，加工支撑轴颈时，可以获得均匀的加工余量，有利于保证这两个高精度轴颈的加工精度。
2、精基准的选择
为了避免基准重合误差，考虑工艺基准与设计基准和各工序基准的统一，以及尽可能在一次装夹中加工较多的工作表面，所以在主轴精加工的全部工序中（二端锥孔面本身加工时除外）均采用二中心孔位定位基准。
主轴中心通孔钻出以后，远中心孔消失，需要采用锥堵，借以重新建立定位精度（二端中心孔）。
中心孔在使用过程中的磨损会影响定位精度，故必须经常注意保护并及时保修。
特别是在关键的精加工工序之前，为了保证和提高定位精度，均需要重新修整中心孔。
使用锥堵时应注意：
当锥堵装入中心孔以后，在使用过程中，不能随意拆卸和更换，都会引起基准的位置变动，从而造成误差。
3、基准的转换
由于主轴的主要轴颈和大端锥孔的位置精度要求很高，所以在加工过程中药采用互换基准的原则，在基准相互转换的过程中，精度逐步得到提高。
1）、以轴颈位粗基准加工中心孔；
2）、以中心孔为基准，粗车支承轴颈等外圆各部；
3）、以支承轴颈为基准，加工大端锥孔；
4）、以中心孔（锥堵）为基准，加工支承轴颈等外圆各部；
5）、以支撑轴颈位基准，粗磨大端锥孔；
6）、以中心孔为（重配锥堵）为基准，加工支承轴颈等外圆各部；
7）、以打断支撑轴颈和φ75h6外圆表面为基准，粗磨打断锥孔。
主轴外圆表面的加工，应该以顶尖孔作为统一的定位基准。
但在主轴的加工过程中，岁着通孔的加工，作为定位基面的中心孔消失，工艺上常采用带有中心孔的锥堵到主轴的两端孔中，如图5-4所示，让锥堵的顶尖其附加定位基准的作用。
四、划分加工阶段（以下表1为基准）根据图中零件各部分不同的精度要求及主轴加工过程中的加工工序和热处理工序会产生不同程度的加工误差、应力，主轴加工基本上划分为以下三个阶段。
1、粗加工阶段
1）毛坯处理:
备料,锻造,热处理（正火）
2）粗加工:
工序4～6。
锯除多余部分，铣端面、钻中心孔和荒车外圆等目的:
切除大部分余量,接近最终尺寸,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:
工序7。
2）半精加工:
工序8～13。
车工艺锥面（定位锥孔）半精车外圆端面和钻深孔等
3）精加工:
精磨外圆和内外锥面以保证主轴最主要表面的精度。
3、精加工阶段
1）精加工前热处理：
工序14
2）工序15～24均为精加工阶段。
五、确定主要表面的加工方法该主轴主要加工表面是?
75h5、?
80h5、?
90g5、?
105h5轴颈，两支承轴颈及大头锥孔。
它们加工的尺寸精度在IT5~IT6之间，表面粗糙度Ra为~0.8mm。
在机械加工工序中间尚需插入必要的热处理工序，这就决定了主轴加工各主要表面总是循着以下顺序的进行，即粗车→调质（预备热处理）→半精车→精车→淬火-回火
（最终热处理）→粗磨→精磨。
那么，主轴主要表面的加工顺序安排如下：
外圆表面粗加工（以顶尖孔定位）→外圆表面半精加工（以顶尖孔定位）→钻通孔（以半精加工过的外圆表面定位）→锥孔粗加工（以半精加工过的外圆表面定位，加工后配锥堵）→外圆表面精加工（以锥堵顶尖孔定位）→锥孔精加工（以精加工外圆面定位）。
当主要表面加工顺序确定后，就要合理地插入非主要表面加工工序。
对主轴来说非主要表面指的是螺孔、键槽、螺纹等。
这些表面加工一般不易出现废品，所以尽量安排在后面工序进行，主要表面加工一旦出了废品，非主要表面就不需加工了，这样可以避免浪费工时。
但这些表面也不能放在主要表面精加工后，以防在加工非主要表面过程中损伤已精加工过的主要表面。
六、加工工序的安排和工序的确定
1、加工顺序方案确定具有空心和内锥特点的轴类零件，在考虑支承颈，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。
1）、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
2）、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
