主轴加工范文（精选8篇）
主轴加工 第1篇
关键词：几何精度,尺寸精度,切削参数,加工精度,标镗,工装夹具
0 引言
机械零件加工工艺方案的确定通常与零件材料、加工难度、加工数量、现有的加工设备、工人技术水平等诸多因素有关。而零件装夹变形是零件切削加工中的一个难点, 为保证零件的加工精度, 选择合适的装夹方法、设计合理的工装夹具是非常重要的。本文以机床重要零件主轴套筒为例, 介绍不同的装夹方式对零件几何精度及尺寸精度的影响。
1 主轴套筒零件加工工艺分析
主轴套筒零件材料是HT300, 结构如图1所示。
1) 零件外形尺寸较大, 外圆、孔互为基准, 均有严格的尺寸公差和几何公差要求, 其中两基准外圆尺寸公差等级要求5级。两基准外圆之间的同轴度要求0.02 mm, 圆度要求0.015 mm, 肩面与外圆公共轴线的垂直度要求0.02 mm, 表面粗糙度要求控制在Ra1.6以下;两基准孔尺寸公差要求严格, 要求控制在0.014 mm以内, 孔的几何公差要求也高, 圆度要求0.006 mm, 两基准孔之间的同轴度要求0.015 mm, 内肩面、上、下两端面与孔公共轴线垂直度要求控制在0.01 mm以内, 孔的表面粗糙度要求Ra0.8。两基准孔与两基准外圆的公共轴线之间的平行度要求控制在0.06 mm内, 为保证两基准外圆及两基准孔的同轴度, 在外圆与孔精加工过程中必须一次装夹完成。
2) 虽然该零件不属于薄壁零件加工, 但在150×60铸腔处, A基准孔圆度极易超差。
2 加工过程中出现的问题
该零件的加工难点为孔加工, 若采用两V型装夹工件, 将压板直接压在工件上精镗孔, 零件在装夹状态下两基准孔圆度可保证, 但在自然状态下, A基准孔圆度超差0.01 mm以上, 经分析是零件在自然状态下, 在150×60铸腔处发生变形所致。
针对以上问题, 我们大胆重新设计工装, 使零件在装夹状态下所受的径向力变为轴向力;使零件在某点上受夹紧力变为在整个圆周上受夹紧力, 从而减小零件变形, 保证零件几何精度。
3 工艺安排及关键工序确认
为了减少零件装夹变形, 保证零件加工质量, 工艺安排如下:铸毛坯→粗车 (外圆、内孔、端面、肩面均留余量) →去应力时效→半精车 (外圆、内孔、肩面留均余量) →加工中心 (钻孔、攻丝、锪孔) →喷漆→精车 (各外圆、端面、肩面成) →标镗 (精镗各孔、端面、肩面成) 。
其中外圆的精车及孔的精镗工序是该零件的关键工序, 都要求一次装夹完成。在精车工序中要保证两基准外圆及肩面的尺寸精度和几何精度;在精镗孔工序中, 要以基准C外圆及肩面为基准, 保证两基准孔的尺寸精度和几何精度。
4 夹具的设计与应用
在标镗工序中, 为保证零件的几何精度要求, 夹具的设计在本道工序中尤为重要。
1) 改进前的夹具如图2所示。采用两V型装夹工件, 将压板直接压在工件上精镗孔, 在精镗工序完成后, 零件在装夹状态下两基准孔圆度可保证, 但是在自然状态下, 检测A基准孔圆度超差0.01 mm以上, 经分析为零件在自然状态下, 在150×60铸腔处发生变形所致, 若减小夹紧力, 担心零件在精镗过程中出现松动, 造成不安全事故发生。
2) 改进后的夹具如图3所示。其设计思路是改变零件在装夹状态下使所受的径向力变为轴向力, 利用锥套弹性变形将零件夹紧。
3) 首先将工件装入夹具体内, 如图3 (a) , 利用工件准430g6外圆及肩面定位, 工件上端用零件6个M16螺钉9将工件7与夹具体1固定, 工件下端利用4个M12螺钉11将法兰3向上压紧, 法兰3在向上移动的过程中, 利用33°锥面将内锥套2压紧, 由于内锥套2壁薄, 在压紧过程中发生弹性变形, 从而将工件抱紧。由于工件是在整个圆周上受力, 并非在某点受力, 所以工件在装夹过程中变形很小。然后利用8个M12螺钉8将法兰3与夹具体1固定, 从而完成零件装夹。为提高夹具体基准面的耐磨性, 我们将经淬火处理的平键5装入夹具体1内, 用螺钉固定, 如图3 (c) , 从而提高夹具体的耐用度。然后通过吊柱6将工装吊上工作台。
