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, 主轴所选的材料应满足: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, 以防止轴颈磨损。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, 有时也可用球墨铸铁。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。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。形状复杂的轴可采用球墨铸铁。
CA6132主轴承受变弯曲应力与扭转应力, 但由于承受的载荷并不是很大, 转速也不高, 冲击作用也不大, 所以具有一般的综合力学性能即可。但因为主轴大端的内锥孔和外锥孔处, 因经常与卡盘、顶尖有相对摩擦;花键部位与齿轮有相对滑动, 所以这些部位要求较高的硬度与耐磨性。
40钢虽淬透性较差, 但主轴工作时最大应力分布在表面, 在粗车后, 轴的形状较简单, 在调质淬火时一般不会开裂;车床主轴直径较大, 阶梯较多, 宜选锻件毛坯, 并且节约原材料和减少加工工时;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, CA6132车床主轴采用廉价、可锻性和切削加工性都良好的40钢锻件毛坯即可。
锯床下料→自由锻制备毛坯→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) 。
钢的热处理工艺主要分为:淬火、回火、正火、退火。钢的淬火是将获得马氏体或贝氏体组织的一种工艺过程。淬火后还必须进行相应的回火处理, 以实现材料以下几个方面性能:○1提高硬度和耐磨性○2提高强韧性○3提高弹性与硬磁性○4提高耐蚀性和耐热性。将金属及合金加热、保温和冷却, 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。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。
目的:锻造主轴的毛坯以获得合适的加工流线。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。
工厂实用热处理规范:850±10℃, 保温1.5 h, 空冷。
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。为了更好地发挥调质的效果, 故安排在粗加工之后。
工厂实用热处理规范:淬火840±10℃, 保温1.5h, 水冷;
回火580±10℃, 保温2～2.5h, 空冷。
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。
工厂实用热处理规范:淬火900±10℃, 保温20 min, 水冷。
操作技巧:采用超过40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。
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。
由于主轴较长, 故锥部淬火与花键淬火不宜一次完成, 应分开进行, 这样才能减少淬火变形, 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, 从而保证主轴装配的形位精度。
摘要：根据CA6132车床主轴的工作情况、失效形式, 基于主轴常用材料性能的分析、对主轴材料做出选择, 再根据工艺要求确定其加工路线, 并特别对主轴的热处理工艺进行分析, 并就厂家实际生产流程提出优化的建议。
关键词：车床主轴,材料,加工路线,热处理工艺
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