3）、外表面粗加工→钻深孔→锥孔次加工→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，可做如下分析比较：
第一方案：
在锥孔粗加工时，由于要用已精加工过的外圆表面作基准面，会破坏外圆表面的精度和粗糙度，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的会有加工误差（锥堵本身误差等就会造成外圆表面和内锥孔的不同轴，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工序，可采用外圆表面和锥孔互为基准，交替使用，能逐步提高同轴度。
经过上述比较可知像CA6140主轴这类的轴件加工顺序，以第三方案为佳。
2、工序确定
工序的确定要按加工顺序进行，应当掌握两个原则：
1）工序中的定位基准面要安排在该工序之前加工。
2）对个表面的加工要粗、精分开，先粗后精，多次加工，已逐步提高其精度和粗糙度。
主要表面的精加工应安排在最后。
为了改善金属组织和加工性能而安排的热处理工序，如退火、正火等，一般应安排在机械加工之前。
为了提高零件的机械性能和消除内应力而安排的热处理工序，如调质、时效处理等，一般应安排在粗加工之后，精加工之前。
3、工艺路线
该主轴零件结构较为复杂，其中涉及到外圆、端面、孔、锥孔、花键、键槽等加工，考虑加工的方便与精确度等因素，制定出表1所示加工方法和加工工艺过程卡片：
表1
序号
工序名称
工序内容
定位基准
设备
1
备料
2
锻造
模锻
立式精锻机
3
热处理
正火
4
锯头
5
铣端面钻中心孔
毛坯外圆
中心孔机床
6
粗车外圆
顶尖孔
多刀半自动车床
7
热处理
调质
8
车大端各部
车大端外圆、短
锥、端面及台阶
顶尖孔
卧式车床
9
车小端各部
仿形车小端
各部外圆
顶尖孔
仿形车床
10
钻深孔
钻48mm通孔
两端支承轴颈
深孔钻床
11
车小端锥孔
车小端锥孔（配1∶20锥堵，涂色法检查接触率≥50%）
两端支承轴颈
卧式车床
12
车大端锥孔
车大端锥孔（配莫氏6号锥堵，涂色法检查接触率≥30%）、外短锥及端面
两端支承轴颈
卧式车床
13
钻孔
钻大头端面各孔
大端内锥孔
摇臂钻床
14
热处理
局部高频淬火（90g5、短锥及莫氏6号锥孔）
高频淬火设备
15
精车外圆
精车各外圆并切槽、倒角
锥堵顶尖孔
数控车床
16
粗磨外圆
粗磨75h5、90g5、
105h5外圆
锥堵顶尖孔
组合外圆磨床
17
粗磨大端锥孔
粗磨大端内锥孔（重配莫氏6号锥堵，涂色法检查接触率≥40%）
前支承轴颈及
75h5外圆
内圆磨床
18
铣花键
铣89f6花键
锥堵顶尖孔
花键铣床
19
铣键槽
铣12f9键槽
80h5及M115mm外圆
立式铣床
20
车螺纹
车三处螺纹（与
螺母配车）
锥堵顶尖孔
卧式车床
21
精磨外圆
精磨各外圆及E、F两端面
锥堵顶尖孔
外圆磨床
22
粗磨外锥面
粗磨两处
1∶12外锥面
锥堵顶尖孔
专用组合磨床
23
精磨外锥面
精磨两处两处1∶12外锥面、D端面及短锥面
锥堵顶尖孔
专用组合磨床
24
精磨大端锥
孔
精磨大端莫氏6号内锥孔（卸堵，涂色法检查接触率≥70%）
前支承轴颈及
75h5外圆
专用主轴锥孔磨床
25
钳工
端面孔去锐边倒角，去毛刺
26
检验
按图样要求
全部检验
前支承轴颈及
75h5外圆
专用检具
七、确定加工余量和工序尺寸
I、确定工序尺寸
由于主轴零件中多次加工的表面，如各内、外圆柱面、端面等使用的工序基准、定位基准、测量基准与设计基准重合，因此各工序尺寸只与加工余量有关，即各表面工序
尺寸只须在设计尺寸基础上累计加上加工余量即可。
具体尺寸参见表2所示：
表2
加工
工序余量/mm
工序尺寸及公差/mm
表面粗糙度
表面
粗加工
半精
加工
精加工
粗加工
半精
加工
精加工
粗加工
半精加工
精加工
φ195
-
3
-
φ198
φ195
-
-
-
φ
-
15．5
φ124
φ
φ
-
φ100h7
-
-
-
φ100h6
φ100h7
