主轴的结构特点和技术要求1

一．主轴的结构特点和技术要求

轴类零件是机械加工中的典型零件之一。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，它的主要表面是同轴线的若干个外圆柱面、圆锥面、孔和螺纹等。

机床主轴是一种典型的轴类零件，它是机床的关键零件之一，它把回旋运动和转矩通过主轴端部的家具传递给工件或刀具。因此在工作中主轴要承受转矩和弯矩，而且还要求有很高的回转精度。因此，主轴的制造质量将直接影响到整台机床的工作精度和使用寿命。 主轴零件图上规定了一系列技术要求，如尺寸精度、形状位置公差、表面粗糙、接触精度和热处理要求等。这些都是为了保证主轴具有高的回转精度和刚度、良好的耐磨性和尺寸稳定性。现以CA6140型卧室机床主轴为例，说明其主要技术要求。

1. 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分的作用及技术要求： ⑴ 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1∶12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。

⑵ 主轴工作表面的精度 主轴的工作表面是指装夹道具或家具的定心表面，如莫氏锥孔、轴端外锥或法兰外圆等。对那他们要求有：内外锥面的尺寸精度、几何形状精度和接触精度，定心表面对支承轴颈的同轴度，定位端面对颈轴线的垂直度等。它们对机床工作精度的影响会造成家具或工件的装夹误差。在主轴技术要求中还亏定了近主轴端部的径向园跳动和离端面部300mm处的径向圆跳动。另外为了保证锥孔玉顶尖火道具锥柄接触配合良好，规定须用标准锥度塞规以涂色法检验接触面积，具体要求如表11-12所示。

（3）主轴次要轴颈和其它表面的精度 主轴次要轴颈是指装配齿轮、轴套等零件的表面。它们的尺寸公差等级要求一般为IT7级，圆度公差为0.01mm。主轴上的螺纹一般是用来固定

零件或者调整轴承间隙的。当调整螺母有端面跳动时，会导致被压紧的轴承环倾斜，从而使主轴径向圆跳动增大。这不但会影响工件的加工精度，而且也会降低轴承寿命。因此主轴螺纹的公差等级一般为6g级，相对主轴颈的同轴度公差不超过0.025~0.05mm,相对的螺母支承端面的跳动在500mm半径上小于0.025mm。

（4）主轴各表面粗糙度 不同精度机床的主轴各表面的表面粗糙度要求如表11-3所示。

(5)主轴各表面的硬度 主轴的各轴颈表面、工作表面和其它滑动表面都会受到不同程度的摩擦作用。在滑动轴承配合中，轴颈与轴瓦发生摩擦，要求轴颈表面耐磨性要高，其硬度则可视轴瓦材料而异。如巴氏合金轴的锡青铜，则轴颈表面硬度应大于60HRC；采用钢套轴承时，轴颈表面硬度应更高，如镗床主轴采用表面渗氮处理后，其硬度大于900HV。在滚动轴承配合中，摩擦是由轴承套圈和滚动体承受的，因此轴颈可以不要求很高的耐磨性，但仍要求适当提高其硬度，以改善它的装配工艺性和装配精度。轴颈表面硬度一般为40~50HRC。

对于定心表面，因相配件顶尖和卡盘经常拆卸，易碰伤拉毛而影响接触精度，故必须有一定的耐磨性。为了改善表面拉毛现象，延长机床精度的保持期限，定心表面的硬度一般要求在45HRC以上。

主轴材料通常选用45他、65Mn、40Cr等牌号的钢材。其中65Mn、40Cr的淬透性较好，经调质和表面高频淬火后可获得较高的综合力学性能和耐磨性。当要求主轴在高精度、高转速和重载荷下工作时，可选用18CrMNTi、20Cr、20Mn2B等牌号的低碳合金钢。这些材料经渗碳淬火后，淬火表面层具有压应力，可使其抗弯疲劳强度提高，但热处理工艺性较差，变

