电主轴前端零件的加工工艺研究

蔡池兰,张艳雷,魏剑,何亚飞,朱弘峰,李宁

(上海第二工业大学智能制造与控制工程学院,上海201209)

电主轴前端零件的加工工艺研究

蔡池兰,张艳雷,魏剑,何亚飞,朱弘峰,李宁

(上海第二工业大学智能制造与控制工程学院,上海201209)

以电主轴单元的刀柄定位部件主轴前端为研究对象,对主轴体前端的机械结构进行分析,结合主轴前端的力学性能要求和与其他零件的配合要求,制定了一套针对主轴前端高效实用的加工方案,包括主轴前端的加工步骤、热处理技术、加工刀具的选择和切削用量的计算,并设计了两套专用打孔夹具以提升机械加工精度和生产效率。最后,加工出主轴前端,精度检测结果表明该工艺设计合理。

主轴前端;切削参数;加工工艺;热处理

0 引言

高速电主轴为高速加工机床的标准功能部件,具有转速高、结构紧凑、安装简单等优点,是高速数控铣床、加工中心等产品的常用配套件[1-3]。高速主轴结构紧凑,单个零件加工难度较大[4-5]。根据电主轴各零部件使用情况数据分析可知,主轴体为主要磨损零件之一,其磨损部位为前端部,如图1(a)所示,该部位通过其内孔锥面与刀柄锥面紧密贴合实现刀具定位,当电主轴装夹刀柄时,两接触面互相磨损。因此,本文研究的电主轴采用分离式主轴体结构,如图1(b)所示,将主轴前端与主轴体结构分开,当内锥孔定位精度损失时,只需更换前端零件,而无需更换整根主轴体,大大减少了维修费用和维修时间。

通过对主轴前端零件图的结构分析,综合考虑主轴前端的尺寸、位置精度要求和与其它零件的配合要求,对主轴前端的加工工艺进行研究,在此基础上设计了一套高效可行的加工方案及其相关夹具,并通过实际零件加工验证该方案的可行性。加工数量为6件,小批量生产。

1 主轴前端结构分析

根据图1(b),主轴前端与主轴体之间通过螺栓

图1 主轴体与主轴前端关系示意图Fig.1 Relationof shaft and flange

连接;由主轴前端零件图(见图2)可知,基准面B为装配主轴体时的定位基准面。零件内部有1:10的莫氏锥孔,该锥孔与刀柄锥面配合。轴向尺寸为(22.4±0.0105)mm,保证主轴前端内锥孔开口面与基准B面之间的轴向距离。对于内孔其圆度和圆柱度公差为3µm,以锥面A为基准的径向跳动为2µm,通过该尺寸公差和几何公差,确保前端与主轴体∅70 mm的内孔配合的同轴度,从而保证刀具切削时的精度。在前端零件上均布8个通孔,该通孔为气体流通的气孔,直径∅1.3 mm,深度17 mm。孔小而深,如何加工及提高加工效率是加工工艺的难点。此外,前端内锥面与刀柄由于换刀需要,互相贴合和分离频率较高,导致锥孔磨损,影响定位精度。因此,对主轴前端零件要求其具有较好的表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能等优良的力学性能。

图2 主轴前端零件图(mm)Fig.2 Part drawing of flange

2 加工工艺方案分析及加工方案制定

2.1 材料选择与热处理工艺

主轴前端零件总长度为35 mm,最大外圆直径为∅97 mm,最小内孔直径为∅46 mm。在考虑零件力学性能和加工经济性的要求下,采用材料38Cr-MoAl,毛坯采用自由锻成形,细化晶粒,增加锻件纤维组织,使材料结构更为致密,提高毛坯组织的力学性能[6]。

选择毛坯尺寸为∅110×45mm圆柱料。锻打后的材料,表面硬度高,内部应力大,不利于切削加工,需对其进行调质处理,消除内部应力,使内部结构更加有序排列,软化材料,降低表面硬度[6]。在切削加工过程中,材料内部产生切削应力,所以在主轴前端的每步工序完成后,按实际需要选择合理的热处理工艺,此外还需对主轴前端进行渗氮处理,提高主轴前端零件的强度和耐磨性。

