鏜桿的加工工藝過(guò)程

鏜桿是機(jī)床中的主要核心部件之一，依靠?jī)蓚€(gè)導(dǎo)向鍵導(dǎo)向，作前后軸向移動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給，同時(shí)由空心主軸通過(guò)對(duì)鍵傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)周向旋轉(zhuǎn)。鏜桿是機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的核心，它的制造質(zhì)量對(duì)機(jī)床工作性能的好壞有極其重要的影響。因此，分析研究鏜桿的加工工藝過(guò)程，對(duì)機(jī)床發(fā)揮其加工的可靠性、穩(wěn)定性和優(yōu)質(zhì)性有極其重要的意義。

鏜桿材料的選用

鏜桿是主傳動(dòng)的主要部件，需要具有很高的抗彎性、耐磨性及抗沖擊韌性等機(jī)械性能，這就要求鏜桿在心部具有足夠韌性的同時(shí)，表面還要有足夠的硬度。38CrMoAlA這種優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼的含碳量使鋼材具有足夠的強(qiáng)度，而Cr、Mo、Al等合金元素能與碳形成復(fù)雜的彌散相，均勻地分布在基體中，當(dāng)受到外應(yīng)力作用時(shí)，起到機(jī)械阻礙作用而強(qiáng)化。其中，Cr的加入可顯著提高氮化層的硬度，提高鋼的淬透性及心部強(qiáng)度；Al的加入可顯著提高氮化層的硬度和細(xì)化晶粒；Mo主要消除鋼材的回火脆性。經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)及探究，38CrMoAlA能夠滿足鏜桿的主要性能要求，也是目前鏜桿材料的首選。

鏜桿熱處理安排及作用

熱處理安排: 正火+調(diào)質(zhì)+氮化。鏜桿氮化是熱處理工藝中最后一道工序，為使鏜桿心部具有必要的機(jī)械性能， 消除加工應(yīng)力， 減少氮化過(guò)程的變形， 以及為獲得最好的氮化層作組織準(zhǔn)備，故鏜桿在氮化前需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)先熱處理，即正火和調(diào)質(zhì)。

（1）正火。正火處理是將鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，然后用空氣冷卻，冷卻速度比較快，經(jīng)正火后，正火組織為塊狀“鐵素體+珠光體”，零件組織得到細(xì)化，增加強(qiáng)度與韌性，較少內(nèi)應(yīng)力，改善切削性能。正火前不需要冷加工，但正火處理所產(chǎn)生的氧化脫碳層將導(dǎo)致氮化后脆性增加及硬度不足等弊病，故正火工序應(yīng)留有足夠的加工余量。

（2）調(diào)質(zhì)。正火后加工量很大，切削后將產(chǎn)生很大的機(jī)械加工應(yīng)力，為了消除粗加工后的機(jī)械加工應(yīng)力，減少氮化過(guò)程中的變形，粗加工后增加一次調(diào)質(zhì)處理是很有必要的。調(diào)質(zhì)是淬火后高溫回火，獲得的組織是細(xì)密的索氏體。經(jīng)調(diào)質(zhì)后的零件具有足夠的韌性和強(qiáng)度，很多重要的零件都需要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。

（3）正火基體組織與“正火+調(diào)質(zhì)”基體組織的區(qū)別。正火后的基體組織是塊狀的鐵素體和珠光體（見圖1），而“正火+調(diào)質(zhì)”后的基體組織是細(xì)密的索氏體組織（見圖2）。




圖1 正火基體組織




圖2 “正火+調(diào)質(zhì)”基體組織

（4）氮化。氮化是使零件表層有高的硬度和耐磨性，而心部保持原有的強(qiáng)度和韌性的熱處理方法， 含有鉻、鉬或鋁的鋼采用氮化處理后會(huì)獲得比較理想的效果。工件氮化后質(zhì)量：① 工件表面呈銀灰色無(wú)光澤。②工件表面硬度≥1 000HV，磨削后表面硬度≥900HV。③氮化層深度≥0.56mm，磨削后深度＞0.5mm。④氮化變形要求振擺≤0.08mm。⑤脆性1～2級(jí)為合格，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中都能達(dá)到，經(jīng)研磨后更好。