-
-
φ90g5
-
-
-
φ90g5
-
-
-
φ80h5
-
φ
φ80h5
-
-
φ76h6
φ76
φ
φ75
-
II．确定加工余量
⑴小端端面加工余量
总余量10_+23机械设计工艺软件版
工序尺寸--00..4762
半精车余量《机械制造工艺金属切削机床设计手册》附表
粗车余量Z==
毛坯尺寸45-+23
⑵车大端外圆的加工余量
总余量13-+35《机械制造工艺金属切削机床设计手册》附表半精车余量《机械制造工艺金属切削机床设计手册》附表工序尺寸--00..4762
粗车余量Z==
毛坯尺寸29-+35
⑶外圆Φ70h6
总余量30-+23半精车余量，工序尺寸Φ700+0.15
粗车余量=，毛坯尺寸Φ100-+23
⑷外圆×
总余量26-+23半精车余量1，工序尺寸740+0.15
粗车余量26-1=25，毛坯尺寸Φ100-+23
⑸外圆Φ75d6
总余量25-+23，粗车余量25，毛坯尺寸Φ100-+23
⑹外圆锥面Φ
总余量-+23，磨削余量，工序尺寸Φ-00.46
半精车余量，工序尺寸Φ0+0.15
粗车余量，毛坯尺寸Φ100-+23
⑺外圆Φ
总余量-+32，半精车余量，工序尺寸Φ0+0.15
粗车余量，毛坯尺寸Φ100-+23
⑻外圆Φ80h5
总余量20-+23，磨削余量，工序尺寸Φ80-00.46
半精车余量，工尺寸Φ
+0.15
0
粗车余量，毛坯尺寸Φ100-+23
⑼外圆Φ89f6
总余量21-+23，磨削余量，工序尺寸Φ89-00.46
粗车余量，毛坯尺寸Φ100-+23
⑽．外圆锥面Φ90g5
总余量10-+23，磨削余量，工序尺寸Φ90g5
半精车余量，工序尺寸Φ0+0.15
粗车余量，毛坯尺寸Φ100-+23
⑾．外圆Φ
⑿．外圆×
总余量31-+34，精车余量1，工序尺寸Φ100-00.2
半精车余量，工序尺寸Φ1010+0.15
+3
-4
粗车余量31-1-1.8=，毛坯尺寸Φ131
⒀.外圆Φ100h6
总余量31-+34，精车余量1，工序尺寸Φ100h6
半精车余量，工序尺寸Φ1010+0.15
+3
-4
粗车余量31-1-1.8=，毛坯尺寸Φ131
⒁外圆锥面Φ
总余量-+34，磨削余量，工序尺寸Φ
⒂.外圆锥面Φ
总余量-+34，磨削余量，工序尺寸Φ
⒃．外圆M115*
⒄.外圆Φ112
总余量19-+34，切槽余量12，工序尺寸Φ112
半精车余量，工序尺寸Φ1240+0.15
粗车余量19-12-1.8=，毛坯尺寸Φ131-+34
⒅.外圆Φ120
总余量11-+34，半精车余量，工序尺寸Φ粗车余量=，毛坯尺寸Φ131-+34
⒆.外圆尺寸Φ195
总余量13-+34，半精车余量，工序尺寸Φ粗车余量=，毛坯尺寸Φ208-+35
+0.15
0
+0.15
0
⒇.外短锥Φ+0.013+0.013
粗磨余量，工序尺寸
0
-0.46
半精车余量，工序尺寸00.1粗车余量，毛坯尺寸Φ208-+35
（21）.钻Φ48通孔钻孔Φ480.25
（22）.小端锥孔粗车小端锥孔余量4，工序尺寸52-0
（23）.大端锥孔
粗车余量14，工序尺寸62-00.5.5
半精车余量1，工序尺寸63-00.3.45
粗磨余量，工序尺寸
0
-0.13
精磨余量，工序尺寸
（24）.攻螺纹孔2-M10，M8,4-Φ23
（25）.车螺纹×，×，×
（26）.铣键槽××
粗铣键槽××
（27）.铣花键Φ89y6
粗铣××，精铣××
八．计算切削速度
㈠已知毛坯小端长度方向上的加工余量为10mm，粗车时分两次加工，ap=；毛坯大端长度方向的加工余量为13mm，粗车时分三次加工ap=
㈡进给量f，根据《机械加工工艺设计手册》表15-10当刀杆的尺寸为16mm×25mm时，ap为3时，以及工件的直径为100mm时，f=r=f㈢计算切削速度
按《机械加工工艺手册》
v=mxvym/min.当f≦时，其中cv=242，Xv=，yv=，m==60Tapvfv
⒈对小端端面有
vc1=（m/min）确定机床转速：
nv1=1000vc=（r/min）按《机械加工工艺手册》表πdw
