CN103878544A - 一种高精度主轴加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高精度主轴的机械加工技术领域，具体的是一种高精度主轴加工工艺。它包括以下步骤：（1）下料，（2）正火，（3）粗车外圆并在一端钻内孔，（4）研中心孔，（5）精车外圆及定位槽，（6）滚花键，（7）钻定位销孔，（8）热处理：渗碳淬火，（9）抛丸，（10）校直，（11）热处理后研磨中心孔，（12）热处理后车定位槽，（13）精车内孔；在滚花键及精车内孔步骤中采用专用夹具进行装夹，保证主轴的各项精度及加工要求。

Description

一种高精度主轴加工工艺
技术领域
本发明涉及高精度主轴的机械加工技术领域，具体的是一种高精度主轴加工工艺。
背景技术
主轴是重型卡车变速箱的重要零部件，承载着变档及传递扭矩的重要作用。通常重型汽车有十几个档位，主轴又是安装变档齿轮的主要零部件，因此主轴有多个用于齿轮轴向定位用的定位槽。
为了尽可能减小变速箱的体积，节约空间，减轻重量，各档位的齿轮设计的非常紧凑，因此要求齿轮轴向尺寸精度非常高，同时定位槽侧面有垂直度要求。主轴有很长的渐开线花键，用于变档滑套的滑动，实现变档及传递扭矩的功能；为了提高变档的灵活性，降低传动噪音，要求花键精度较高。
目前主轴材料一般选用20CrMnTi等低碳合金钢，长度一般在400mm左右，花键长度在370mm左右，需要经过渗碳淬火热处理工艺。在热处理过程中主轴长度方面要变长，变长量与长度基本成正比，花键公法线长度等也会因为热处理而涨大，同时主轴会产生弯曲变形，这些因素都会对主轴的尺寸精度产生很大的影响，给加工带来很大的困难，按正常工艺很难保证设计要求。
一般主轴的一端设计为带内孔结构，用于安装万向节机构，内孔有跳动要求，内孔底面有垂直度要求，内孔底面与定位槽轴向尺寸要求严格，此尺寸必须采用专用夹具进行定位夹紧，使定位基准与设计基准相同，才可以保证设计精度，如果采用砂轮磨内孔的加工方法无法保证该尺寸精度，由于砂轮的磨损影响孔径的精度，导致孔径不一致，产品质量难以控制；而且磨削加工生产效率低，对加工人员要求较高，增加了人力资源成本。这就是现有技术所存在的不足之处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种高精度主轴加工工艺，保证主轴内孔底面的位置尺寸要求和内孔跳动要求。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种高精度主轴加工工艺，其特征是：包括以下步骤：（1）下料，（2）正火，（3）粗车外圆并在一端钻内孔，（4）研中心孔，（5）精车外圆及定位槽，（6）滚花键，（7）钻定位销孔，（8）渗碳淬火，（9）抛丸，（10）校直，（11）热处理后研磨中心孔，（12）热处理后车定位槽，（13）精车内孔；
其中：在精车内孔步骤中采用专用夹具对主轴定位夹紧，所述专用夹具包括弹簧顶尖Ⅰ、三爪自定心卡盘和卡爪，所述弹簧顶尖Ⅰ设置在车床主轴的锥孔内，所述三爪自定心卡盘一端与车床主轴连接、另一端与卡爪固定连接。所述卡爪夹紧主轴钻内孔的一端的外圆、弹簧顶尖Ⅰ顶紧主轴的另一端的中心孔，主轴采用一夹一顶的装夹方式，保证了内孔底面的位置尺寸要求和内孔跳动要求。
上述卡爪设置有三个、并且等间隔的固定在三爪自定心卡盘上。
