车床主轴的加工工艺

1．CA6140车床主轴技术要求及功用

图1 CA6140车床的主轴简图

图1为CA6140车床主轴零件简图。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0.005mm，径向跳动公差为0.005mm；而支承轴颈1∶12锥面的接触率≥70%；表面粗糙度Ra为0.4mm；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0.005mm，离轴端面300mm处公差为0.01 mm；锥面接触率≥70%；表面粗糙度Ra为0.4mm；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0.008mm；表面粗糙度Ra为0.8mm。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0.015 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。

2．主轴加工的要点与措施

主轴加工的主要问题是如何保证主轴支承轴颈的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度，主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度以及它们对支承轴颈的位置精度。

主轴支承轴颈的尺寸精度、形状精度以及表面粗糙度要求，可以采用精密磨削方法保证。磨削前应提高精基准的精度。

保证主轴前端内、外锥面的形状精度、表面粗糙度同样应采用精密磨削的方法。为了保证外锥面相对支承轴颈的位置精度，以及支承轴颈之间的位置精度，通常采用组合磨削法，在一次装夹中加工这些表面，如图2所示。机床上有两个独立的砂轮架，精磨在两个工位上进行，工位Ⅰ精磨前、后轴颈锥面，工位Ⅱ用角度成形砂轮，磨削主轴前端支承面和短锥面。

 

图2 组合磨削

主轴锥孔相对于支承轴颈的位置精度是靠采用支承轴颈A、B作为定位基准，而让被加工主轴装夹在磨床工作台上加工来保证。以支承轴颈作为定位基准加工内锥面，符合基准重合原则。在精磨前端锥孔之前，应使作为定位基准的支承轴颈A、B达到一定的精度。主轴锥孔的磨削一般采用专用夹具，如图3所示。

夹具由底座1、支架2及浮动夹头3三部分组成，两个支架固定在底座上，作为工件定位基准面的两段轴颈放在支架的两个V形块上，V形块镶有硬质合金，以提高耐磨性，并减少对工件轴颈的划痕，工件的中心高应正好等于磨头砂轮轴的中心高，否则将会使锥孔母线呈双曲线，影响内锥孔的接触精度。后端的浮动卡头用锥柄装在磨床主轴的锥孔内，工件尾端插于弹性套内，用弹簧将浮动卡头外壳连同工件向左拉，通过钢球压向镶有硬质合金的锥柄端面，限制工件的轴向窜动。采用这种联接方式，可以保证工件支承轴颈的定位精度不受内圆磨床主轴回转误差的影响，也可减少机床本身振动对加工质量的影响。

 

a) 锥堵   b) 锥套心轴
图3 锥堵与锥套心轴

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，随着通孔的加工，作为定位基准面的中心孔消失，工艺上常采用带有中心孔的锥堵塞到主轴两端孔中，如图3所示，让锥堵的顶尖孔起附加定位基准的作用。

3．CA6140车床主轴加工定位基准的选择

主轴加工中，为了保证各主要表面的相互位置精度，选择定位基准时，应遵循基准重合、基准统一和互为基准等重要原则，并能在一次装夹中尽可能加工出较多的表面。

由于主轴外圆表面的设计基准是主轴轴心线，根据基准重合的原则考虑应选择主轴两端的顶尖孔作为精基准面。用顶尖孔定位，还能在一次装夹中将许多外圆表面及其端面加工出来，有利于保证加工面间的位置精度。所以主轴在粗车之前应先加工顶尖孔。

为了保证支承轴颈与主轴内锥面的同轴度要求，宜按互为基准的原则选择基准面。如车小端1∶20锥孔和大端莫氏6号内锥孔时， 以与前支承轴颈相邻而它们又是用同一基准加工出来的外圆柱面为定位基准面（因支承轴颈系外锥面不便装夹）；在精车各外圆（包括两个支承轴颈）时，以前、后锥孔内所配锥堵的顶尖孔为定位基面；在粗磨莫氏6号内锥孔时，又以两圆柱面为定位基准面；粗、精磨两个支承轴颈的1∶12锥面时，再次用锥堵顶尖孔定位；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定位。定位基准每转换一次，都使主轴的加工精度提高一步。

