铣床主轴设计

1 引言

本文我将对X6132卧式铣床的传动轴轴进行加工（大批量生产）。车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。

主轴是车床的关键零件之一，其前端直接与夹具（卡盘、顶尖等）相连接用以夹持并带动工件旋转完成表面成型运动。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。

主轴是典型的轴类零件，而轴类零件的材料常用价格较便宜的45钢，这种材料经调质或正火后，能得到较好的切削性能及较高的强度和一定的韧性，具有良好的综合力学性能。毛坯制造方法主要与零件的使用要求和生产类型有关，比较重要的轴，多采用锻件毛坯。

在加工主轴的过程中，首先要分析零件图，分析零件所要达到的技术要求。然后根据加工条件合理的选择加工方案，确定所需刀具、冷却方法以及加工工序等等。因为主轴比较长，所以要参照细长轴的装夹方式和锥堵与锥堵心轴来确定主轴的装夹。在加工和加工后都确定了检验方法。

2 CA6140车床及主轴零件的分析

2.1 CA6140车床的技术要求及参数

2.1.1 CA6140概述

CA6140机床中的C表示的是车床，而6140指的是车床的主参数为6140，组代号是6，系代号1，40代表是普通卧式，400mm的旋转直径。

CA6140车床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其它旋转面，车削各种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔和拉油槽等工作床身宽于一般车床，具有较高的刚度，导轨面经中类淬火，经久耐磨。

机床操作灵便集中，溜板设有快移机构。采用单手柄形象化操作，宜人性好。机床结构刚度与传动刚度均高于一般车床，功率利用率高，适于强力高带切削。主轴孔径大，可选用附件齐全。主要应用于机械、石化、兵工、航空、电子、汽车、仪表、轻工、铁路等行业，结构外观如图3-1所示。

图1 CA6140外观图

2.1.2 CA6140主要组成部件

CA6140型普通车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠丝杠和床身。

①主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主

轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。主轴箱中等主轴是车床的关键零件。主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低。

②进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。

③丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。同学们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。

④溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。

⑤刀架、尾架和床身。

2.2 轴类零件的功用和结构特点

轴类零件是机器中应用广泛的一种零件，通常用于支承传动零件（如齿轮、带轮等），传递扭矩和载荷。构成轴类零件的表面主要有圆柱面、圆锥面、螺纹表面、花键、沟槽等。（如图3-2所示）按其表面类型和结构特征的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、半轴、空心轴、花键轴、凸轮轴、偏心轴、曲轴等。

图2 轴类零件

a)光轴b)空心轴c)半轴d)阶梯轴e)花键轴f)十字轴g）偏心轴

h)曲轴i)凸轮轴

2.3 CA6140车床主轴所选材料的特点及原因

选材选用45钢即可因为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。

45钢的钢性虽淬透性较差，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。因此选用合金调质钢，采用廉价、可锻性和切割加工性皆好的45钢即可。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。

3 分析图纸选择加工内容

3.1 零件的图样分析

图3 CA6132卧式铣床主轴零件图

图4毛坯图

3.2 零件的工艺分析

通过CA6132车床主轴零件图工艺分析，来确定零件加工的内容、加工要求，初步确定各个加工结构的加工方法。

3.2.1确定加工内容

图1所示零件是车床的主轴，它属于台阶型轴类零件，由圆柱面、轴肩、

螺纹、退刀槽和键槽等组成，毛坯为锻件。根据图纸，得出的加工表面有：（1）轴的两端面

（2）外圆表面

（3）φ29通孔

（4）车锥孔

（5）4-φ23孔，φ19沉孔，M8螺纹孔，2-M10透孔

（6）各退刀槽

（7）定位槽、键槽

（8）φ4D孔

（9）M85X1.5螺纹、M52X1.5螺纹

3.2.2明确加工要求

根据零件图纸中各加工表面的尺寸、形位公差、粗糙度等要求的具体分析。可以得出零件主要加工要求为：

（1）支承轴颈的技术要求

主轴两支承轴颈A、B的圆度允差 0.005毫米，径向跳动允差 0.005毫米，两支承轴颈的1：12锥面接触率＞70%，表面粗糙度Ra1.6um。支承轴颈直径按IT5-7级精度制造。