4) 其次找正工件上、下端外圆跳动≤0.02 mm, 压紧工装, 如图3 (b) , 一次装夹将工件各内孔、内肩面、上、下端面加工完成。零件加工完成后将固定夹具体1的6个M16螺钉和固定法兰3与夹具体1的8个M12螺钉松开, 然后利用4个M12螺钉10将法兰3向下拉, 如图3 (a) , 从而将法兰3与内锥套2松开, 最终将工件从夹具体内取出。工装改进后, 所加工零件经检验, 完全达到图纸要求, 工装改进达到预期效果。
1.夹具体2.内锥套3.法兰4, 5.平键6.吊柱7.工件8, 9, 10, 11.内六方螺钉
5 结语
经过工装改进后, 原来制约标镗工序的技术瓶颈得到解决, 加工效率得到极大提高, 且零件加工质量稳定, 表面粗糙度低, 合格率100%。这也直接反映出工装夹具设计在保证零件加工质量方面的重要性。因此在今后的零件加工过程中, 只要我们能抓住问题的核心, 就有解决问题的办法, 难题总是能得到圆满的解决。
参考文献
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主轴加工 第2篇
关键词：FOOKE；电主轴；常见故障；分析；对策
中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）29-0083-03
1 概 述
唐车公司现有大小FOOKE加工中心20余台，主要承担着350 km高速动车组铝合金车体的加工任务。是350公里高速动车组生产的关键设备，是车体生产的物质保证。电主轴是加工中心上的核心部件，电主轴的好坏直接影响着加工中心的工作状态，随着加工中心超负荷运转以及使用年限的增长，电主轴故障明显增多。电主轴故障的多少、处理故障的周期长短直接制约着350公里动车组铝合金车体的生产。轻则延缓生产周期，重则会加工出不合格产品，给公司带来不可估量的损失。
2 FOOKE加工中心电主轴的结构
FOOKE加工中心所采用电主轴是“高频主轴”（High Frequency Spindle）的简称，有时也称作“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle），是内装式电机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。 其主要特征是将电机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电机、主轴一体化的功能。是省略齿轮传动、变速装置（如皮带、联轴节）等中间传动件的直接驱动方式。通俗的说法就是：将主轴电机和机械主轴做在一起，工作时内部一般有循环油或是循环水冷却，油雾润滑。
FOOKE加工中心所用电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制， 而主轴单元内的温升由冷却装置限制。在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀具。如图1所示。
高速精密轴承是电主轴的核心支承部件；转轴是电主轴的主要回转体，转轴主要功能是将电机产生的扭矩传送到刀具；高速电主轴的定子由具有高磁导率的优质矽钢片叠压而成，叠压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽；转子是由铁心、鼠笼、转轴三部分组成，是中频电动机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能；轴壳是电主轴的主要部件。轴壳用来安装固定转轴、轴承、定子和转子等部件，轴壳中开有很多冷却管路用来冷却轴承和电机。
3 FOOKE加工中心电主轴常见故障分析及对策