上述弹簧顶尖Ⅰ包括顶尖Ⅰ、锥套、螺母Ⅰ和弹簧Ⅰ，所述锥套与车床主轴的锥孔匹配，所述锥套一端设置有与顶尖Ⅰ匹配的通孔Ⅰ、锥套另一端与螺母Ⅰ固定连接，所述螺母Ⅰ上设置有与顶尖Ⅰ匹配的通孔Ⅱ，所述通孔Ⅱ和通孔Ⅰ的轴线重合，所述顶尖Ⅰ上设置有轴肩Ⅰ，所述轴肩Ⅰ位于锥套内，所述弹簧Ⅰ设置在顶尖Ⅰ的外围、并且弹簧Ⅰ位于轴肩Ⅰ与设置有通孔Ⅰ的锥套一端之间。
上述卡爪包括卡爪体Ⅰ、定位块和卡爪体Ⅱ，所述卡爪体Ⅰ的一端与三爪自定心卡盘固定连接、另一端与卡爪体Ⅱ固定连接，所述定位块与卡爪体Ⅰ固定连接。所述定位块的一端与主轴上的定位槽匹配。
在精车内孔步骤中，机床采用CA6140A普通车床，机床转速为560r/min，刀具采用内孔车刀，进给速度为0.2mm/r，加工余量为2mm，内孔跳动为0.05mm，内孔底面垂直度为0.03mm。采用专用刀片，磨损慢，保证了产品精度要求，相对于磨削加工降低了刀具成本。
在滚花键步骤中，滚花键前先使用与主轴相同长度的标准芯轴校验尾座，保证芯轴X、Y方向的直线度小于0.02，前后顶尖跳动小于0.015，同时公法线长度预留0.03热处理涨量。保证主轴中心孔的精度及花键外圆的跳动。
在滚花键步骤中采用专用夹具对主轴定位夹紧，所述专用夹具包括连接盘、弹簧顶尖Ⅱ、夹具体、端面齿盘和回转顶尖，所述连接盘一端与铣床主轴固定连接、连接盘另一端与夹具体的一端固定连接、夹具体的另一端与端面齿盘固定连接，所述弹簧顶尖Ⅱ与夹具体固定连接。回转顶尖与主轴钻内孔一端的中心孔配合、弹簧顶尖Ⅱ与主轴另一端的中心孔配合，起到对主轴的定位作用，回转顶尖顶紧主轴钻内孔一端的中心孔、端面齿盘夹紧主轴的另一端。
上述弹簧顶尖Ⅱ包括顶尖Ⅱ、顶尖Ⅱ套和弹簧Ⅱ，所述顶尖Ⅱ套与夹具体螺纹连接，所述顶尖Ⅱ套一端设置有与顶尖Ⅱ匹配的通孔Ⅲ，所述顶尖Ⅱ上设置有轴肩Ⅱ，所述轴肩Ⅱ位于顶尖Ⅱ套内，所述弹簧Ⅱ设置在顶尖Ⅱ的外围，并且弹簧Ⅱ位于轴肩Ⅱ与设置有通孔Ⅲ的顶尖Ⅱ套一端之间，上述顶尖Ⅱ套外围设置有螺母Ⅱ，所述螺母Ⅱ与顶尖Ⅱ套螺纹连接。所述螺母Ⅱ起到对顶尖Ⅱ套的固定作用，防止加工时顶尖Ⅱ套与夹具体松脱。
在滚花键步骤中，机床采用YKX6012高效数控花键轴铣床，机床转速为330r/min，刀具采用渐开线花键滚刀，进给速度为25mm/min，加工余量为4.4mm，齿圈定向跳动为0.03mm，直线度为0.03mm。
在精车外圆及定位槽步骤中，所述定位槽槽宽及定位槽槽距的尺寸按0.7‰预留伸长量,确保热处理后有0.1mm的加工余量。
本发明的有益效果从上述的技术方案可以得知：
1.通过研中心孔，保证了后序步骤加工精度；
2.通过对滚齿机的校对调整，并采用专用夹具对主轴进行定位夹紧，保证了花键的加工精度；
3.精车定位槽预留涨量，保证了热处理后车定位槽的加工余量；
4.热处理后车定位槽，保证了主轴定位槽槽宽及定位槽槽距精度要求；
5.对所钻内孔采用车削进行精加工，大大提高了生产效率，磨削加工平均每件产品需要2min车削只需要0.6min；车削加工对操作员的要求低于磨削加工，降低了人力资源成本；在精车内孔的步骤中，主轴采用一夹一顶的装夹方式，保证了内孔底面的位置尺寸要求和内孔跳动要求。
附图说明
图1为精车内孔步骤中专用夹具的结构示意图；
图2为图1中弹簧顶尖Ⅰ的结构示意图；
图3为图1中卡爪的结构示意图；
图4为滚花键步骤中专用夹具的结构示意图。