2.2 主轴前端加工阶段划分

2.2.1 粗加工阶段

粗加工阶段去除主轴前端零件毛坯上的绝大部分多余金属,为半精加工做好准备,并提供定位基准。此外还应注意和提前发现主轴前端的毛坯缺陷,提早做出修补或予以报废处理,避免不合格产品而导致工时浪费。在主轴前端的粗加工阶段,选用功率大、刚性好、精度稍低的机床加工,并选用大切削量,提高生产效率,降低此阶段的工时。由于粗加工阶段切削量大,故切削力和切削热也大,使零件产生的内应力和变形也增大,加工精度低,粗糙度值很大。粗加工阶段主轴前端的公差等级为IT8～IT10,粗糙度为Ra12.5～6.3µm[7]。

2.2.2 主轴前端的半精加工阶段

主轴前端的半精加工阶段的主要任务是完成次要面的加工。首先,半精车上端面;然后,以上端面为轴向定位面,用三爪内撑∅46mm内孔面,半精车其余内外轴面与下端面;∅46mm内孔面在半精加工阶段是圆柱面,以方便使用三爪内撑,在精车阶段该内孔面将车出1:10锥度。最后,以下端面为轴向定位基准,加工上步工序的未加工面。此道工序应为精加工阶段保留足够的余量,其中轴向尺寸余量1 mm,径向尺寸双边余量1.5 mm。半精加工阶段的公差等级为IT7～IT8,粗糙度为Ra6.3～3.2µm。

2.2.3 精加工阶段

主轴前端的精加工阶段主要是去除零件剩余的少量加工余量,加工出与刀柄配合的1:10锥度的莫氏锥孔,为精磨做准备,主要加工步序与半精加工类似。为减小零件内部的金属切削应力和获得好的表面质量,本阶段采用刀尖半径0.2 mm的精车刀,切削深度取0.2 mm。

2.2.4 磨削加工阶段

由图2可知,主轴前端对表面质量以及形状精度要求很高,因此,该零件经过精加工后,还需要进行精密磨削加工。

先用平面磨床磨削两端面;然后,以端面为定位基准,磨削外圆;最后,以外圆为定位基准,磨削内圆柱孔和1:10锥孔。在磨削内锥孔时,需使用如图3(a)所示的标准刀柄与设计的专用检具进行测量,以保证工件尺寸精度。在测量过程中,对刀柄锥面进行涂色,再塞入内孔,旋转1周,观察内孔锥面的着色率,测量示意图如图3(b),根据国家加工中心电主轴设计标准,着色率不小于85%。

2.3 工艺方案制定

根据上述分析,充分考虑工序安排原则,制定出表1的最终工艺路线方案[8]。

图3 主轴前端配合尺寸磨削Fig.3 Grinding fit dimension of flange

表1 主轴前端工艺路线、设备及工装Tab.1 Processing,equipment and tools

3 专用夹具设计与切削参数计算

3.1 专用夹具设计

由于本电主轴前端盖零件在使用过程中,需要承受循环应力作用,为提高疲劳强度,零件表面要求光滑、具有高的表面质量。因此,在孔加工工序中,加工中心钻削8×∅5.5mm沉头螺纹联结孔、8×∅1.3mm通孔和8×∅5mm深5.2 mm均布直孔时,为防止夹持力过大损伤工件表面,需设计专用夹具来固定工件,避免直接夹持。

3.1.1 工件的定位基准及元件的选择

钻削8×∅5mm均布沉头螺纹联结孔与8×∅1.3mm通孔,工件以∅71mm上端外圆面和∅70mm下端内孔面为定位基准。在∅71mm上端面使用螺栓连接压板进行压紧,防止工件跳动与旋转,限制1个自由度,用∅70mm内孔面限制4个自由度。钻削主轴前端反面8×∅5mm深5.2 mm均布直孔,工件以∅79.9mm下端外圆面和∅46 mm上端内孔面为定位基准。

