CN109047798B - 一种机械主轴及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械主轴及其制备方法，属于轴加工技术领域。机械主轴包括轴芯、轴芯外层，轴芯的材质为合金A，轴芯外层的材质为合金B。并对机械主轴经合金冶炼、成型、热处理等步骤，利用区别于常规的倾析法的“反倾析法”进行工艺的改进，进一步赋予主轴极大的抗冲、缓震的效果。本发明采用特定的成型模具，方便合金A与B的有机结合，并对主轴进行氢元素的临时合金化，可以极大地增强主轴的可塑性，能极易进行机械加工来提升主轴精度，又能在后续的退火过程中除去。

Description

一种机械主轴及其制备方法
技术领域
本发明属于轴加工技术领域，具体涉及一种机械主轴及其制备方法。
背景技术
机床上带动工件或刀具旋转的轴一般称为机械主轴，机械主轴通常由主轴、轴承和传动件等组成主轴部件。在机器中主要用来支撑传动、传递运动及扭矩、或用来装夹工件。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，其中，运动精度可以通过机械加工、机械装备等实现，而结构刚度则是由主轴的材质决定。
机械主轴的材质一般由钢制备而成，钢是指以铁为基础，加入一定量的碳、硅、铬等添加元素并控制杂质元素含量而组成的合金体系。合金钢具有高强度、高硬度和高的性价比，特别适合用作结构材料。
合金的元素组成固然在很大程度上决定了钢的性能，但是，不同的制备方法同样会影响合金的综合性能。传统的机械部件都是直接利用已经冶炼完成的合金锭或合金板等进行机械加工成所需零件，或是直接将钢水注入模具成型，传统的制备方法虽然工艺成熟，然而制备的零件都存在强度、硬度、耐候性、塑性上的缺陷。
公开号108239724A公开了一种合金钢，其能在保证原合金钢(不锈钢)0Cr18Ni9的其他力学性能基础上大幅度提高其断后伸长率。然而仅仅解决断后伸长率完全无法用于机械主轴。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供机械主轴的制备方法，并配合合金成分的调整，以提升合金的强度、硬度、韧性和可塑性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种机械主轴，所述机械主轴包括轴芯、轴芯外层，所述轴芯的材质为合金A，轴芯外层的材质为合金B。
本发明将机械主轴的轴芯与轴芯外层的材质分离，这样有利于发挥主轴的性能，轴芯起到定位的作用，轴芯外层则是保护的作用。
作为优选，所述合金A的组分及质量百分比为：C：0.1-0.3％、Si：0.1-0.3％、Mn：0.05-0.15％、Zr：0.08-0.1％、Ni：0.01-0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质。
作为优选，所述合金B的组分及质量百分比为：C：0.35-0.55％、Si：0.09-0.15％、Cr：0.05-0.15％、Sn：0.08-0.1％、Mo：0.01-0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的合金A与合金B的组成相近，同时也考虑到合金A、合金B在主轴上的具体作用，进行成分的微调，以更符合两者的具体实用性性能。
本发明在合理选用材料及配比的同时还提供了另一种技术方案：
一种机械主轴的制备方法，包括如下步骤：
(1)合金冶炼：将合金A、合金B分别混合熔融形成合金液A、合金液B；
(2)成型：先将柱形模具进行加热，再倒入合金液A，待合金液A芯部冷却后，倒出余下的合金液A，模具冷却至室温，然后倒入合金液B形成主轴坯件；
(3)热处理：将坯件置于真空容器中，充入合金化气体并加热，然后对坯件进行机械加工得主轴半成品，最后将主轴半成品在真空中退火处理得主轴成品。
不同于传统的加工成型或浇注成型的制备方法，本发明首先将主轴分为两个部分，不同部分的合金材质又有所区别，同时采用特定的模具和成型方法进行制备。一般可以认为主轴呈圆柱(或柱环)，本发明在具体成型时，采用从合金液A中心向周围凝固的方法，在芯部达到预定直径后，周围未凝固的合金液A倒出，而固-液的分界面由于是一个逐渐变化的界面，不是两个截然不同的区分点，在分离的过程中，合金液A芯部的周围会形成一个“模糊圆周”，该“模糊圆周”具有极高的摩擦系数，能与合金液B形成良好的过渡界面层，待合金液B冷却后，大约会形成一层宽度为450-480μm的界面层，该界面层不仅能紧密连接两者性质相近的合金(一般外层强度、硬度较大，内层韧性较好)，又能缓解外部带来的冲击力，避免主轴变形。这与普通的铸造-倾析的工艺存在较大差异，普通的倾析过程是利用合金液从周围向心部冷却，即除去中心部分的合金液，留下周围的冷却合金，而本发明与普通的倾析刚好相反，两者形成的界面层性能也不同，普通倾析仅仅是将不同性能的材料结合，而本申请的界面层具有抗冲、缓震的作用。
