车床主轴综合分析报告.docx

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1、车床主轴综合分析报告一、车床主轴简介：10 世纪 30 年月以前，大多数机床的主轴承受单油楔的滑动轴承。随着滚动轴承制造技术的提高，后来消灭了多种主轴用的高精度、高刚度滚动 轴承。这种轴承供给便利，价格较低，摩擦系数小，润滑便利，并能适应 转速和载荷变动幅度较大的工作条件，因而得到广泛的应用。但是滑动轴 承具有工作平稳和抗振性好的优点 ,特别是各种多油楔的动压轴承，在一些精加工机床如磨床上用得很多。 50 年月以后消灭的液体静压轴承， 精度高，刚度高，摩擦系数小，又有良好的抗振性和平稳性，但需要一套简洁的供油设备，所以只用在高精度机床和重型机床上。气体轴承高速性能好,但由于承载力气小 ,而且供

2、气设备也简洁，主要用于高速内圆磨床和少数超周密加工机床上。 70 年月初消灭的电磁轴承，兼有高速性能好和承载力气较大的优点，并能在切削过程中通过调整磁场使主轴作微量位移，以提高加工的尺寸精度，但本钱较高，可用于超周密加工机床。机床主轴指的是机床上带开工件或刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承 和传动件齿轮或带轮等组成主轴部件。在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩，如机床主轴；有的用来装夹工件，如心轴。除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主 轴部件。主轴部件的运动精度和构造刚度是打算加工质量和切削效率的重 要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度

3、适应性。主轴是机器中最常见的一种零件，主要由内外圆柱面螺纹花键和横向孔组成，主轴的作用是车床的执行件，它主要起支撑传动件和传动转矩的作用，在工作时有它带开工件直接参与外表成形运动，同时主轴还保证工件对车床其他部件有正确的相对位置因此，主轴部件的工作性能对加工质量和车床的生产率有重要的影响主轴的传动方式是皮带传动和齿轮传动结合的，各种车床主轴部件的结果是有差异的，但是他们的用途根本是全都的，在构造的要求方面也是一样的，在工作性能上都要求与本车床使用性能相适应选择精度刚度等，车床的类型不同主轴工作条件也是不同的。车床主轴的主要功能：1、保证支承刚性；2、保证回转精度径向跳动精度、及轴向窜动精度；3

4、、连接作用卡盘、花盘；4、内锥及端面的耐磨性硬度要求；5、对主轴组件的静平衡、及动平衡；6、连接刀具对内孔有要求。7、输出动力、传递扭矩。参考资料： 陈福恒 孔凡杰主编机械制造工艺学根底二、车床主轴分类及性能要求：主轴轴承是周密机床及类似设备的主轴轴承，它对保证周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：周密主轴轴承包括周密角接触球轴承 70 系列、 719 系列、 72 系列，周密圆柱滚子轴承N10 系列、NN30 系列，周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

5、其带动刀具或工件直接参与外表成形运动，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，操作便利，能快速装卸夹具夹盘。主要应用于周密车床，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，对高速周密机床来说，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外表粗糙度。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

6、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，加工简洁产生颤振、刀具与工件之间的相对振动会使加工外表留下振纹、产生猛烈的噪声、严峻影响加工质量和危害操作者的身心安康；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、严峻时会产生破损; 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， 比方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

7、由加工设备的性能和工艺过程打算的。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退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

8、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 1 C6132 卧式车床主轴零件图参考资料：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，常常发生疲乏断裂。2、轴颈和花键等部位发生相对运动，承受较大的摩擦，轴颈外表产生过量的磨损。3、承受确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

9、够的韧性、疲乏强度、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，高的外表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。主轴的摩檫和磨损状况;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;主轴周密度和光滑度;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别性能。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承受合金钢

10、。合金钢对应力集中的敏感性高，因此设计时应从构造上避开或减小应力集中，并降低其外表粗糙度的数值。由于在常温下合金钢的弹性模量与一般碳素钢差不多，应选合金钢对提高轴的刚度没有实效。而对外形简洁的轴可承受球墨铸铁。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、交变载荷不大的状况下，具有一般力学性能就能满足要求， 一般承受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，而且材料来源便利，加工性、经济性好。在主轴大端的内锥孔和外锥