3.1 电主轴换刀时主轴无刀报警
FOOKE加工中心在换刀过程中经常会出现主轴无刀报警，换刀动作无法完成，加工中心无法继续加工。
3.1.1 电主轴换刀时主轴无刀故障分析
①主轴拉刀机构拉力不够，不能夹紧刀具；
②主轴刀具到位PLC信号没到位，检测无刀；
③加工中心加工过程中震动大，造成拉钉紧固螺栓松动。
3.1.2 电主轴换刀时主轴无刀故障处理对策：
①将压力检测工具加紧在电主轴上，检测拉刀机构拉力，若拉力小于41 kN，就需要调整拉钉长度。增大拉刀机构拉力。将拉钉紧固螺栓松开，使拉钉伸出长度在12.8～13.2 mm之间，再用拉力检测工具检测拉力。拉力大于41 kN，故障消除。
②电主轴刀具夹紧放松PLC电气图，如图2所示。根据图2，检查PLC状态，E39.3刀具夹紧，E39.5刀具放松状态是否正确。若状态不正确，检查传感器，检查PLC接线是否有问题，根据检查结果逐一进行排除。
若PLC状态正确，报警依然存在，还是无法执行换刀动作，则进入系统界面，查看电压检测参数：14514。
14514 WZ-INI： ohne WZ [V] （7.40） 7.4 tight not tool
14514 WZ-INI： mit WZ [V] （5.95） 5.95 tight with tool
14514 WZ-INI： WZ geloest [V] （1.10） 1.10 tool relaxed
电主轴装夹刀具电压电气图，如图3所示。根据图3，看电主轴有刀夹紧、无刀夹紧、放松电压是否在正常范围内，如不在，进行参数修改，解决此故障。
对电主轴拉刀机构进行检查，看拉钉紧固螺栓是否松动，若松动，按照拉钉需要的长度，紧固拉钉螺栓。为防止加工过程中振动过大造成拉钉紧固螺栓松动，加工时应减小加工吃刀量，减缓进给速度，要合理的运用刀具以及应用合适的切削参数。
3.2 电主轴强力切削时停转（俗称闷车）
加工中心在加工工件过程中，若进给过大，吃刀量大，倍率100%加工时，会出现电主轴停转故障。电主轴猛地停住，刀具卡在工件上。加工无法继续。
3.2.1 电主轴强力切削时停转故障分析
①主轴电动机与主轴连接的传动带过松，造成主轴传动转矩过小，强力切削时主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。
②主轴电动机与主轴连接的传动带表面有油，造成主轴传动时传动带打滑，强力切削时主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。
③主轴电动机与主轴连接的传动带使用过久而失效，造成主轴电动机转矩无法传动，强力切削时主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。
④主轴传动机构中的离合器、联轴器连接、调整过松或磨损，造成主轴电动机转矩传动误差过大，强力切削时主轴振动强烈。产生报警，数控机床自动停机。
3.2.2 电主轴强力切削时停转故障处理对策
①手动检查主轴电动机与主轴连接的传动带张紧度，若过松，通过重新调整主轴传动带的张紧力，加以排除。
②手动检查主轴电动机与主轴连接的传动带表面是否有油污或者脏物，造成主轴传动时打滑，若有，则用汽油或酒精清洗后擦干净来排除故障。
③观测传送带是否有效，是否可以继续工作，若有异常。则更换新的主轴传动带。
④需要采用专业的仪器，测量连接距离，观察磨损情况。然后根据测量或者观察结果，通过调整、更换离合器或联轴器来解决此故障。
4 结 语
电主轴是加工中心的核心部件，电主轴的好坏直接影响着加工中心能否正常工作。是加工中心可靠性的重要保障。尤其近几年，公司产品多元化，生产异常紧张。加工中心都是长期超负荷工作，这就对加工中心电主轴的可靠性提出了更高的要求。