nv1=1000vc1=447.（8r/min）v1π100
nv2=1000vc2=32（0r/min）v2π131
按《机械加工工艺手册》表选nw1=500（r/min）,nw2=430（r/min）
⒊．钻中心孔
刀具：
A型中心钻《机械加工工艺手册》表进给量：
f=r2，《机械加工工艺设计实用手册》表
切削速度v=18m/min
ns=1000v=1000×18=2230r/minπdw2.5π
联系实际机床切削速度选取：
nw=2000r/min,《机床加工工艺手册》表。
故实际切削速πdwnwπ×2.5×2000
度：
v=ww==15.7m/min
10001000
⒋：
粗车外圆
①粗车φ70h6外圆：
切削深度：
单边余量ap=4.65mm,共进刀3次；
进给量：
《机械加工工艺手册》15-10有：
选f=r；计算切削速度：
《机械加工工艺手册》表：
242
0.20.150.35=101.26m/min
600.2
×4.650.15×0.60.35
按机床选取n=430r/min。
故实际切削速度：
②粗车M74*外圆：
v=πdwn=100×430π=135m/min
10001000切削深度：
单边余量ap=，共进5刀；进给量：
《机械加工工艺手册》15-10有：
选用f=r；计算切削速度：
《机械加工工艺手册》表：
100π
确定主轴转速：
ns=1000vc=1000×119=380r/mindwπ
按机床选取n=430r/min。
故实际切削速度：
πdwn100×430π
v=w==135m/min
10001000
3粗车φ外圆：
切削深度：
单边余量ap=,共进3刀；
进给量：
《机械加工工艺手册》15-10可得：
f=r
计算切削速度：
vc
cv
Tmaxpvf
yv
242
0.20.150.35=113m/min
600.2×3.450.15×0.60.35
确定主轴转速：
ns
100π
1000vc=1000×113=360r/min
dwπ
按机床选取n=430r/min,所以实际切削速度：
πdwn100×430π
v=w==135m/min
10001000
4粗车外圆φ80h5外圆：
切削深度：
单边余量ap=3mm共,进3刀；
进给量：
《机械加工工艺手册》15-10可得：
f=r
计算切削速度：
vc
mcxvvyv=0.2204.1520.35=115.4m/min
Tmaxpvfyv600.2×3.0.15×0.60.35
确定主轴转速：
ns=1000vc=1000×115.4=367.5r/mindwπ100π
按机床选取n=430r/min,所以实际切削速度：
πdwn100×430π
v=w==135m/min
10001000
5粗车外圆φ89f6外圆：
切削深度：
单边余量ap=2mm共,进2刀；
进给量：
《机械加工工艺手册》15-10可得：
f=r
进给量：
《机械加工工艺手册》15-10可得：
f=r,
cv240
Tmaxpvfyv=600.2×2.60.15×0.60.35=109m/min
按机床选取n=250r/min,所以实际切削速度：
v=πdwnv=1000
131×250π=102.8m/min
1000
⒌：
车大端各部（大端外圆、短锥、端面、台阶）
①粗车φ195外圆：
切削深度：
单边余量ap=,共进2刀；进给量：
《机械加工工艺手册》15-10可得：
f=r>r,故cv=235,xv=0.15,yv=0.45,m=0.20,T=60
计算切削速度：
vc=Tmaxpvf
yv
0.2230.1550.45=100m/min
600.2×2.50.15×0.80.45
1000vc=1000×100=153r/mindwπ208π
按机床选取n=160r/min,所以实际切削速度：
v=πdwn
1000
=208×160π
1000
=104.5m/min
②粗车φ120外圆切
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