4．CA6140车床主轴主要加工表面加工工序安排

CA6140车床主轴主要加工表面是Ø75h5、Ø80h5、Ø90g5、Ø105h5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0.4~0.8mm。

主轴加工工艺过程可划分为三个加工阶段，即粗加工阶段（包括铣端面、加工顶尖孔、粗车外圆等）；半精加工阶段（半精车外圆，钻通孔，车锥面、锥孔，钻大头端面各孔，精车外圆等）；精加工阶段（包括精铣键槽，粗、精磨外圆、锥面、锥孔等）。

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。

综上所述，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。

 

1—弹簧 2—钢球 3—浮动夹头 4—弹性套内 5—支架 6—底座
图4 磨主轴锥孔夹具

对凡是需要在淬硬表面上加工的螺孔、键槽等，都应安排在淬火前加工。非淬硬表面上螺孔、键槽等一般在外圆精车之后，精磨之前进行加工。主轴螺纹，因它与主轴支承轴颈之间有一定的同轴度要求，所以螺纹安排在以非淬火-回火为最终热处理工序之后的精加工阶段进行，这样半精加工后残余应力所引起的变形和热处理后的变形，就不会影响螺纹的加工精度。

5．CA6140车床主轴加工工艺过程

下表列出了CA6140车床主轴的加工工艺过程。

生产类型：大批生产；材料牌号：45号钢；毛坯种类：模锻件

表 大批生产CA6140车床主轴工艺过程

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>序号

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>工序名称

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>工序内容

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>定位基准

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>设备

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">1

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">备料

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">2

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">锻造

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">模锻

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">立式精锻机

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">3

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">热处理

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">正火

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">4

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">锯头

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">5

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">铣端面钻中心孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">毛坯外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">中心孔机床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">6

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">粗车外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">多刀半自动车床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">7

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">热处理

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">调质

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">8

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">车大端各部

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">车大端外圆、短锥、端面及台阶

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">卧式车床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">9

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">车小端各部

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">仿形车小端各部外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">仿形车床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">10

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">钻深孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">钻Øvalue="48" UnitName="mm">48mm通孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">两端支承轴颈

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">深孔钻床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">11

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">车小端锥孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">车小端锥孔（配1∶20锥堵，涂色法检查接触率≥50%）

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">两端支承轴颈

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">卧式车床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">12

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">车大端锥孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">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

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">两端支承轴颈

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">卧式车床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">13

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">钻孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">钻大头端面各孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">大端内锥孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">摇臂钻床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">14

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">热处理

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">局部高频淬火（Øvalue="90" UnitName="g">90g5、短锥及莫氏6号锥孔）

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">高频淬火设备

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">15

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">精车外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">精车各外圆并切槽、倒角

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">锥堵顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">数控车床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">16

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">粗磨外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">粗磨Ø75h5、Øvalue="90" UnitName="g">90g5、Ø105h5外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">锥堵顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">组合外圆磨床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">17

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">粗磨大端锥孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">粗磨大端内锥孔（重配莫氏6号锥堵，涂色法检查接触率≥40%）

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">前支承轴颈及Ø75h5外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">内圆磨床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">18

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">铣花键

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">铣Øvalue="89" UnitName="F">89f6花键

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">锥堵顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">花键铣床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">19

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">铣键槽

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">铣value="12" UnitName="F">12f9键槽

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">Ø80h5及Mvalue="115" UnitName="mm">115mm外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">立式铣床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">20

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">车螺纹

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">车三处螺纹（与螺母配车）

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">锥堵顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">卧式车床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">21

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">精磨外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">精磨各外圆及E、F两端面

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">锥堵顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">外圆磨床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">22

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">粗磨外锥面

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">粗磨两处1∶12外锥面

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">锥堵顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">专用组合磨床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">23

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">精磨外锥面

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">精磨两处两处1∶12外锥面、D端面及短锥面

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">锥堵顶尖孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">专用组合磨床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">24

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">精磨大端锥孔

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">精磨大端莫氏6号内锥孔（卸堵，涂色法检查接触率≥70%）

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">前支承轴颈及Ø75h5外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">专用主轴锥孔磨床

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">25

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">钳工

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">端面孔去锐边倒角，去毛刺

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">26

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">检验

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">按图样要求全部检验

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">前支承轴颈及Ø75h5外圆

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">专用检具