机械主轴指的是机床上带动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结构刚度是决定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、刚度和速度适应性。
①旋转精度:主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动(见形位公差),主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。
②动、静刚度:主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。
③速度适应性:允许的最高转速和转速范围,主要决定于轴承的结构和润滑,以及散热条件。
主轴加工过程中的加工工序和热处理均会产生不同的加工误差和应力,因此要划分加工阶段,通常分为三个阶段:
1、粗加工阶段
⑴毛坯处理:备料,锻造,热处理(正火);
⑵粗加工:锯除多余部分,铣端面,钻中心孔,粗车外圆;目的:切除大部分余量,接近终形尺寸,只留少量余量,及时发现缺陷。
2、半精加工阶段
⑴半精加工前热处理:调质热处理
⑵半精加工:车大端各部,车小端各部,钻深孔,车小端锥孔,车大端锥孔,钻孔;
目的:为精加工作准备,次要表面达到图纸要求。
3、精加工阶段
⑴精加工前热处理渗氮处理
⑵工前各种加工:精车外圆,粗磨外圆,粗磨大端锥孔,铣花键,铣键槽,车螺纹;
⑶精加工:精磨外圆,粗磨外锥面,精磨外锥面;
在不同的加工阶段需要不同的热处理方法来配合,下面就对车床主轴的热处理工艺进行详细的叙述。
粗加工阶段的热处理:正火或退火。
正火或退火的目的是消除锻造应力,细化晶粒,使金属组织均匀化,以利于切削加工。
退火工艺:加热温度Ac3+(30~50)℃,保温时间120min,冷却方式为随炉冷却。
正火工艺:加热温度Ac3+(30~50)℃,保温时间120min,冷却方式为空冷。40Cr属于亚共析钢,退火和正火后都会得到铁素体+珠光体组织,由于空冷的冷速比随炉冷却的冷速大,正火得到的珠光体组织更为细小,因此具有更好的塑性和切削加工性能。
半精加工阶段的热处理调质热处理(淬火+高温回火)。
热处理工艺:870℃淬火,保温70min,油淬,500℃回火,保温100min,油淬。如果调质热处理不当,会造成钢中存在较多的网络状、块状游离铁素体,从而使钢材的强度和冲击韧性下降。淬火温度偏低,回火温度过高是主要的不当操作。淬火时冷却速度缓慢时,铁素体会从原奥氏体晶界优先析出,形成网状铁素体;钢在加热过程中,由于加热温度偏低或保温时间不足时,铁素体未完全溶于奥氏体中,淬火后形成块状游离铁素体。高温回火是一个碳原子扩散,颗粒状碳化物从马氏体中析出,以及消除马氏体痕迹的过程,因此淬火态存在的网状铁素体和块状游离铁素体无法在高温回火中消除而保留在调质处理后的组织中。铁素体的存在会降低组织的强度,硬度,直接影响到疲劳断裂的问题。