11、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，应承受锻件。综上，无其他特别要求一般的车床主轴承受45 钢锻件毛坯制造即可。热作击载荷机床主轴材料工作条件材 料处硬 度原因使用实例理1)与滚动轴承协作调2201)调质后，保证主一般机床2)轻载荷或中等载荷，转质250HB轴具有确定强度 主轴速低3)精度要求不高45处理2)精度要求不高4)稍有冲击载荷，交变载荷可以无视不计

12、1) 与滚动轴承协作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无视不计45调质后局部整体淬硬4247HRC1) 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4) 不承受较大冲龙门铣床， 立式铣床 小型立式 车床等的 主轴45正1701)正火或调质后C650、火217HB保证主轴具有一C660、调220定的强度和韧性C8480 等大1)与滚动轴承协作质250HB2)轴颈处有滑动重型车床2)轻载荷或中等载荷，转轴摩擦，需要有较高主轴速低颈的硬度PV150Nm/(cm2s)部3)精度要求不很高分484)冲击,交变载荷不大表53HRC面淬硬淬

13、1)为保证有足够硬的强度，选用 40Cr1) 与滚动轴承协作2) 承受中等，转速较高3) 精度要求较高4) 交变,冲击载荷较小调 42质 47HRC 40Cr(42MnVB) 后或局 52调质2) 轴颈和配件装拆处得到需要的硬度齿轮铣床， 组合车床 等的主轴部 57HRC 3)假设无冲击力，硬淬度要求取高值硬调 220 质 250HB1) 与滚动轴承协作轴1)调质后主轴有2) 承受中等，转速较高 40Cr(42MnVB) 颈较高的强度和韧铣床，龙门3) 精度要求较高4) 交变,冲击载荷较小5) 工作中受冲击载荷部分 48表 53HRC面淬硬性2) 轴颈处得到需要的硬度铣床，车床等的主轴调 22

14、0 质 250HB处或280HB轴颈部1)调质后主轴有分52较高的强度和韧表57HRC性面2)为获得良好的淬耐磨性选择外表火淬硬装拆3)配件装拆局部有确定硬度配理 2501) 与滑动轴承协作2) 承受中等载荷，转速较高PV400Nm/(cm2s)40Cr(42MnVB)3) 承受较高的交变和冲击载荷4) 精度要求较高件 48 处 53HRC表面淬硬车床主轴或磨床砂轮主轴(80mm 以下)1) 与滑动轴承协作40Cr(42CrMn) 调 外表硬 1)调质后主轴有磨床砂轮2) 承受中等载荷，转速较质度较高的强度和韧 主轴PV400Nm/(cm2s)处56性提高理61HRC2)为获得良好的3) 承受

15、较高的交变和冲击载荷4) 精度要求更高轴颈局部耐磨性选择外表淬硬3)配件装拆局部有确定硬度表面淬火装拆配件处表面淬硬65Mn调250质280HB轴颈部1) 与滑动轴承协作2) 承受中等载荷或重载荷PV 400Nm/(cm2s)3) 要求轴颈有更高的耐磨性4) 精度要求较高5) 承受较高的交变，但冲击载荷较小分59HRC 1)调质后有较高表的强度面2)外表淬硬后提淬高耐疲乏性能磨床砂轮硬3)获得较高的硬 主轴装度，提高耐磨性拆4)外表马氏体易配粗大，冲击值低件处 50表 55HRC面淬硬1) 与滑动轴承协作2) 承受中等载荷或重载调1)获得高的外表质 250 硬度和良好的耐 较高精度荷PVGCr

16、159Mn2V轴 280HB 磨性能的磨床主400Nm/(cm2s)3) 要求轴颈有更高的耐颈59HRC 2)超精磨性好，粗轴部糙度易降低磨性4) 精度要求较高5) 承受较高的交变，但冲击载荷较小6) 外表硬度和显微组织要求更高格外表淬硬装拆配件处外表淬硬正 1)有很高的心部1) 与滑动轴承协作2) 受重载荷，转速很高火 250或 280HB强度2) 到达很高的表高精度磨床主轴，镗3) 精度要求极高，轴隙0.003mm4) 受很高的疲乏应力和冲击载荷1) 与滚动或滑动轴承协作，转速较低2) 受轻载荷或中等载荷1) 与滑动轴承协作38CrMoAlA50Mn2调面硬度，不易磨损床主轴、坐质保持精度