主轴外圆的圆度要求，对于一般精度的机床，其允差通常不超过尺寸公差的50％，对于提高精度的机床，则不超过25%，对于高精度的机床，则应在 5～10％之间。

（2）锥孔的技术要求

主轴锥孔（莫氏6号）对支承轴颈 A、B的跳动，近轴端允差 0.005mm，离轴端300mm处允差 0.01毫米，锥面的接触率＞70％，表面粗糙度Ra0.8um，硬度要求 HRC48。

（3）短锥的技术要求

短锥对主轴支承轴颈A、B的径向跳动允差0.008mm，端面D对轴颈A、B的端面跳动允差0.008mm，锥面及端面的粗糙度均为Ra1.6um。

（4）空套齿轮轴颈的技术要求

空套齿轮的轴颈对支承轴颈A、B的径向跳动允差为 0.015毫米。

（5）螺纹的技术要求

这是用于限制与之配合的压紧螺母的端面跳动量所必须的要求。因此在加工主轴螺纹时，必须控制螺纹表面轴心线与支承轴颈轴心线的同轴度，一般规定不超过0.025mm。

表1 常用的表面粗糙度Ra值与加工方法

表面特征示例加工方法适用范围

加工面

粗加工面粗车、刨、铣、等。

非接触表面：如倒角、钻

孔等。

半光面

粗铰、粗磨、扩孔、

精镗、精车、精铣等。

精度要求不高的接触表

面。

光面

铰、研、刮、精车、

精磨、抛光等。

高精度的重要配合表面。最光面

研磨、镜面磨、超精

磨等。

重要的装饰面。

毛坯面

经表面清理过的铸、

锻件表面、轧制件表面。

不需要加工的表面

3.2.3拟定各表面的加工方法

根据分析各加工部位的加工要求得出：

（1）尺寸φ75h5，φ90g5，φ100d，φ80h5的外圆选择粗车→半精车→磨削。

（2）尺寸φ70h6，φ120d4的外圆选择粗车→半精车。

（3）平面类可用面铣刀粗铣→精铣的方法。

（4）莫氏六号锥孔，1：20锥孔可选用钻中心孔→钻孔→半精车→磨削。

（5）M8螺纹孔，2-M10透孔选择钻底孔→攻丝。

（6）φ4D孔选择钻孔。

（5）两处1:12外锥面、D端面及短锥面C选择半精车→磨削。

（6）其余不重要表面可一次加工至尺寸。

另外，在加工表面的形位公差的要求上，在加工时要根据定位基准来保证。

3.3 加工的流程图示一览表

图5 工序1：确定毛坯

图6 工序4: 铣两端面

图7 工序6: 钻中心孔

图8 工序7: 粗车外圆

图9 工序9: 半精车外圆

图10 工序10: 钻孔φ48

图11 工序11: 车内锥孔

图12 工序13: 加工各类孔

图13 工序14: 铣键槽

图14 工序15: 车螺纹

图15 工序20: 磨外圆

图16 工序17:磨莫氏9号锥孔

4 机床的选择

4.1 热处理设备的选择

工序二、八、十四中的设备选用

轴类零件在运转时受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损，因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求，只有表面强化才能满足上述要求。此零件为45钢因为正火的冷却速度比较快，得到的组织较细，工件的强度和硬度可以得到很大提升所以在制作工艺时一开始就进行正火处理采用热处理炉型号为RT2-90-10其图片如下：

图21 热处理炉

4.2 外圆表面加工设备的选择

工序六、七、九、十、十一、十五、车削中的设备选用

粗加工时加工整个零件粗车采用普通车床CA6140，CA6140其具备较好的切削性能特别是加工各种轴类零件并利用四爪单动卡盘具备有良好的保证同轴度的功能是机械加工的基础。机床图片如下：