形较大。精度主轴可选用38CrMoALA渗氮钢，它的表面硬度和疲劳强度更高，而且，渗氮层还具有抗腐蚀、热处理变形小的优点。

主轴的毛胚多采用锻件。生产批量较小时常采用自由锻，其所需的设备简单，但毛坯精度较差，余量达10mm以上；采用模锻可以锻造形状较复杂的毛坯，加工余量也较少，有利于减少机械加工劳动量，故在成批生产中广泛应用。精密模锻是锻造生产的一项先进工艺，它能锻造出形状复杂、精度较高的毛坯。此外，也有采用由无缝钢管局部镦粗的多轴自动车床主轴毛坯。

二、主轴加工工艺过程

制定主轴工艺过程的要求如下：

1. 加工阶段的划分 主轴加工通常划分为三个阶段，即粗加工、半精加工和精加工。各阶

段的划分大致以热处理为界。划分阶段和合理安排工序是为了保证加工质量，达到较高的生产效率和花费最少的生产成本。

一般精度的主轴，精磨可作为最终工序。对于精密机床的主轴，还应有光整加工阶段，以获得较小的表面粗糙度值，有时也是为了达到更高的尺寸精度和配合要求。

2. 定位肌醇的选择 轴类零件一般能以本身中心孔作为统一基准，但带中心通孔的主轴则

不能做到这一点，因而必须交替使用中心孔和外圆表面作为定位基准。例如外圆粗加工时可以中心孔为定位基准，但中心孔随着深孔加工而消失，因此必须重新建立外圆加工的基面。一般有以下三种方法：

（1） 当中心通孔直径较小时，可直接在孔口倒出宽度不大于2mm的60度锥面来代替中

心孔。若中心通孔直径较大，则可视具体情况采用其他方法。C6140型机床主轴属于一般要求的主轴，为了简化工艺装备，半精加工外圆和车螺纹工序就可采用小端孔口锥面和大端外圆作为定位基准，同事采取一定的工序措施来保证定位精度。例如热处理后的工序8半精车小端面、内孔及倒角，就是为了纠正主轴调质后发生的变形，使工序9的小端孔口锥面与尾座顶尖接触良好。又如热处理后的工序14精车小端莫氏锥孔、端面及倒角，是为了保证工序18车螺纹时的定位精度。同时，工艺上还规定工件装夹后应找正100mm\、80mm外圆的径向圆跳动小于0.03mm，如果超差，则需重新修整小端孔口锥面。

（2） 采用锥形堵塞或锥套心轴。是一种锥堵的形式，其锥度与工件端部定位孔的锥度相：

同。当工件孔为圆柱通孔时，锥堵锥度为1：500。当工件孔的锥度较大时，可采用锥套心轴。

使用锥堵火锥套心轴时，在加工中途一般不能更换或拆卸，要到精磨完各档外圆，不需使用中心孔时才能拆卸，否则，会造成工件各加工表面对锥堵中心孔的同轴度误差而影响各工序已加工表面的相互位置精度。采用锥堵或锥套心轴可使主轴各外圆和轴肩的加工具有统一基准，减少了定位误差。但它的缺点是要配备许多锥堵或锥套心轴，而且会引起主轴变形。

（3） 精加工主轴外圆时也可用外圆本身来定位，即装夹工件时以支承轴颈表面本身找正。

此时可采用可拆卸式锥套心轴，心轴与工件锥孔间有很小的间隙，用螺母和垫圈将心轴压紧在主轴两端面上以后，将心轴连同主轴一起装夹到机床前后顶尖上，然后找正工件支承轴颈以实现外圆本身定位。此时只需备几套心轴，从而简化了工艺装备及其管理工作。

主轴大端锥孔精磨时也可以主轴颈外圆为定位基准。主轴颈是主轴的装配基准，也是测量基准，这样，三种基准重和，就不会产生基准不符误差，从而可靠地保证了大端锥孔相对主轴颈的同轴度要求。