而在热处理时加入的合金化气体也只是临时合金化气体，会在退火后除去，临时合金化气体能显著提升合金的塑性，即机械加工性能，这对于主轴需要较高的精密度而言，是不小的提升，只有容易进行加工，主轴的精度才能更好的控制。
作为优选，步骤(2)所述柱形模具中心贯穿有导热性良好的金属棒。
进一步优选，所述金属棒逐步降温，降温速率为50-70℃/min，直至降温至室温。
导热性好即导冷性好，本发明正是利用特定的模具中心设置冷却结构，进而改变冷却的方式。
作为优选，步骤(2)中柱形模具加热至与合金液A的温度相同。
作为优选，步骤(3)所述合金化气体包括氢气、氕气、氘气、氚气中的一种或多种。氢元素通常容易对钢造成危害，常在冶炼时除去，而本发明发现，氢及其同位素能增强钢的塑性，所以将成型后的主轴进行氢的热处理，形成临时合金化状态，此时容易进行机械加工来确保主轴的精度。
作为优选，步骤(3)所述退火的温度为600-800℃，保温20-30min，降温速率为40-60℃/min，降至室温。本发明退火不仅是消除产品中的残余应力，同时能除去临时合金化的元素。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明采用特定的成型模具，方便合金A与B的有机结合。
(2)本发明合金A与B会形成界面层，起到抗冲缓震的作用。
(3)本发明对主轴进行氢的临时合金化，可以极大地增强主轴的可塑性，能极易进行机械加工来提升主轴精度，又能在后续的退火过程中除去。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
配料：按上述合金A、B的成分及含量称取原料，其中合金A的组分及质量百分比为：C：0.2％、Si：0.2％、Mn：0.1％、Zr：0.09％、Ni：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质，合金B的组分及质量百分比为：C：0.45％、Si：0.12％、Cr：0.1％、Sn：0.09％、Mo：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；
合金冶炼：将合金A、合金B分别混合熔融形成合金液A、合金液B；
成型：在常规柱形模具中心贯穿有导热性良好的金属棒，先将柱形模具加热至与合金液A相同的温度，再倒入合金液A，控制金属棒的降温速率为60℃/min，直至降温至室温，待合金液A芯部冷却至预定的尺寸后，倒出余下的合金液A，模具冷却至室温，然后倒入合金液B形成主轴坯件；
热处理：将坯件置于真空容器中，充入氢气、氕气、氘气、氚气混合气并加热，然后对坯件进行机械切削等加工得主轴半成品，最后将主轴半成品在真空中加热至700℃，保温25min，再控制降温速率为50℃/min，降至室温，得主轴成品。
实施例2
配料：按上述合金A、B的成分及含量称取原料，其中合金A的组分及质量百分比为：C：0.1％、Si：0.1％、Mn：0.05％、Zr：0.08％、Ni：0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，合金B的组分及质量百分比为：C：0.35％、Si：0.09％、Cr：0.05％、Sn：0.08％、Mo：0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质；
合金冶炼：将合金A、合金B分别混合熔融形成合金液A、合金液B；
成型：在常规柱形模具中心贯穿有导热性良好的金属棒，先将柱形模具加热至与合金液A相同的温度，再倒入合金液A，控制金属棒的降温速率为60℃/min，直至降温至室温，待合金液A芯部冷却至预定的尺寸后，倒出余下的合金液A，模具冷却至室温，然后倒入合金液B形成主轴坯件；
热处理：将坯件置于真空容器中，充入氢气、氕气、氘气、氚气混合气并加热，然后对坯件进行机械切削等加工得主轴半成品，最后将主轴半成品在真空中加热至700℃，保温25min，再控制降温速率为50℃/min，降至室温，得主轴成品。
实施例3
配料：按上述合金A、B的成分及含量称取原料，其中合金A的组分及质量百分比为：C：0.3％、Si：0.3％、Mn：0.15％、Zr：0.1％、Ni：0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质，合金B的组分及质量百分比为：C：0.55％、Si：0.15％、Cr：0.15％、Sn：0.1％、Mo：0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质；
