空心主轴锥部淬火工艺研讨与实施

张文广，吕长君，于立泳，蔡春梅，黄鑫

齐重数控装备股份有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161005

1 序言

齐重数控装备股份有限公司的前身是享有国家“十八罗汉厂”美誉的齐齐哈尔第一机床厂。1950年建厂，艰苦创业，几经变革沉浮仍傲然屹立并不断地向高精端发展，产品也在不断推陈出新。2018年生产的产品CK93200×50/20L-NC（201710004-1808）代码（2959）数控气缸套镗车床，可一次性装夹完成内孔、外圆的加工，用于加工重型轴类和其他回转类零件，具有数控重型车床和数控镗的双重功能。最大镗孔深度5000mm，镗孔直径600～980mm，是目前国内首台最大数控气缸套镗车床。

该产品的零件30229空心主轴（见图1），在镗杆加工长内孔时，由于悬臂过长，自重和切削力引起镗杆的挠度变形。为提高大直径长内孔加工精度和加工稳定性，镗杆内部装有两端定位自定心高刚度支承轴，支承轴伸出后前端采用锥面定位方式，具有定位快速准确的特点。为减小定位锥面的磨损，提高精度保持性，故锥面（A面）需要一定的硬度。

图1 30229空心主轴结构

2 工艺过程研讨和试验实施

（1）工艺研讨 该件采用材质40Cr，如果采用感应圈中频淬火，一是锥面直径不同，感应圈与工件间隙变化太大，导致不同位置加热效果不同；二是设备能力不够，该件长达9375mm，超出本地区所有厂家的中频感应淬火设备规格，还因为生产周期短，外地厂家进行淬火势必难以保证周期。在此条件下，改变淬火工艺迫在眉睫。

设计人员、工艺人员通过紧张有效的研讨，制定了几项试验方案进行验证。

方案1：仍然利用本公司热处理车间中频感应淬火设备，首先需要改造一台60机床主轴箱，做好支架，移至热处理导轨淬火机床侧面相应位置，调整高度，并改造旋转速度，减慢至每转7min，配置机床电柜；淬火设备工作台上放置旋转支架，热处理车间制作感应器、喷水环。这种方式是工件以每转5～7min的方式匀速旋转，淬火设备采用平面连续加热感应器，沿着工件的锥面调整合适的距离旋转淬火，这种淬火方式需要在锥面留一条宽约10mm的不淬区，以防止淬火面搭接而造成工件表面开裂。

方案2：对该件锥部进行切削，通过热装镶上相应的锥套，锥套采用42CrMo材料，进行整体淬火，硬度48～53HRC。

方案3：改用火焰淬火，将工件放置轴加工厂的一台机床上，用机床最慢的速度旋转，操作者进行锥部手工火焰淬火。

方案4：仍然采用火焰淬火，方式有所改变，制作合适的火焰喷焰器，顺着锥度方向逐条地进行淬火，为了防止淬火带之间重复淬火而导致开裂，需留宽3～10mm的软带，设计人员论证是否能满足使用要求。

（2）方案的试验实施与结果

1）方案1由于投入较大，主轴箱改造困难，需要辅助设备如电箱电柜、旋转支架等较多，周期长，且后续感应淬火效果（包括变形）不确定性的因素很多，所以此方案没有实施。

2）方案2由于该件尺寸问题，只能镶嵌较薄的淬火套，无论加工、镶嵌、使用效果和寿命仍然存在很多的不确定性，难以把控，在淬火套机械加工、淬火完毕后，该方案被放弃。

3）方案3在轴加工厂机床上得已实施，但是即使机床最慢的速度也是4r/min，这个速度对于淬火来说仍然太快了，根本达不到淬火要求，工件不但加热不到淬火温度，水冷却也存在很大问题，故该方案没有成功。

4）经过设计人员的论证，方案4如果能实施成功，将不影响该件的使用，这时需要热处理部门立即做出相应的准备工作，制作合适的火焰喷焰器，连接水路，测试水压并由经验极其丰富的操作工人进行此项淬火操作。

3 确定淬火方案的实施过程与结果

火焰淬火不受设备、工件大小和厂地限制，灵活多用，但火焰温度高达3000℃以上，对工件加热控制稍有不慎就会烧熔导致工件报废，所以此项工作需要常年的实践操作从而积累经验，方能保质保量地完成淬火工序。

（1）制作火焰喷焰器 以前火焰喷焰器淬火长度基本上均＜30mm，以保证气瓶供气，从而使喷火压力充足均匀，操作者积累的多为30mm左右长度的操作经验，但是这次淬火面积较大，为保证淬火质量，应尽量减少淬火软带的条数。因此，综合考虑操作者常年的操作经验和操作习惯、气瓶供气能力、厂内水路压力情况，决定制作成长70mm的仿形喷焰器，喷火孔（φ1.2mm）和喷水孔（φ1.5mm）较以前向两个方向偏移10°左右。

（2）选用工装 选用热处理车间自制可调的轴承支撑手动旋转支架放置工件，便于淬火时工件进行旋转。

（3）淬火试验 轴加工厂加工锥部仿形工件，进行淬火试验，用于操作者熟悉喷焰器，观察喷火、喷水、角度及温度等主要参数，并记录气瓶的气压情况等准备工作，为完工零件的成功淬火做好充足的准备。

（4）空心主轴工件淬火 淬火前，确认水压是否足够且不浮动，水路是否畅通，气体是否充足，以保证淬火不中断，然后操作者对工件进行淬火操作。淬火参数：淬火温度860～880℃，氧气压力1.1MPa，乙炔压力0.8MPa，喷水压力0.3MPa，移动速度9～11mm/s，喷焰器距工件表面13～15mm。

（5）淬火后检验 锥面硬度50～57HRC，个别点38～42HRC，软带均匀分布，取得了较好的淬火效果。

4 结束语

空心主轴淬火后锥面硬度较高，当工作时空心主轴伸出与机床尾座的锥孔配合，这种配合方式锥面存在一些软带不影响使用要求，对设备的精度和空心主轴的使用寿命均起到了应有的作用；对于空心主轴由于受重力的影响伸长存在挠度变形，在受力接触面通过机床操作机构可以控制，因此最终得出工件满足使用要求结论。该淬火工艺投入使用后，通过观察与验证，效果良好。