图中： 1-弹簧顶尖Ⅰ，1.1-顶尖Ⅰ，1.1.1-轴肩Ⅰ，1.2-弹簧Ⅰ，1.3-锥套，1.3.1-通孔Ⅰ，1.4-螺母Ⅰ，1.4.1-通孔Ⅱ，2-车床主轴，3-三爪自定心卡盘，4-主轴，4.1-定位槽，4.2-内孔，4.3-定位销孔，5-卡爪，5.1-卡爪体Ⅰ，5.2-定位块，5.3-卡爪体Ⅱ，6-螺栓Ⅰ，7-螺栓Ⅱ，8-螺钉，9-螺栓Ⅲ，10-螺栓Ⅳ，11-铣床主轴，12-连接盘，13-顶尖Ⅱ，13.1-轴肩Ⅱ，14-顶尖Ⅱ套，14.1-通孔Ⅲ，15-弹簧Ⅱ，16-螺母Ⅱ，17-夹具体，18-端面齿盘。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
一种高精度主轴加工工艺，包括以下步骤：
（1）下料：将圆钢截断形成棒料；
（2）正火：对棒料进行正火处理，去除棒料的内应力，降低棒料的硬度，为后序加工做好准备；
（3）粗车外圆并在一端钻内孔4.2：采用常规装夹方法将正火处理后的棒料装夹在普通车床上，粗车棒料外圆；利用常规装夹方法将粗车后的棒料装夹在普通钻床上，在主轴一端钻内孔4.2，所述主轴钻内孔一端的直径大于主轴另一端的直径、但小于主轴中段的直径；
（4）研中心孔：在主轴4两端加工中心孔，所述主轴4钻内孔一端的中心孔为内孔4.2端部的倒角结构，研中心孔提高中心孔的角度、圆度精度，保证主轴4两端中心孔的同轴度，保证后续步骤的加工精度；
（5）精车外圆及定位槽4.1：采用常规装夹方法将经过步骤（4）处理后的主轴4装夹在普通车床上精车外圆及定位槽4.1，通过对热处理涨量的统计分析，确定同类主轴经过热处理后的轴向尺寸伸长量约为0.7‰，定位槽4.1槽宽及定位槽4.2槽距的尺寸按0.7‰预留伸长量,确保热处理后有0.1mm的加工余量；
（6）滚花键：滚花键前使用与主轴4相同长度的标准芯轴校验尾座，保证芯轴X、Y方向的直线度小于0.02，前后顶尖跳动小于0.015，同时公法线长度应预留0.03热处理涨量，保证主轴4中心孔的精度及花键外圆的跳动；在滚花键步骤中所用的专用夹具包括连接盘12、弹簧顶尖Ⅱ、夹具体17、端面齿盘18和回转顶尖，所述连接盘12一端与铣床主轴11固定连接、连接盘12另一端与夹具体17的一端固定连接、夹具体17的另一端与端面齿盘18固定连接，所述弹簧顶尖Ⅱ与夹具体17固定连接，回转顶尖与主轴4钻内孔一端的中心孔配合、弹簧顶尖Ⅱ与主轴4另一端的中心孔配合，起到对主轴4的定位作用，回转顶尖顶紧主轴4钻内孔一端的中心孔、端面齿盘18夹紧主轴4的另一端；
（7）钻定位销孔4.3，所述定位销孔4.3用于安装定位销；
（8）热处理：渗碳淬火：对钻完定位销孔4.3的主轴4进行渗碳淬火处理，增强主轴4表面的硬度，提高主轴4耐磨程度；
（9）抛丸：对渗碳淬火后的主轴4进行抛丸处理，增加主轴4表面的光洁度；
（10）校直：保证主轴4的直线度；
（11）热处理后研磨中心孔：消除热处理对中心孔的影响，提高中心孔表面粗糙度；
（12）热处理后车定位槽4.1：采用普通车床保证主轴4的定位槽4.1槽宽及定位槽4.1槽距精度要求为±0.025mm；
（13）精车内孔：对所钻内孔4.2进行精车加工，在精车内孔步骤中所用专用夹具包括弹簧顶尖Ⅰ1、三爪自定心卡盘3和卡爪5，所述弹簧顶尖Ⅰ1设置在车床主轴2的锥孔内，所述三爪自定心卡盘3一端与车床主轴2连接、另一端与卡爪5固定连接，卡爪5夹紧主轴4钻内孔4.2一端的外圆、车床主轴2上安装的弹簧顶尖Ⅰ1顶紧主轴4的另一端的中心孔，主轴4采用一夹一顶的装夹方式，保证内孔4.2孔底尺寸、垂直度要求及跳动要求。