3.1.2 定位误差的分析

定位误差是指定位不准引起的某一工序尺寸或位置精度要求的加工误差。对于夹具设计中的定位方案,一般将定位误差控制在公差的1/3～1/5范围中,对于钻削8×∅5mm均布沉头螺纹联结孔与8×∅1.3mm通孔的工序中,定位误差主要取决于内圆面的圆度和下端面的平面度,均布直孔的公差等级达到IT7-8级,只需经过钻削加工,所以基准位置误差可以忽略。

3.1.3 夹紧装置及夹具体的设计

夹紧装置采用压板、螺栓与支撑座组合而成。由于电主轴前端为小批量生产,且零件对表面粗糙度的要求很高,故夹紧力不宜过高。因此,采用间接夹紧方式,夹紧结构简单,且夹紧可靠性好。工件主要受力在于受压力的端面,由于端面面积较大,故受力较为均匀且较小。这种夹紧方式对零件变形的影响也较小,保证了加工精度,拆装方便[9]。

夹紧装置采用两面压紧与导向环面进行工件自由度限定,同时使用6个螺栓进行固定。导向环面与工件圆柱面之间采取间隙配合,且此时工件为半精车后工件,尚未进行磨削,因此,在设计工装夹具时要合理考虑上一步骤的加工余量。图4所示为夹具装配三维示意图。

图4 夹具装配使用示意图(mm)Fig.4 Fixture drawing

在装夹过程中,工件与夹具之间采用直接面接触,两作用面之间就会产生微小的相对滑移,损伤表面。为了保证工件的表面质量,夹具表面硬度应不大于工件硬度。从加工经济性考虑,本项目专用打孔夹具只进行一次回火,提高耐磨性。本夹具在设计过程中,考虑重复定位功能,设计有校正直线度的直线边。

3.2 切削参数计算

制定工艺计划的重要因素是:计算并确定机床设定值(查表值或实际经验数值),选择刀具、所需夹具以及采用的辅助材料[10]。以下对切削参数进行数值计算。

(1)进给量f

式中:f为刀具进给量,mm;Rz为表面理论粗糙度值,mm;rε为车刀刀尖半径,mm。

(2)切削深度ap

式中,切削比参考表2进行选取。

表2 切削材料专用切削比Tab.2 Cutting ratio of cutting materials

(3)转速n

式中,vc为切削材料组合值。

3.2.1 横向端面车削

工件毛坯直径∅110 mm,要求端面表面粗糙度Ra16µm,工件材料38CrMoAl,车刀刀尖半径rε=0.8mm(硬质合金刀片)。Ra16µm≈Rz63µm,

由式(1)和式(2)分别得:

查表得vc=200m/min,代入式(3)得:

3.2.2 纵向外圆车削

工件初始直径∅100mm(粗车),要求外圆∅79.9mm的表面粗糙度Ra6.3µm,材料38CrMoAl,车刀刀尖半径rε=0.8mm(硬质合金刀片),Ra6.3µm≈Rz40µm,由式(1)和式(2)分别得:

查表得vc=250m/min,代入式(3)得:

3.2.3 内孔钻削

钻内孔∅30mm,完全贯穿,工件材料38Cr-MoAl,钻头直径∅30 mm。查询手册[9-10]可得:vc=70m/min,f=0.32～0.5 mm,

3.2.4 内孔镗削

孔径∅30mm,要求内径∅46mm的表面粗糙度Ra3.2µm,工件材料38CrMoAl,车刀刀尖半径rε= 0.4mm(硬质合金刀片)。Ra3.2µm≈Rz1.25µm,由式(1)和式(2)分别得:

查表得vc=280m/min,代入式(3)得:

3.2.5 加工中心孔加工钻削∅1.3mm通气孔

钻通气孔∅1.3mm,完全贯穿,工件材料38CrMoAl,钻头直径∅1.3mm。查询手册可得:vc=20m/min,f=0.01mm,

4 实际零件的加工

在前述工作的基础上,进行了实际零件的加工,图5为加工出来的实际主轴前端零件实物。

图5 主轴前端零件加工完成实物Fig.5 Finished part of flange

5 结论

本文是以电主轴的核心部件——主轴前端的加工工艺为研究对象,分析了主轴前端的机械结构,探索了主轴前端从原材料经过车削、磨削、铣削和热处理到最终成品的加工工艺,总结出了一套针对主轴前端零部件高效可行的加工方案,进行切削参数计算,并针对前端的孔特征设计了两套相对应的打孔专用夹具,节省打孔工时,提高效率,并以实际零件加工验证了方案的可行性。该方案实践性较强,成本低,经济性较好,且易于操作,对同类型的轴套法兰类零件加工具有指导意义。

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[5]许朝山.高速主轴的一种结构改进[J].机床与液压, 2012,40(16):120-121.

[6]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册:典型零件热处理(第2卷)[M].北京:机械工业出版社,2013.

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上海第二工业大学召开2016科技与产业工作会议

为大力推进科技创新,实现学校科技、产业工作持续快速发展,2016年11月22日上海第二工业大学在图文信息中心四百人报告厅召开了2016科技与产业工作会议。宋宝儒、俞涛、邹龙飞、吴沛东、徐余法、谢华清、徐玉芳等校领导出席,学校全体中层干部、学科骨干、师生代表等参加了会议。

俞涛校长作了题为“科教深度融合,推进多科性应用技术大学建设”的工作报告,全面总结了学校2015～2016学年科技与产业工作。报告认为,一年来学校科技与产业工作取得了一定成绩:制定了学校“十三五”学科建设和产学研工作规划;打造了学科“三合一”教师团队;科研工作持续推进,科研经费、成果显著增长;出台了产业工作系列政策。但也存在着科研成果质量还不够高,数量还不够多的问题,主要原因是认识不深、能力不足、政策还不到位。

华东理工大学原国家技术转移中心主任张武平教授作了“技术转移体系与平台构建的探索、实践与思考”的主题报告。人事处处长蒋川群、学校科研处副处长陆虹、技术转移中心主任周志萍,教师代表王孝聪、解丽丽、高德荣、于伟、陈诚先后围绕上海市科技新政、技术转移中心工作、校企合作、科研教学融合等方面做了汇报和交流。

在工作会议上,宋宝儒书记总结并指出,要切实提升学校科技与产业工作整体水平,通过学校科研、教学的深度融合,不断提升我校人才培养质量和师生服务社会的能力。首先,要抓住机遇,利用政策,扩大科技工作覆盖面;第二,要围绕我校工科见长、管经文理艺多学科发展的办学目标,大力开展应用性科研,鼓励教师开展校企合作;第三,要加强科技与教学融合,促进人才的培养,开展以团队形式的科研,注重产教融合,继续完善科技、人才政策;第四,加强科技与产业工作法制化建设和廉政建设。

Research on the Manufacturing Processes of the Flange of the Motorized Spindle

CAI Chilan,ZHANG Yanlei,WEI Jian,HE Yafei,ZHU Hongfeng,LI Ning
(School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering,Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

The flange of motorized spindle was focused on.The flange was used to locate the cutting tool holders.Firstly,the mechanical structure of the flange was analyzed.Secondly,according to the mechanical performance requirements and fit requirements of the flange with other parts,a set of efficient and practical manufacturing processes for the flange was developed,including processing steps,heat treatment technology,cutting tool selection and calculation of cutting parameter.What’s more,two special drilling fixtureswere designed to improve productivity and machining accuracy.Finally,frontend were manufactured and the measurement results of the dimensional precision demonstrated the effectiveness of the manufacturing processes.

frontend;cutting parameter;manufacturing processes;heat treatment

TH162

A

1001-4543(2016)04-0295-08

2016-05-03

蔡池兰(1976–),女,湖北枝江人,副教授,博士,主要研究方向为高速切削关键技术、创新设计和优化设计。

电子邮箱clcai@sspu.edu.cn。

国家自然科学基金项目(No.51305251)、上海第二工业大学校重点学科(No.XXKZD1601)资助