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热处理工序的安排 热处理工序是主轴加工的重要工序，它包括：

（！）毛坯热处理 主轴锻造后要进行正火或退火处理，以消除锻造内应力，改善金相组织、细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性。

（2）预备热处理 通常采用调质火正火处理，安排在粗加工之后进行，以得到均匀细密的回火索氏体组织，使主轴既获得一定的硬度和强度，又有良好的冲击韧性，同时也可以消除粗加工应力。精密主轴经调质处理后，需要切割式样作金相组织检查。

（3）最终热处理 一般安排在粗磨前进行，目的是提高主轴表面硬度，并在保持心部

韧性的同时，使主轴颈或工作 表面获得高的耐磨性和抗疲劳性，以保证主轴的工作精度和使用寿命。最终热处理的方法有局部加热淬火后回火、渗碳渗火和渗氮等，具体应视主轴材料而定。渗碳淬火后还需要进行低温回火处理，对不需要渗碳的不玩可以镀铜保护或预放加工余量后再去碳层。

（4）定性处理 对于精度要求很高的主轴，在淬火、回火后或粗磨工序后，还需要定

性处理。定性处理的方法有低温人工时效和冰冷处理等，目的是消除淬火应力或加工应力，促使参与奥氏体转变为马氏体，稳定金相组织，从而提高主轴的尺寸稳定性，使之长期保持精度。普通精度的CA6140不需要进行定性处理。

4加工顺序的安排 安排的加工顺序应能使各工序和整个工艺过程最经济合理。按照粗精分开、先粗后精的原则，各表面的加工应按由粗到精的顺序按加工阶段进行安排，逐步提高各表面的精度和减小其表面粗糙度值。同时还应考虑以下各点：

（1）主轴深孔加工应安排在外圆粗车之后。这样可以有一个较精确的外圆来定位加工深孔，有利于保证深孔加工的壁厚均匀；而外圆粗加工时又能以深孔钻出前的中心孔为统一基准。

（2）各次要表面如螺纹、键槽及螺孔的加工应安排在热处理后、粗磨前或粗磨后。这样可以较好地保证其相互位置精度，又不致碰伤重要的精加工表面。

（3）外圆精磨加工应安排在内锥孔精磨之前。这是因为以外圆定位来精磨内锥孔更容易保证它们之间的相互位置精度。

（4）各工序定位基准面的加工应安排在该工序之前。这样可以保证各工序的定位精度，使各工序的加工达到规定的技术要求。

（5）对于精密主轴更要严格按照粗精分开、先粗后精的原则，而且，各阶段的工序还要细分。

三、主轴加工的主要工序分析

1.中心孔的修研 作为主轴加工定位基准的中心孔的质量对主轴的加工精度有直接影响。这是由于中心孔的形状误差会复映到加工表面上去，中心孔与顶尖接触不良也会影响工艺系统刚度，造成加工误差。因此，在制定工艺过程时必须十分注意中心孔的加工和修研。 在主轴加工过程中，中心孔要承受工件重量和切削力，会产生磨损、拉毛和变形。经过热处理后，中心孔会产生表面氧化层和变形。因此，在热处理之后，各加工阶段之初，必须对中心孔进行修研，甚至重钻。

对于精密主轴，中心孔的精度更是保证主轴质量的一个关键。所以，在粗磨、半精磨和精磨工序钱必须安排中心孔的修研工序。

中心孔与顶尖的接触面积要求为：精磨时，75%，光整加工时，80%以上。修研中心孔的方法有：

（！）采用铸铁或环氧树脂顶尖为研具，加适量研磨剂，在车床上进行研磨。这种方法精度高，但效率低。

（2）采用油石或橡胶砂轮，加少量柴油或轻机油，在车床上进行研磨。这种方法的效率比以前者高。

（3）采用硬质合金顶尖刮削中心孔。常见的有六棱硬质合金顶尖，它的刃带有微量切削作用和挤光作用，能纠正中新空的几何形状误差，效率高，使用寿命长，表面粗糙度可达Ra0.8µm。