合金冶炼：将合金A、合金B分别混合熔融形成合金液A、合金液B；
成型：在常规柱形模具中心贯穿有导热性良好的金属棒，先将柱形模具加热至与合金液A相同的温度，再倒入合金液A，控制金属棒的降温速率为60℃/min，直至降温至室温，待合金液A芯部冷却至预定的尺寸后，倒出余下的合金液A，模具冷却至室温，然后倒入合金液B形成主轴坯件；
热处理：将坯件置于真空容器中，充入氢气、氕气、氘气、氚气混合气并加热，然后对坯件进行机械切削等加工得主轴半成品，最后将主轴半成品在真空中加热至700℃，保温25min，再控制降温速率为50℃/min，降至室温，得主轴成品。
实施例4
配料：按上述合金A、B的成分及含量称取原料，其中合金A的组分及质量百分比为：C：0.2％、Si：0.2％、Mn：0.1％、Zr：0.09％、Ni：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质，合金B的组分及质量百分比为：C：0.45％、Si：0.12％、Cr：0.1％、Sn：0.09％、Mo：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；
合金冶炼：将合金A、合金B分别混合熔融形成合金液A、合金液B；
成型：在常规柱形模具中心贯穿有导热性良好的金属棒，先将柱形模具加热至与合金液A相同的温度，再倒入合金液A，控制金属棒的降温速率为50℃/min，直至降温至室温，待合金液A芯部冷却至预定的尺寸后，倒出余下的合金液A，模具冷却至室温，然后倒入合金液B形成主轴坯件；
热处理：将坯件置于真空容器中，充入氢气、氕气、氘气、氚气混合气并加热，然后对坯件进行机械切削等加工得主轴半成品，最后将主轴半成品在真空中加热至700℃，保温25min，再控制降温速率为50℃/min，降至室温，得主轴成品。
实施例5
配料：按上述合金A、B的成分及含量称取原料，其中合金A的组分及质量百分比为：C：0.2％、Si：0.2％、Mn：0.1％、Zr：0.09％、Ni：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质，合金B的组分及质量百分比为：C：0.45％、Si：0.12％、Cr：0.1％、Sn：0.09％、Mo：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；
合金冶炼：将合金A、合金B分别混合熔融形成合金液A、合金液B；
成型：在常规柱形模具中心贯穿有导热性良好的金属棒，先将柱形模具加热至与合金液A相同的温度，再倒入合金液A，控制金属棒的降温速率为70℃/min，直至降温至室温，待合金液A芯部冷却至预定的尺寸后，倒出余下的合金液A，模具冷却至室温，然后倒入合金液B形成主轴坯件；
热处理：将坯件置于真空容器中，充入氢气、氕气、氘气、氚气混合气并加热，然后对坯件进行机械切削等加工得主轴半成品，最后将主轴半成品在真空中加热至700℃，保温25min，再控制降温速率为50℃/min，降至室温，得主轴成品。
实施例6
配料：按上述合金A、B的成分及含量称取原料，其中合金A的组分及质量百分比为：C：0.2％、Si：0.2％、Mn：0.1％、Zr：0.09％、Ni：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质，合金B的组分及质量百分比为：C：0.45％、Si：0.12％、Cr：0.1％、Sn：0.09％、Mo：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；
合金冶炼：将合金A、合金B分别混合熔融形成合金液A、合金液B；
成型：在常规柱形模具中心贯穿有导热性良好的金属棒，先将柱形模具加热至与合金液A相同的温度，再倒入合金液A，控制金属棒的降温速率为60℃/min，直至降温至室温，待合金液A芯部冷却至预定的尺寸后，倒出余下的合金液A，模具冷却至室温，然后倒入合金液B形成主轴坯件；
热处理：将坯件置于真空容器中，充入氢气、氕气、氘气混合气并加热，然后对坯件进行机械切削等加工得主轴半成品，最后将主轴半成品在真空中加热至600℃，保温20min，再控制降温速率为40℃/min，降至室温，得主轴成品。
实施例7
配料：按上述合金A、B的成分及含量称取原料，其中合金A的组分及质量百分比为：C：0.2％、Si：0.2％、Mn：0.1％、Zr：0.09％、Ni：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质，合金B的组分及质量百分比为：C：0.45％、Si：0.12％、Cr：0.1％、Sn：0.09％、Mo：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；