图22 CA6140车床

加工轴类零件外圆，螺纹以及各个退刀槽在数控编程时加工，均选用此机床。

工序二十、二十一中磨削的设备选用

磨削时采用的是型号为M3150外圆磨床。机床头架，砂轮架均采用动静压轴承，精度高、刚性好，砂轮架可作大行程移动。

图23 M3150外圆磨床

4.3 键槽加工设备的选择

工序十七键槽加工中的设备选用

选用的是X52K型号的立式铣床，可以铣平面、铣侧面、铣沟槽、铣特型面、铣齿条，与分度头和挂轮配合还可以铣球面和螺旋伞齿轮等。

图25 X52K立式铣床

4.4 孔类加工设备的选择

工序十、十三中加工孔的设备选用

可采用X62W万能铣床，该机床由普通机床发展而来。它集于机械、液压、气动、伺服驱动、精密测量、电气自动控制、现代控制理论、计算机控制等技术于一体，是一种高效率、高精度能保证加工质量、解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。

图26 X62W万能铣床

工序二十二中磨锥孔的设备选用

选用WX-004锥孔磨床，机床工作台由液压传动，工作速度能无级调速；砂轮可作微量横进给，工作台每一往复行程砂轮进给一次，也可用手轮或杠杆做手动进给，工件支承在V型式的两个中心架上，由钢球轴向定位，双杆弹性拨盘带动工件转动，床头箱在工作台上能作纵向调整，以适应工件长度的需要；砂轮修整器动作由液压手把操动，并能无级调整修整速度，磨削速度和修整速度能自动变换。

图27 WX-004锥孔磨床

5 加工工艺路线的制定

5.1 加工阶段划分的依据

对于一些加工质量要求较高或较复杂的零件，通常将整个工艺路线划分为以下几个阶段：

●粗加工阶段——主要任务是切除各表面上的大部分余量，其关键问题是提高生产率。

●半精加工阶段——完成次要表面的加工，并为主要表面的精加工做准备。

●精加工阶段——保证各主要表面达到图样要求，其主要问题是如何保证加工质量

●光整加工阶段——对于表面粗糙度和尺寸精度要求很高的表面，还需要进行光整加工阶段。这个阶段的主要目的是提高表面质量，一般不能用于提高形状精度和位置精度。常用的加工方法有金刚车（镗）、研磨、珩磨、超精加工、镜面磨、抛光及无屑加工等。