（4）采用专用中心孔磨床修磨中心孔。这种方法精度高，生产效率也高，表面粗糙度可达Ra0.2µm，适宜于成批生产。

2.外圆车削 通常划分为粗车、半精车和精车三个工序。粗车是为切除大部分余量；半精车是为修整预备热处理后的变性；精车则是为进一步使各表面在磨削前具有一定的精度和余量。因此，车削加工的主要问题是提高生产率，在不同生产类型时采用的设备是： （1）单间削皮生产 卧式车床

（2）成批生产 卧式车床附加液压仿形刀架或液压仿形车床。 （3）大批大量生产 广泛采用液压仿形车床，也可采用多刀半自动车床。

由于液压仿形车床实现了车削加工半自动化，更换靠模、调整刀具较简单，减轻了劳动强度，提高了生产率，因此在主轴的成批生产中是经济的。采用液压仿形刀架可使卧式车床充分发挥效能，装卸操作方便，生产成本较低，但是加工精度不够稳定，不宜强力切削，需要进一步提高精度和刚性。用工件本身作为靠模时，液压仿形刀架也可用于小批生产。使用多刀半自动车床可以大大缩短切削行程和机动时间，提高生产率，但刀具调整费时，故主要应用于大量生产。

3.深孔加工 主轴的深孔加工比一般孔加工要复杂和困难得多，这是由于深孔加工的刀杆细长，刚性较差，容易引偏；而且深孔排泄困难，容易堵塞，无法连续加工；同时切削液不易进入切削区，散热较困难，容易使钻头丧失切削能力。所以，应把深孔加工安排在外圆粗车之后，使其有一个较精确的外圆作为定位基准。此外，深孔加工还必须采用特殊的钻头、设备和加工方式，以解决好刀具引导、排屑顺利和冷却润滑充分三个加工关键问题。为此可采取下列工艺措施：

4.（1）采用工件旋转、刀具进给的加工方式，使钻头有自定中心的能力，避免钻孔时偏斜。 （2）采用特殊结构刀具——深孔钻，以增加导向稳定性和断屑性能，来适应深孔加工条件。

（3）在工件上预先加工出一段较精确的导向孔，使钻头在切削开始时不导致引偏。 （4）采用压力输送足够的切削液进入切削区，对钻头其冷却润滑作用，并带着切屑排出。

单件小批生产中，常在卧式车床上用接长的麻花钻进行加工，在加工过程中需多次退出钻头，以排除切屑和冷却钻头。故产生效率低，劳动强度高。成批生产中，普遍在深孔钻床上用内排屑深孔钻头加工，在加工过程中可连续进给，钻出的孔对外圆的轴线偏离量在1000mm长度内以1mm，表面粗糙度Ra为3.2~12.5µm。它的生产效率比前者高一倍以上，并可降低劳动强度。

钻出的深孔应经过精加工才能达到要求。深孔精加工的方法有镗孔和铰孔，由于刀具细长，除了采用一般的进给方法外，也可采用拉镗和拉铰的方法在深孔钻床上加工。拉镗和拉铰的方法是使刀杆受拉，故可防止压弯。

4.轴颈光整加工 外圆磨削能经济地达到公差等级IT7和表面粗糙度Ra为0.2~0.8µm。如采用高精度磨床，操作精细，则可达到公差等级IT6,故能满足普通机床主轴的要求。对于精密机床主轴则还需要进行光整加工，以获得IT6以上的公差等级和很小的表面粗糙度值。外圆表面光整加工的方法有研磨、双轮衍磨和镜面磨削。光整加工特点是；