在数控中心广大数控工程技术人员的努力下，通过对电主轴的常见故障分析、并对常见故障的处理提出了一套切实可行的办法。确保了在维护之余能快速、有效地分析判断故障、及时有效地处理故障。提高了电主轴的可靠性、缩短了加工中心停机时间。为动车组的生产保驾护航！
参考文献：
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曲轴主轴颈加工夹持定位选择 第3篇
本文主要介绍根据曲轴中心孔的形式, 来确定在曲轴加工工序中的主轴颈车序时的夹持和定位基准的选择。在主轴颈车序中主要是以打好的质量中心孔为基准, 曲轴打质量中心孔时, 卡盘夹持外圆进行加工。此时卡盘需要用浮动卡盘夹持外圆, 内置固定顶尖或者弹性顶尖顶紧曲轴的中心孔定位, 用顶尖或者端面定位块来做轴向尺寸加工定位基准。根据毛坯的圆度来选择适当浮动量的浮动卡盘, 避免浮动量不够导致夹不紧。由于中心孔定位需要卡盘服从中心孔, 当浮动卡盘卡爪接触到夹持表面时就停止运动等待其他卡爪也接触到夹持表面后再夹紧。浮动卡盘内置的顶尖有弹性顶尖和固定顶尖两种, 由于弹性顶尖轴向在一定范围内可以移动, 因此轴向定位需要有轴向定位块, 如果采用固定顶尖则不需要轴向定位块, 靠顶尖和中心孔接触部分做轴向定位, 但是轴向尺寸需要靠中心孔深浅一致性来保证 (见图1) 。
曲轴打几何中心孔时:按照现在国内成熟通用的曲轴加工工艺打几何中心孔时端面和外圆都在一起加工, 也就是全在铣端面打中心孔套车外圆机床上进行。在主轴颈车序用卡盘夹持套车过的轴颈外圆定位, 此时应该用自定心卡盘, 用卡爪端面或者端面定位块来做轴向尺寸加工基准 (见图3) 。自定心卡盘的卡爪基本上都是根据具体夹持外圆尺寸来自车, 使与被夹持的外圆接触更好, 有利于夹紧工件。轴向定位也有用轴向定位块和卡爪自车出来的台阶 (A面) 两种。如采用A面定位则取消轴向定位块, 反之则取消A面。
1.浮动 (固定) 顶尖2.轴向定位3.浮动卡盘卡爪4.尾台顶尖
1.轴向定位2.A面3.自定心卡盘卡爪4.已套车外圆5.尾台顶尖
加工中心主轴定向故障分析与排除 第4篇
一、主轴定向工作原理
主轴定向控制又称为主轴准停控制, 是使主轴停止在某一个固定的位置, 该位置一般由机床参数的设定值确定, FANUC0i-MA系统的参数号为NO4077。准停控制基本原理为:数控系统接收到主轴定向指令 (如辅助功能代码M19) 后, 产生主轴定向命令ORCMA。一方面, 经顺序控制电路启动定向时间检测电路;另一方面, 切断主轴原来的速度指令, 速度调节器输入接地, 主轴降速。当主轴转速接近零时, 零速检测信号给出高电平1, 精确定位开始, 编码器发出信号, 并经电路处理, 产生慢速蠕动信号。当位置误差小于设定值时, CPU发出主轴“停”信号, 同时切断定向时间检测电路, 完成定向并发出定向完成信号。若在预定的时间内, 主轴定向未完成, 则定向时间检测电路会发出定向失败报警。
二、数控系统控制主轴准停装置
通常主轴准停机构有两种, 分机械式与电气式。现代数控加工中心绝大多数采用电气式准停装置方式定位, 电气式准停装置一般分磁传感器型、编码器型、数控系统控制型3种方式。图2为数控系统控制主轴准停装置原理图。准停的角度可由数控系统内部设定成任意值, 准停由数控代码M19执行。当执行M19或M19Sxx时, 数控系统先将M19送至可编程控制器 (PLC) , 经PLC处理后送出控制信号, 控制主轴电动机由静止迅速加速或在原来运行的较高速度下迅速降速到定向准停设定的速度运行, 来寻找主轴编码器零位脉冲C, 然后进入位置闭环控制状态, 并按系统参数设定定向准停。主轴准停角度误差较大或位置发生偏移, 将导致机床不能正常工作。
三、主轴定向故障原因分析