（5）“正火+氮化”與“正火+調(diào)質(zhì)+氮化”的組織區(qū)別。從圖3～圖6可見，“正火+調(diào)質(zhì)+氮化”的氮化效果明顯優(yōu)于“正火+氮化”的氮化效果。“正火+氮化”的氮化組織中，有明顯的塊狀、粗針狀脆性氮化物存在，這一點(diǎn)也可以作為分析鏜桿有時(shí)出現(xiàn)氮化層脫落現(xiàn)象的參考（見圖7）。




圖3 “正火+氮化”層深0.60mm，并可見脈狀脆性氮化物（左）“正火+調(diào)質(zhì)+氮化”層深0.68mm（右）




圖4 “正火+氮化”氮化組織中有快狀、針狀脆性氮化物（左）“正火+調(diào)質(zhì)+氮化”組織細(xì)密，無(wú)明顯脆性氮化物（右）




圖5 “正火+氮化”顯微鏡下（500×）金相組織塊狀、針狀脆性氮化物




圖6 “正火+調(diào)質(zhì)+氮化”顯微鏡下（500×）金相組織，無(wú)明顯脆性氮化物




圖7 鏜桿氮化層脫落照片鏜桿的精加工　

（1）以鏜桿Z104339為例，鏜桿的精度要求如圖8所示。




圖 8

（2）工藝過(guò)程：下料→正火→鉆粗車用中心孔→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車→粗磨外圓→粗磨錐孔→劃→銑各槽→探傷→粗磨對(duì)鍵槽（留精磨量）→半精磨外圓→半精磨里孔→氮化→半精磨錐孔（留精磨量）→半精磨外圓（留精磨量）→磨對(duì)鍵槽→精磨外圓→精磨錐孔→研磨外圓→拋光→鉗。

（ 3 ） 鏜桿精加工工藝過(guò)程。由于鏜桿需要經(jīng)過(guò)氮化處理，故特意安排兩次半精磨外圓工序。第一次半精磨安排在氮化前，目的為氮化處理打好基礎(chǔ)。主要是控制鏜桿磨前余量和幾何精度，以保證氮化后氮化層硬度在900HV以上。氮化時(shí)雖然彎曲變形較小，但絕不能校正氮化前的變形，否則只能比原來(lái)變形更大。我廠工藝確定，第一次半精磨時(shí)外圓留量為0.07～0.1mm，第二次半精磨外圓工序安排在精磨錐孔后進(jìn)行。該工序在錐孔內(nèi)裝上磨芯，兩端頂好，一端頂鏜桿小頭端面中心孔，一端頂磨芯中心孔，再用形式中心架架好磨外圓，不卸磨芯，轉(zhuǎn)花鍵磨床磨對(duì)鍵槽。第二次半精磨外圓就是為了使后來(lái)精磨外圓時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力首先反映出來(lái)，這樣精磨對(duì)鍵槽的精度會(huì)提高， 也比較穩(wěn)定，又因有半精磨外圓的基礎(chǔ)，精磨外圓時(shí)對(duì)鍵槽的影響就很小了。

我廠精磨對(duì)鍵槽使用的是花鍵磨床，一端頂鏜桿小頭端面中心孔，一端頂磨芯中心孔。這樣磨削時(shí)鍵槽向上，外圓的彎曲變形及機(jī)床導(dǎo)軌的直線度只影響槽底，對(duì)槽兩側(cè)面影響不大。如果使用導(dǎo)軌磨床加工，則由于機(jī)床導(dǎo)軌直線度及鏜桿自重，引起的變形會(huì)影響鍵槽直線度，一般情況下，使用花鍵磨床容易達(dá)到對(duì)鍵槽的直線度、平行度等各項(xiàng)要求，如圖9所示。



圖9 花鍵磨床磨對(duì)鍵槽

鏜桿外圓精磨是在萬(wàn)能磨上進(jìn)行，采用方法是縱向走刀中心磨削法。

錐孔的跳動(dòng)是鏜床的一項(xiàng)主要成品精度。錐孔加工最終要求：①錐孔對(duì)外徑跳動(dòng)應(yīng)保證在主軸端部0.005mm，在距離端部300mm處為0.01mm。②錐孔的接觸面積為70%。③錐孔表面粗糙度值Ra=0.4μm。錐孔精加工方法：一是留余量，然后由裝配自磨而使錐孔的接觸達(dá)到最后成品精度；二是加工過(guò)程中直接達(dá)到技術(shù)要求。我廠現(xiàn)采用第二種方法，其做法是用卡帽卡鏜桿后端M76X2—5g，前端用中心架架外圓φ 110h8MF，用千分表按外圓φ 80js6找正，磨錐孔。