（1）采用很低的切削用量和单位切削压力，因此，加工过程中的切削力和切削热很小，从而能获得很小的表面粗糙度值。

（2）对上道工序的表面粗糙度要求严格，一般都应达到Ra0.2µm，表面不得有较深的加工痕迹。

（3）加工余量都很小，一般不超过0.2mm，余量过大就会使加工时间过长，产生切削热，降低生产效率，甚至破坏上一道工序已达到的精度。

（4）除镜面磨削外，其他光整加工方法都是“浮动的”，即是依靠被加工表面本身自定中心。因此，只有镜面磨削可以部分地纠正工件的形状误差和位置，而研磨只可以部分地纠正形状误差。

由于镜面磨削的生产效率较高，而且适应性强，所以目前已广泛地应用于机床主轴的光整加工中。

5.锥孔磨削 锥孔磨削是主轴加工的最后一道关键工序，现已普遍采用专用锥孔磨床和专用磨夹具，故能稳定地达到精度主轴的质量要求。如前所述，锥孔磨削的定位基准应选择两个主轴颈。锥孔加工的主要技术问题是： （1）工件支承装夹方式

采用磨床的通用夹具——中心架（图11-18a），工件轴颈支承在两个中心架上或支承子在一个中心架和头架卡盘上。中心架的通用性好，但支承销的接触面较小，容易磨损，需经常调整工件与砂轮的中心等高，而且整个夹具的刚性和支承方式刚性都较差，故只适于单间

小批生产和加工一般精度的主轴。

图11-18a

（2）工作传动方式 为了尽量减少磨床头架主轴轴向窜动和径向圆跳动对工件的影响，头架主轴必须通过饶性联接来传动工件。在精密主轴锥孔磨削中，还可采用线绳、尼龙绳或橡皮筋以一定方式缠绕在主轴拨销与工件卡箍智者见，实现饶性传动，使工件平稳。 （3）磨削操作调整方式 精磨主轴锥孔时容易出现“喇叭口”、锥孔素线不直等形状误差，从而影响锥孔的接触精度。“喇叭口”的出现是由于砂轮轴的刚性差或者砂轮相对锥孔两端的伸出量调整不当造成的。这样，当砂轮磨削锥孔两端孔口时，由于径向减小，砂轮轴的弹性变形也随之减小，使两端孔口多磨去一些，从而造成“喇叭口”。根据上述分析，对于操作调整来说，主要应考虑调整好砂轮相对锥孔两端的伸出量，以改善“喇叭口”现象。锥孔素线不直的出现是由于工件和砂轮旋转轴线不等高所致。在磨削锥孔时，砂轮轴线应保持与工件轴线等高，使砂轮运动轨迹与锥孔素线重合，这样加工出来的锥孔素线为直线；当砂轮轴线与工件轴线不等高，砂轮玉锥面接触处位置会发生变化，这样加工出来的锥孔将成为旋转双曲线。所以操作时应调整夹具，使工件与砂轮轴等高，其偏差控制在0.005~0.001mm。

四主轴检验

主轴是机床的关键零件，各项技术要求很高，因此，除了工序间检验外，在主轴加工全部工序完成后，应对主轴的尺寸、几何形状、相互位置精度和表面粗糙度、硬度等进行全面检验。

检验工作应按一定的顺序进行，一般先检验各外圆的尺寸精度、锥度、圆度等形状精度，表面粗糙度和外观，然后再在专用检验夹具上检验相互位置偏差。大批生产时，若工艺过程稳定，机床精度较高，有些项目可以抽验。

主轴以两个主轴颈支承在V形架上，小端内装入一个锥堵，大端插入一个保准验心棒，轻轻移动主轴，各千分表可以分别读出各项误差值，包括主轴锥孔及各外圆对主轴颈的径向圆跳动和端面圆跳动量。

为了消除检验心棒本身的同轴度误差的影响，在检验轴端和300mm处的跳动时，应将检验心棒转过180度后再检验一次，将两次读数的平均值，可使检验心棒的误差互相抵消。 上述检验方法的定位方式符合基准重合原则、不存在基准不符误差。