要排除故障, 首先要弄清主轴定向的逻辑过程, 图3为主轴定向控制流程图。当机床执行M19主轴定向指令时, 主轴准停功能启动。系统首先监测机床主轴设定的定向基准脉冲, 经过系统NC处理后, 发出定向指令信号, 主轴电机收到NC发来的定向控制信号后, 立即加速或减速运行到设定的转速, 在接近设定的定向位置时, 电机减速至低速运转, 编码器监测设定的准停位置与基准参考位置的偏移量, 主轴转动相应的偏移量并抱死停下。至此, 主轴定向指令M19执行结束。从主轴定向的逻辑过程可知, 主轴定向位置可通过参数设定。
在弄清主轴定向逻辑流程控制基础上, 通过多次主轴定向试验, 确定主轴定向整个逻辑过程工作正常, 无任何报警, 只是主轴定向位置发生偏移。
为弄清定向位置偏移的具体值, 在工作台上装一块百分表, 执行一次M19指令, 使百分表测头接触主轴上的刀座定位键, 记下此时机床的XYZ坐标值和百分表的读数, 然后多次执行M19指令, 在同一位置观察百分表的读数, 结果发现百分表的读数误差<0.02mm。据此确认故障主轴定向位置偏移了原来的设定位置, 且偏移量是固定不变的。
四、主轴定向偏移位置调整方法
从上面的故障分析可知, 主轴定向位置的偏移值是固定的。由于主轴定向的角度可通过参数进行设置, 据此可以通过修改主轴定向参数来达到主轴准确定向的目的。
(1) 首先确定主轴定向位置偏移的角度值。执行一次M19指令, 用百分表触及主轴上定位键 (该定位键一般与某个轴运动方向平行, 与刀库中主轴刀柄定位榫头放置方向一致) , 移动某轴距离, 根据tgα=百分表的读数差/移某轴动的距离, 计算出偏移的角度值α。
(2) 计算主轴转1°的脉冲数。用主轴电机转一转的脉冲数除以360°, 得到主轴转1°的脉冲数。不同的主轴电机脉冲数不一样, 此处的αC8/6000i交流主轴伺服电机转一转的脉冲数为4096, 故每度脉冲数为11.378脉冲 (4096/360°) 。
(3) 计算主轴定向位置偏移的脉冲数。计算公式:11.378×α。
(4) 修改定向位置的偏移参数。FANUC 0i-MA系统的参数号为4077#。在系统原有参数4077#中的数值基础上再偏移11.378×α值。结果执行M19指令, 移动X轴, 用百分表检查定位键的平行度<0.02mm, 满足了机床换刀要求。
五、结论
通过把参数4077#中的主轴位置偏移脉冲数-674改为-575, 主轴定向精度满足了机床换刀要求。使机床工作恢复正常运行。
摘要：数控加工中心主轴定向的工作原理和KVC1050立式加工中心主轴准停结构, 分析主轴定向控制逻辑流程图, 查清主轴定向故障原因, 通过调整主轴定向参数, 使机床主轴定向功能满足使用要求。
主轴加工 第5篇
例1该机床正在加工零件的过程中, 主轴功率突然超过100%, 停止并且报警。报警内容为“主轴故障”和“主轴驱动器故障”。用手盘动主轴, 感觉主轴很轻很灵活, 但LCD显示器上反映的主轴功率却较大, 复位法无法清除报警。断电重启空转主轴就报警, 报警内容同上。
先检测主轴电机绕组绝缘, 一切正常, 与另一台VTC-200B互换了主轴驱动器后试车故障依旧, 故判断是主轴电机内的编码器有问题。打开主轴电机的编码器防护盖, 发现该电机的编码器属于齿轮检测传感器类型, 通过电机接线盒内的控制放大板连接后将转速信号反馈回主轴驱动器上, 用塞尺测量编码器感应面与齿盘的距离为0.1mm。因该编码器是齿轮传感器型, 所以可以对它进行前后调整。经试验, 将其间距调节到0.08mm的效果最好, 此时转速≤2000r/min不报警, 但>2000r/min时故障依旧, 证明编码器的性能下降不能满足使用。更换新的齿轮传感器型编码器前要注意先检测电机轴的摆动量是否在编码器要求的安装范围内, 一般要求轴的摆动<0.05mm。如超出范围应先处理电机转子的轴, 更换轴承再进行安装。应根据编码器要求的安装距离安装, 编码器测量面与齿盘的距离约为0.1mm, 新的编码器在安装时不能用塞尺, 而是用A4的纸来量, 一张纸过去轻松, 两张纸过去费劲的位置即可。更换新的编码器后试车, 主轴转速可以达到6000r/min, 主轴功率也正常且不报警, 故障排除。