如图1-3所示，在精车内孔4.2步骤中，所述卡爪5设置有三个、并且等间隔的固定在三爪自定心卡盘3上，在图1中只显示出了一个卡爪5的结构。
所述弹簧顶尖Ⅰ1包括顶尖Ⅰ1.1、锥套1.3、螺母Ⅰ1.4和弹簧Ⅰ1.2，所述锥套1.3与车床主轴2的锥孔匹配，所述锥套1.3一端设置有与顶尖Ⅰ1.1匹配的通孔Ⅰ1.3.1、锥套1.3另一端与螺母Ⅰ1.4固定连接，所述螺母Ⅰ1.4上设置有与顶尖Ⅰ1.1匹配的通孔Ⅱ1.4.1，所述通孔Ⅱ1.4.1和通孔Ⅰ1.3.1的轴线重合，所述顶尖Ⅰ1.1上设置有轴肩Ⅰ1.1.1，所述轴肩Ⅰ1.1.1位于锥套1.3内，所述弹簧Ⅰ1.2设置在顶尖Ⅰ1.1的外围、并且弹簧Ⅰ1.2位于轴肩Ⅰ1.1.1与设置有通孔Ⅰ1.3.1的锥套1.3一端之间。顶尖Ⅰ1.1可以在锥套1.3内轴向移动。
所述卡爪5包括卡爪体Ⅰ5.1、定位块5.2和卡爪体Ⅱ5.3，所述卡爪体Ⅰ5.1的一端与三爪自定心卡盘3固定连接、另一端与卡爪体Ⅱ5.3固定连接，所述定位块5.2与卡爪体Ⅰ5.1固定连接，所述定位块5.2的一端与主轴上的定位槽4.1匹配。在弹簧顶尖Ⅰ1的作用下，主轴4上的定位槽4.1的一侧与定位块5.2接触，定位块5.2限制主轴4的轴向位置，对主轴4进行定位，保证定位槽4.1与内孔4.2底端的距离尺寸精度。
所述卡爪体Ⅰ5.1与三爪自定心卡盘3通过螺栓Ⅰ6和螺栓Ⅱ7固定连接，所述卡爪体Ⅱ5.3和卡爪体Ⅰ5.1通过螺钉8和螺栓Ⅲ9固定连接，所述定位块5.2与卡爪体Ⅰ5.1通过螺栓Ⅳ10固定连接，所述螺栓Ⅲ9和螺栓Ⅳ10的轴线重合。使用时，将主轴4与钻内孔4.2相对的一端顶住顶尖1.1，使得定位槽4.1的一侧与定位块5.2接触，然后将三爪自定心卡盘3慢慢夹紧，卡爪Ⅱ5.3夹紧主轴4钻内孔4.2一端的外圆。在精车内孔步骤中，主轴4采用一夹一顶的装夹方式，保证了主轴4的跳动要求；定位块5.2通过定位槽4.1对主轴4定位，保证定位槽4.1与内孔4.2底端的距离尺寸精度。
在车内4.2孔步骤中，机床采用CA6140A普通车床，机床转速为560r/min，刀具采用内孔车刀，进给速度为0.2mm/r，加工余量为2mm，内孔跳动为0.05mm，内孔底面垂直度为0.03mm。
在滚花键步骤中，如图4所示，所述弹簧顶尖Ⅱ包括顶尖Ⅱ13、顶尖Ⅱ套14和弹簧Ⅱ15，所述顶尖Ⅱ套14与夹具体17螺纹连接，所述顶尖Ⅱ套14一端设置有顶尖Ⅱ13匹配的通孔Ⅲ14.1，所述顶尖Ⅱ13上设置有轴肩Ⅱ13.1，所述轴肩Ⅱ13.1位于顶尖Ⅱ套14内，所述弹簧Ⅱ15设置在顶尖Ⅱ13的外围，并且弹簧Ⅱ15位于轴肩Ⅱ13.1与设置有通孔Ⅲ14.1的顶尖Ⅱ套14一端之间。
上述顶尖Ⅱ套14外围设置有螺母Ⅱ16，所述螺母Ⅱ16与顶尖Ⅱ套14螺纹连接。所述螺母Ⅱ16起到对顶尖Ⅱ套14的固定作用，防止加工时顶尖Ⅱ套14与夹具体17松脱。
在滚花键步骤中，机床采用YKX6012高效数控花键轴铣床，机床转速为330r/min，刀具采用渐开线花键滚刀，进给速度为25mm/min，加工余量为4.4mm，齿圈定向跳动为0.03mm，直线度为0.03mm。
本发明中未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述实施方式，本领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高精度主轴加工工艺，其特征是：包括以下步骤：（1）下料，（2）正火，（3）粗车外圆并在一端钻内孔，（4）研中心孔，（5）精车外圆及定位槽，（6）滚花键，（7）钻定位销孔，（8）热处理：渗碳淬火，（9）抛丸，（10）校直，（11）热处理后研磨中心孔，（12）热处理后车定位槽，（13）精车内孔；
