车床主轴的选材 加工路线 热处理

选择车床主轴材料,设计合理的加工路线,热处理工艺方案

摘要：根据车床主轴的工作情况,对材料的选用、其加工路线及相应的热处理工艺进行了分析,并就其操作提出了自己观点。

关键词：车床主轴；加工路线；热处理工艺；材料

一、材料的选择

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，常常发生疲劳断裂。

2、轴颈和花键等部位发生相对运动，承受较大的摩擦，轴颈表面产生过量的磨损。

3、承受一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、足够的韧性、疲劳强度、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，高的表面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。主轴的摩檫和磨损情况;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;主轴精密度和光洁度;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殊性能。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采用合金钢。合金钢对应力集中的敏感性高，因此设计时应从结构上避免或减小应力集中，并降低其表面粗糙度的数值。由于在常温下合金钢的弹性模量与一般碳素钢差不多，故选合金钢对提高轴的刚度没有实效。

而对形状复杂的轴可采用球墨铸铁。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、交变载荷不大的情况下，具有普通力学性能就能满足要求，一般采用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，而且材料来源方便，加工性、经济性好。

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，应采用锻件。

综上，无其他特殊要求一般的车床主轴采用45 钢锻件毛坯制造即可。

二、加工工艺路线

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)。

三、热处理工艺分析

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，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临街冷却速度进行冷却，过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的一种工艺过程。

回火工艺是根据零件材料的化学成分，淬火组织、零件的几何形状、保温时间和冷却方式等。

一般来说，淬火后还必须进行相应的回火处理，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、保暖和冷却，使其组织结构达到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除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准备良好的组织状态。

1 锻造毛坯正火

目的：锻造可成轴的毛坯和获得合适的加工流线。而对于大锻件，截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织或消除魏氏组织，如果用退火，硬度太低，切削容易粘刀。所以采用正火提高强度，消除毛坯的锻造应力,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准备。

热处理工艺:850 ±10 ℃,保温1. 5 h ,空冷。

2 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洁的表面。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。

热处理工艺:淬火840 ±10 ℃,保温1. 5 h ,水冷;

回火580 ±10 ℃,保温2～2. 5 h ,空冷。

3 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:采用超过45 钢正常淬火温度的900℃进行快速加热,使锥孔及外锥体的表面快速达到淬火温度,进行淬火冷却,可以保证锥孔及外锥体表面的硬度和性能要求,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。

4 花键高频淬火

花键部位采用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,为避免淬硬层过深,应力集中造成尖角开裂,一般采用高频而不是中频设备进行淬火,淬硬层深度可达1～2mm。同时,淬火后的及时回火,也能减缓尖角部位的开裂倾向。

5 结束语

总之,由于轴较长,故锥部淬火应与花键淬火分开进行,这样可减少淬火变形,并且锥部淬火及回火后,需用粗磨来纠正淬火变形。然后再进行花键的加工与淬火。最后用精磨来消除总的变形,从而保证主轴的装配质量。