合金冶炼：将合金A、合金B分别混合熔融形成合金液A、合金液B；
成型：在常规柱形模具中心贯穿有导热性良好的金属棒，先将柱形模具加热至与合金液A相同的温度，再倒入合金液A，控制金属棒的降温速率为60℃/min，直至降温至室温，待合金液A芯部冷却至预定的尺寸后，倒出余下的合金液A，模具冷却至室温，然后倒入合金液B形成主轴坯件；
热处理：将坯件置于真空容器中，充入氢气、氕气混合气并加热，然后对坯件进行机械切削等加工得主轴半成品，最后将主轴半成品在真空中加热至800℃，保温30min，再控制降温速率为60℃/min，降至室温，得主轴成品。
实施例8
与实施例1的区别仅在于，实施例8合金A为常规铝合金。
实施例9
与实施例1的区别仅在于，实施例9合金B为常规铝合金。
实施例10
与实施例1的区别仅在于，实施例10柱形模具中心的金属棒降温速率为45℃/min。
实施例11
与实施例1的区别仅在于，实施例11柱形模具中心的金属棒降温速率为75℃/min。
实施例12
与实施例1的区别仅在于，实施例12热处理时的合金化气体仅为氢气。
实施例13
与实施例1的区别仅在于，实施例13退火温度为590℃。
实施例14
与实施例1的区别仅在于，实施例14退火温度为810℃。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，对比例1机械主轴仅由一种常规钢浇注而成。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，对比例2的机械主轴采用常规倾析法进行铸造。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，对比例3热处理时不进行临时合金化工艺，仅进行退火处理。
将实施例1-14及对比例1-3的主轴进行测试，测试其硬度、强度、韧性及伸长率，结果如表1所示：
表1：实施例1-14及对比例1-3中主轴的性能
Figure BDA0001755792560000101
从表中数据可以看出，本申请中的制备方法虽然仅仅是与常规的铸造倾析法改变浇注顺序，但是最终产品的性能却相差较大，同时，临时合金化元素即使只是混合氢的几种同位素，但是也比仅仅使用氢单一元素的提升效果更好。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (7)

1.一种机械主轴，其特征在于，所述机械主轴包括轴芯、轴芯外层，所述轴芯的材质为合金A，轴芯外层的材质为合金B；机械主轴的制备方法包括如下步骤：
（1）合金冶炼：将合金A、合金B分别混合熔融形成合金液A、合金液B；
（2）成型：先将柱形模具进行加热，再倒入合金液A，待合金液A芯部冷却后，倒出余下的合金液A，模具冷却至室温，然后倒入合金液B形成主轴坯件；
（3）热处理：将坯件置于真空容器中，充入合金化气体并加热，然后对坯件进行机械加工得主轴半成品，最后将主轴半成品在真空中退火处理得主轴成品，其中合金化气体包括氢气、氕气、氘气、氚气中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种机械主轴，其特征在于，所述合金A的组分及质量百分比为：C：0.1-0.3%、Si：0.1-0.3%、Mn：0.05-0.15%、Zr：0.08-0.1%、Ni：0.01-0.08%，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种机械主轴，其特征在于，所述合金B的组分及质量百分比为：C：0.35-0.55%、Si：0.09-0.15%、Cr：0.05-0.15%、Sn：0.08-0.1%、Mo：0.01-0.08%，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种机械主轴，其特征在于，步骤（2）所述柱形模具中心贯穿有导热性良好的金属棒。
5.根据权利要求1所述的一种机械主轴，其特征在于，步骤（2）中柱形模具加热至与合金液A的温度相同。
6.根据权利要求4所述的一种机械主轴，其特征在于，所述金属棒逐步降温，降温速率为50-70℃/min，直至降温至室温。
7.根据权利要求1所述的一种机械主轴，其特征在于，步骤（3）所述退火的温度为600-800℃，保温20-30min，降温速率为40-60℃/min，降至室温。
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