5.2 加工顺序的安排原则

●切削加工顺序的安排

?先粗后精先安排粗加工，中间安排半精加工，最后安排精加工和光整

加工

?先主后次先安排零件的装配基面和工作表面等表面的加工，后安排如

键槽、紧固用的光孔和螺纹孔等次要表面的加工。由于次要表面加工工

作量小，又常与主要表面有位置精度要求，所以一般放在主要表面的半

精加工之后精加工之前进行。

?先面后孔对于箱体、支架、连杆、底座等零件，先加工用作定位的平

面和孔的端面，然后再加工孔。这样可以使工件定位夹紧稳定可靠，利

于保证孔与平面的位置精度，减少刀具的磨损，同时也给孔加工带来方

便。

?基面先行用作精基准的表面，要首先加工出来。所以，第一道工序一

般是进行定位面的粗加工和半径加工（有时包括精加工），然后再以精基

准定位加工其他表面。例如，轴类零件的顶尖孔的加工。

●热处理工序的安排

热处理可以提高材料的力学性能，改善金属的切削性能以及消除残余应力。

在制定工艺路线时，应根据零件的技术要求和材料的性质，合理地安排热处理工序。

?退火与正火退火或正火的目的是为了消除组织的不均匀，细化晶粒，

改变金属的加工性能。对高碳钢零件用退火降低其硬度，对低碳钢零件

用正火提高其硬度，以获得适中的较好的可切削性，同时能消除毛坯制

造中的残余应力。退火与正火一般安排在机械加工之前进行。

?时效处理以消除内应力、减少工件变形为目的。为了消除残余应力，

在工艺过程中需安排时效处理。对于一般铸件，常在粗加工前或之后安

排一次时效处理；对于要求较高的零件在半精加工后尚需再安排一次时

效处理；对于一些刚性较差、精度要求特别高的重要零件（如精密丝杠、主轴等），常常在每个加工阶段之间都安排一次时效处理。

?调质处理零件淬火后在高温回火，能消除内应力、改善加工性能并

能获得较好的综合力学性能。一般安排在粗加工之后进行。对于一些性

能要求不高的零件，调质也做最终热处理。

?淬火、渗碳淬火和渗氮他们的主要目的是提高零件的硬度和耐磨性，

常安排在精加工（磨削）之前进行，其中渗氮由于热处理温度较低，零

件变很小，也可以安排在精加工之后。

●辅助工序的安排

检查工序是主要的辅助工序，除了每道工序由操作者自行检查外，在粗加工之后，精加工之前，零件转换车间时，以及重要工序之后和全部加工完毕、进库之前，一般都要安排检验工序。

另外，其他辅助工序有：表面强化和去毛刺、倒棱、清洗、防锈等。

5.3 主轴加工工艺过程分析

CA6140车床主轴主要加工表面是φ75h5、φ80h5、φ90g5、φ100d轴颈，两支承轴颈及大头锥孔。它们加工的尺寸精度在IT5～IT6之间，表面粗糙度Ra 为0.8～1.6mm。

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）；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，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→淬火-回火（最终热处理）→磨削。

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）→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。

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，磨削之前进行加工。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。

5.4 加工顺序的拟定

根据上述依据，本次设计的CA6140车床主轴的工序安排如下：

1：确定毛坯：锻件（45#）——见毛坯图

2: 正火处理HB170～210

3：划线（画两端面的加工线）

4：铣两端面，留4mm余量

5：划线（画两端面的中心孔十字线）

6：钻中心孔A8/16.8

7：双顶尖装夹，粗车外圆：各主要档留4mm余量

8：调质处理HB220-250

9：半精车外圆各主要档（IT5～IT6）留0.4mm余量，非主要部分车好，螺

纹不车

10：钻孔φ48

11：车孔φ56，车好左右两端面，半精车莫氏六号锥孔，半精车1:20锥孔12：划线

13：铣床加工大头端面各类孔

14：表面淬火

16：双顶尖装夹，铣花键

17：铣12dc4键槽

18：钻φ4D孔

19：车螺纹（ M74x1.5-2、M100x1.5-2、M115x1.5-2

20: 磨φ75h5、φ80h5、φ90g5、φ100d外圆

21: 磨两处1:12外锥面，磨D端面及短锥面C

22: 磨莫氏6号锥孔

23:检验

6 定位与夹紧方案的分析

6.1 定位基准的选择原则

6.1.1 粗基准的选用原则

1、保证不加工表面与加工表面相互位置要求原则。当有些不加工表面与加工表面之间有相互位置要求时，一般不选择加工表面作为粗基准。

2、保证各加工表面的加工余量合理分配的原则。应选择重要加工表面为粗基准。

3、粗基准不重复使用的原则。粗基准的精度低，粗糙度数值大，重复使用会造成较大的定位误差，因此，同一尺寸方向的粗基准，通常只允许使用一次。

6.1.2 精基准的选用原则

1、基准重合原则。尽可能使设计基准和定位基准重合，以减少定位误差。

2、基准统一原则。尽可能使用同一定位基准加工个表面，以保证各表面的位置精度。如轴类零件常用两端顶尖孔作为统一的定位基准。

3、互为基准原则。当两个加工表面间的位置精度要求比较高的时候，可用互为基准的原则反复加工。

4、自为基准的原则。当要求加工余量小而均匀时，可选择加工表面作为自身的定位基准。

6.2 确定零件的定位基准

主轴加工中，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1∶20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；磨莫氏6号内锥孔时，又以两圆柱面为定位基准面；磨两个