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1、CA6140机床主轴数控加工工艺及夹具设计摘 要随着我过国民经济的快速发展,数控机床在国内的应用越来越普遍,数控机床作为高效率自动化装备越来越广大应用,数控技术是集计算机技术,自动控制技术,测试控制技术,机械知道技术为一体的综合性高新技术,它将机械装备的功能,可靠性,效率,质量及自动化程度等提高到一个新的水平。数控机床的组成不见大致可以分为机械和电气两部分,机械部分通常称为机床本体,它由对主轴组件的主运动系统,进给系统,支撑系统和自动换刀系统组成。主轴组件由主轴,主轴轴承和安装在主轴的传动件,密封件等组成。主轴组件是机床实现旋转运动的执行件,它直接带动工件或刀具参加表成形运动是机床上的一个关键
2、组件。主轴组件是机床主要部件之一,它的性能,对整机性能有很大的影响,主轴直接承受切削力,速度范围很大,所以对主轴组件的主要性能提出很高的要求。在数控机床中，不论是数控车床、钻床还是铣床，其主轴是最关键的部件，对机床精度起着至关重要的作用。因此如何正确地设计机床主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的。关键词：数控机床；主轴组件；加工精度CA6140 spindle of ncmachining process and fixture design ABSTRACT With the national economy, I have the rapid development of CNC
3、machine tools in China increasing application, CNC machine tools as an efficient application of the broad masses of more and more automated equipment, numerical control technology is a set of computer technology, automatic control technology, control of test Technology, machinery and technical know
4、that a comprehensive and high-tech, machinery and equipment will function, reliability, efficiency, quality and degree of automation and so on to a new level. The composition of CNC machine tools not generally be divided into two parts, machinery and electrical and mechanical parts of the body are u
5、sually referred to as machine tools, which is the main axis of the main components of the Movement system, feeding system, support system and automatic tool changing system. Spindle assembly by the spindle, the spindle bearing and spindle installed in the transmission of documents, seals, and other
6、components. Is the main component of the campaign spin machine to achieve the implementation of pieces, which led directly to work or participate in the tool table are Movement forming machine tools, a key component. Axis machine tool components is one of the major components, and its performance, o
7、n the whole a great performance, cutting force under the direct axis, the speed of a large area, so the main axis of the main components of the proposed high performance. In the CNC machine tools, both CNC lathes, milling or drilling, the spindle is the most critical components of precision machine
8、tools play a crucial role. Therefore, how to properly design and components for machine tool spindle machining accuracy is essential.Key words:NC machine tool; spindle components; processing accuracy目 录第一章 绪论.1第二章 车床主轴的加工工艺.2 2.1CA6140车床主轴技术要求及功用.2 2.2主轴加工的要点与措施.32.3CA6140车床主轴加工定位基准的选择.42.4CA6140车床主
9、轴主要加工表面加工工序安排.5谢 辞.7参考文献.8插图清单图1CA6140车床的主轴简图.2图2组合磨削.5图3锥堵与锥套心轴.6图4磨主轴锥孔夹具.7第一章 绪 论机床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。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。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。动、静刚度：主要决定于主轴的弯曲
10、刚度、轴承的刚度和阻尼。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。 20世纪40年代以前，大多数机床的主轴采用单油楔的滑动轴承。随着滚动轴承制造技术的提高，后来出现了多种主轴用的高精度、高刚度滚动轴承。这种轴承供应方便，价格较低，摩擦系数小，润滑方便，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年代以后出现的液体静压轴承，精度高，刚度高，摩擦系数小，又有良好的抗振性和平稳性，但需要一套复杂的供油设备，所以只用在高精度机床和重型机床上
11、。气体轴承高速性能好,但由于承载能力小,而且供气设备也复杂，主要用于高速内圆磨床和少数超精密加工机床上。70年代初出现的电磁轴承，兼有高速性能好和承载能力较大的优点，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，但成本较高，可用于超精密加工机床第二章 车床主轴的加工工艺车床主轴的加工工艺1CA6140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
12、分的作用及技术要求： 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112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。 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4550HRC。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
13、（或工具）产生同轴度误差。 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。 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。 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
14、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，工位精磨前、后
15、轴颈锥面，工位用角度成形砂轮，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
16、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。 3CA6140车床主轴加工定位基准的选择 主轴加工
17、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120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
18、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112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。 4CA6140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75h5、80h5、90g5、105h5轴颈，两支承轴颈及大头锥孔。它们加工的尺寸精度在IT5IT6之间，表面粗糙度Ra为0.40.8mm。 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）；
19、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
20、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。参考文献1 几何量公差与检测甘永立，上海科学技术出版社，20062 数控机床夏凤芳，高等教育出版社，2002 3金属切削机床设计简明手册范云涨陈兆年，北京机械工业出版社，1993 4机械制造工艺学赵志修，北京机械工业出版社，1993 5经济型数控机床系统设计张新义，北京机械工业出版社 20056机械零件设计手册周开勤，高等教育出版社 20037精密机械设计基础赵跃进何献忠主编，北京理工大学出版社 2002