研磨拋光是鏜桿最后光整加工。研磨可以獲得很高的尺寸精度和很低的表面粗糙度。一般來(lái)說(shuō)，研磨工具的材料比工件材料要軟，且組織均勻。最常用的是鑄鐵研具（見圖10），適用于加工各種工件材料和精研加工，能保證較好的研磨質(zhì)量和較高的生產(chǎn)率， 并且研具制造容易，成本也較低。在研磨過(guò)程中，研磨液不僅起調(diào)和磨料及潤(rùn)滑冷卻作用，而且還起著化學(xué)作用，加速研磨過(guò)程。它會(huì)附著在工件表面，使工件表面很快產(chǎn)生一層氧化膜， 并起到磨平工件表面凸峰，保護(hù)工件表面凹谷作用。鏜桿研磨時(shí)所使用的研磨劑成份為白色氧化鋁的白剛玉粉和煤油的混合劑。



圖 10

鏜桿經(jīng)研磨后盡管取得較好的尺寸精度及較低的表面粗糙度，但其表面出現(xiàn)嵌砂，并呈烏黑色，鏜桿與空心主軸裝配后，有黑水流出現(xiàn)象。為消除鏜桿表面的研磨嵌砂，我廠采用自制的拋光具，對(duì)鏜桿表面涂綠色的氧化鉻進(jìn)行拋光加工，實(shí)際效果非常好，鏜桿表面光亮美觀且防腐蝕。

鏜桿的檢測(cè)　　

（1）檢測(cè)直線度。在0級(jí)平臺(tái)上放置一對(duì)等高的V形鐵。將鏜桿放在V形鐵上，V形鐵所占的位置在φ 110h8MF的2/9L處（見圖11）。鏜桿全長(zhǎng)直線度允差為0.01mm。



圖11 檢測(cè)鏜桿直線度

首先用千分表檢測(cè)2/9L兩點(diǎn)A、B處的等高性，A、B兩點(diǎn)的讀表數(shù)值為0。然后，鏜桿不動(dòng)，測(cè)中間和兩端點(diǎn)a、b、c三點(diǎn)高度，記上數(shù)值（見表1）；保持鏜桿軸向不動(dòng)，用手使鏜桿轉(zhuǎn)動(dòng)90°，用千分表測(cè)出a、b、c三點(diǎn)的高度，記上數(shù)值；再使鏜桿轉(zhuǎn)動(dòng)90°，測(cè)a、b、c三點(diǎn)高度，記上數(shù)值，所有數(shù)值如表1所示。如果檢測(cè)的數(shù)值沒有一點(diǎn)超出0.01mm，則表示合格，反之亦然。



（2）檢測(cè)尺寸、圓度和圓柱度。鏜桿外圓尺寸用外徑千分尺檢測(cè)。將鏜桿φ 110h8MF拋光面全長(zhǎng)尺寸分為17等份，用外徑千分尺按徑向a、b、c、d的順序位置分別測(cè)出直徑方向上的尺寸（見圖12），將測(cè)得的數(shù)據(jù)列入鏜桿檢驗(yàn)記錄表（見表2）。



圖 12



圓柱度誤差是指其一方向上的直徑之差，按表中橫向數(shù)值計(jì)算，a向圓柱度誤差為0，b向誤差為2μm，c向誤差為2μm，d向誤差為2μm，將a、b、c、d四個(gè)方向綜合來(lái)看，其中最大值和最小值之差，方是真正的圓柱度誤差2μm。

圓度誤差按表內(nèi)豎行各數(shù)值分別對(duì)比，取各數(shù)值之差最大值，如表中第二列b向與c向的差值為2μm，則此鏜桿的圓度誤差為2μm。如果鏜桿檢驗(yàn)不合格或其中一項(xiàng)超差，則需繼續(xù)研磨拋光直至合格為止。

另外，檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意室溫和人體溫度（手握千分尺）對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并注意剔除過(guò)失誤差，減小測(cè)量誤差的影響，盡可能使測(cè)量數(shù)值準(zhǔn)確。

結(jié)語(yǔ)　　

隨著產(chǎn)品的不斷更新，工藝方法也應(yīng)不斷地進(jìn)行改進(jìn)，研究新工藝、探討新方法是我們從事技術(shù)工藝工作的追求目標(biāo)，只要不斷努力，不能加工和難加工零件都將被突破。