17、稳定标镗床等3)优良的耐疲乏渗的主轴900HV性能氮4)畸变量小对于大直径主轴，正 192 当热处理设备或 重型机床火 241HB 技术有困难时，可主轴用此材料渗1)心部强度不高，2) 受中等载荷心部强度20Cr碳 外表硬受力易扭曲畸变高精度精不高，但转速很高20MnVB后度2)外表硬度高，适密车床，内3) 精度要求不太高4) 不大的冲击压力和较高的疲乏应力1) 与滑动轴承协作2) 重载荷，高速运转3) 高的冲击力4) 很高的交变载荷20Mn2B20CrMnTi 12CrNi356 淬 63HRC硬渗 外表硬碳度后 56淬 63HRC用于高速低载荷主轴1) 很高的外表硬度冲击韧性和心部强度2)

18、 热处理畸变比圆磨床等的主轴硬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，由于轴颈与某些轴承协作时，摩擦较大所以此部位应具有较高的硬度仪增加耐磨性。但是某些部位的轴颈与滚动轴承相协作摩擦不大，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力气。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乏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

19、差 0.005 毫米， 两支承轴颈的 1：12 锥面接触率70%，外表粗糙度 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，外表粗糙度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

20、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协作的压紧螺母的端面跳动量所必需的要求。因此在加工主轴螺纹时，必需把握螺纹外表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，主轴的主要加工外表是两个支承轴颈、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、几何外形精度、两个支承轴颈之间的同轴度、支承轴颈与其它外表的相互位置精度和外表粗糙度，则是主轴加工的关键。五、

21、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，其构造为空心阶梯轴，外圆外表有花键、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格外重要的作用。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，保温确定时间使之奥氏体化后，以大于临街冷却速度进展冷却，过冷奥氏体转

22、变为马氏体或贝氏体组织的一种工艺过程。回火工艺是依据零件材料的化学成分，淬火组织、零件的几何外形、保温时间和冷却方式等。一般来说，淬火后还必需进展相应的回火处理，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、保温存冷却，使其组织构造到达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退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预备良好的组织状态。工艺局部过程和热处理分析1、毛坯形成毛坯的制造方法依据使用要求和生产类型而定。毛坯形式有棒料和模锻两种

23、。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承受锻件。锻件还可获得较高的抗拉、抗弯和抗扭强度。单件小批生产一般承受自由锻，批量生产则承受模锻件，大批量生产时假设承受带有贯穿孔的无缝钢管毛坯，能大大节约材料和机械加工量。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适宜的加工流线。而对于大锻件，截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织或消退魏氏组织，假设用退火，硬度太低，切削简洁粘刀。所以承受正火提高强度，消退毛坯的锻造应力,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预备。

24、热处理工艺:850 10 ,保温1. 5 h ,空冷。3、机械粗加工4、 调质目的：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滑的外表。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。热处理工艺:淬火840 10 ,保温1. 5 h ,水冷;回火580 10 ,保温22. 5 h ,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。热处理工艺:淬火900 10 ,保温20 min ,水冷。操作技巧:承受超过

25、45 钢正常淬火温度的900进展快速加热,使锥孔及外锥体的外表快速到达淬火温度,进展淬火冷却,可以保证锥孔及外锥体外表的硬度和性能要求,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承受高频感应加热淬火和回火，以保证其耐磨性和高的精度。操作技巧:由于花键部位存在直角过渡,为避开淬硬层过深,应力集中造成尖角开裂,一般承受高频而不是中频设备进展淬火,淬硬层深度可达12mm。同时,淬火后的准时回火,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展,这样可削减淬火变形,并 且锥部淬火及回火后,需用粗磨来订正淬火变形。然后再进展花键的加工与淬火。最终用精磨来消退总的变形,从而保证主轴的装配质量。六、结论：参考资料：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