其中：在精车内孔步骤中采用专用夹具对主轴定位夹紧，所述专用夹具包括弹簧顶尖Ⅰ、三爪自定心卡盘和卡爪，所述弹簧顶尖Ⅰ设置在车床主轴的锥孔内，所述三爪自定心卡盘一端与车床主轴连接、另一端与卡爪固定连接。
2.根据权利要求1所述的高精度主轴加工工艺，其特征是：所述卡爪设置有三个、并且等间隔的固定在三爪自定心卡盘上。
3.根据权利要求2所述的高精度主轴加工工艺，其特征是：所述弹簧顶尖Ⅰ包括顶尖Ⅰ、锥套、螺母Ⅰ和弹簧Ⅰ，所述锥套与车床主轴的锥孔匹配，所述锥套一端设置有与顶尖Ⅰ匹配的通孔Ⅰ、锥套另一端与螺母Ⅰ固定连接，所述螺母Ⅰ上设置有与顶尖Ⅰ匹配的通孔Ⅱ，所述通孔Ⅱ和通孔Ⅰ的轴线重合，所述顶尖Ⅰ上设置有轴肩Ⅰ，所述轴肩Ⅰ位于锥套内，所述弹簧Ⅰ设置在顶尖Ⅰ的外围、并且弹簧Ⅰ位于轴肩Ⅰ与设置有通孔Ⅰ的锥套一端之间。
4.根据权利要求2或3所述的高精度主轴加工工艺，其特征是：所述卡爪包括卡爪体Ⅰ、定位块和卡爪体Ⅱ，所述卡爪体Ⅰ的一端与三爪自定心卡盘固定连接、另一端与卡爪体Ⅱ固定连接，所述定位块与卡爪体Ⅰ固定连接，所述定位块的一端与主轴上的定位槽匹配。
5.根据权利要求1所述的高精度主轴加工工艺，其特征是：在精车内孔步骤中，机床采用CA6140A普通车床，机床转速为560r/min，刀具采用内孔车刀，进给速度为0.2mm/r，加工余量为2mm，内孔跳动为0.05mm，内孔底面垂直度为0.03mm。
6.根据权利要求1所述的高精度主轴加工工艺，其特征是：在滚花键步骤中，滚花键前先使用与主轴相同长度的标准芯轴校验尾座，保证芯轴X、Y方向的直线度小于0.02，前后顶尖跳动小于0.015，同时公法线长度预留0.03热处理涨量。
7.根据权利要求1或6所述的高精度主轴加工工艺，其特征是：在滚花键步骤中采用专用夹具对主轴定位夹紧，所述专用夹具包括连接盘、弹簧顶尖Ⅱ、夹具体、端面齿盘和回转顶尖，所述连接盘一端与铣床主轴固定连接、连接盘另一端与夹具体的一端固定连接、夹具体的另一端与端面齿盘固定连接，所述弹簧顶尖Ⅱ与夹具体固定连接。
8.根据权利要求7所述的高精度主轴加工工艺，其特征是：所述弹簧顶尖Ⅱ包括顶尖Ⅱ、顶尖Ⅱ套和弹簧Ⅱ，所述顶尖Ⅱ套与夹具体螺纹连接，所述顶尖Ⅱ套一端设置有与顶尖Ⅱ匹配的通孔Ⅲ，所述顶尖Ⅱ上设置有轴肩Ⅱ，所述轴肩Ⅱ位于顶尖Ⅱ套内，所述弹簧Ⅱ设置在顶尖Ⅱ的外围，并且弹簧Ⅱ位于轴肩Ⅱ与设置有通孔Ⅲ的顶尖Ⅱ套一端之间，所述顶尖Ⅱ套外围设置有螺母Ⅱ，所述螺母Ⅱ与顶尖Ⅱ套螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的高精度主轴加工工艺，其特征是：在滚花键步骤中，机床采用YKX6012高效数控花键轴铣床，机床转速为330r/min，刀具采用渐开线花键滚刀，进给速度为25mm/min，加工余量为4.4mm，齿圈定向跳动为0.03mm，直线度为0.03mm。
10.根据权利要求1所述的高精度主轴加工工艺，其特征是：在精车外圆及定位槽步骤中，所述定位槽槽宽及定位槽槽距的尺寸按0.7‰预留伸长量,确保热处理后有0.1mm的加工余量。
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