例2该机床坐标回完原点后, 主轴每次定位都不在同一个位置, 即不能用刀库进行自动装卸刀。
该机床是通过编码器来实现主轴定位, 所以只能检查编码器, 而编码器是前段时间新换的, 因此借助示波器来检查调试编码器。打开电机接线盒, 露出编码器控制放大板, 拆掉板上的小防护盖。由于编码器的工作电压为15V, 故找一个直流电源, 给放大板接+15V, -V端子接-15V, G端子接地, 将示波器的表笔分别接到B端子 (正波) 、A端子 (反波) 与Z端子 (0点定位) 上, 然后用手盘动主轴分别观察波形。发现在B端子和A端子测量时均为比较稳定的正弦波, 而测Z端子时, 用手盘动主轴旋转一周有好几个高电平出现, 说明主轴定位信号出现了好几个, 因此主轴定位时不在同一个位置上。但实际上主轴电机里被检测的齿盘上只有一个较凸出的定位检测齿。将编码器向前向后分别进行了微调, 波形依旧, 所以只好向上调整, 将编码器逐渐垫高, 当垫高1.5mm后观察Z端子波形主轴每盘动一周, 只有在齿盘转到定位检测齿时才有一个高电平出现, 此时再测B端子与A端子均为清晰稳定的正弦波, 这是编码器的最佳位置。由于编码器在电机里的位置是固定死的, 所以分析是齿盘的位置在轴向向上发生了错移, 使转速齿与定位齿互相发生了干涉。恢复编码器的位置, 用一套管将齿盘向下敲至台阶上敲不动为止, 测量刚好1.5mm, 试车后故障排除。
例3该机床主轴转速>3000r/min时, 声音异常大, 有时偶尔报警 (主轴故障) , 复位清除后, 主轴还能转。
用手盘动主轴灵活, 用500r/min试转, 主轴声音正常, 主轴功率显示也正常, 随着转速的提高, 声音越来越大, 但功率显示正常, 所以将主轴电机拆下与主轴脱离, 单独试主轴电机一切正常, 证明电机, 电器方面正常, 问题可能出在机械上。因用手盘动主轴非常灵活, 不像是主轴轴承有问题, 检查主轴电机与主轴的联接部分也正常, 用内六方扳手检查固定装卸刀蝶簧的4个内六方螺钉, 第一个正常, 拧第二个时发现是松的并且拧不紧, 抽出螺钉发现已断, 第三个, 第四个也断了, 将断了的螺钉用小钻头钻个孔, 剔出来后用丝锥将原来的孔再过一遍, 更换新的内六方螺钉上紧, 装上主轴电机恢复设备试车, 故障排除。
主轴加工 第6篇
掘进机截割主轴是采煤机械较关键零部件之一, 主要是靠主轴两端的花键部位, 由截割减速机输出端, 通过截割主轴左端花键连接, 至截割主轴右端花键与截割头连接, 并直接传递工作扭矩及应力, 承受冲击载荷较大, 受力复杂、工况恶劣, 因此在施工图技术要求上, 对于截割主轴两端花键部分要求表面氮化处理, 目的是增加主轴的刚度和耐磨性, 从而提高主轴的联接性能, 达到主轴传动精度和工作要求。
2 截割主轴氮化处理后的变形形式及影响
截割主轴整体结构见图1。EE截割主轴机加工后, 造成后道工序氮化变形, 主要是主轴在同一截面内弯曲变形, 个别严重的受弯、扭合变形 (工件氮化后变形见图2) , 其影响主要体现在主轴同轴度超差、与相关配合件无法装配、工作时主轴偏心大、承载不均衡等, 最终导致整机工作及使用性能降低, 寿命减少。
3 截割主轴氮化处理变形的原因
工件在经过冷、热加工后, 由于其内部组织结构发生变化, 使工件表面产生一种塑性变形。其变形形式不外乎三个方面:一是来自热加工自身工艺方法、设备、操作手段等因素。二是来自冷加工过程中产生应力因素。三是来自工件材料自身锻坯的组织成分、锻坯的质量、锻后的预处理等因素。本文主要对截割主轴冷加工过程产生变形的问题加以探讨并对工艺方面改进措施进行研究。
(1) 车削加工对工件变形的影响分析
对于车削加工工序来说, 一般都是在粗加工或半精加工内进行, 其特点是工件加工余量大、温度高, 导致工件内部产生大量的应力, 在最终工序氮化处理过程中急剧释放, 使工件产生较大的变形, 最大变形达到0.8mm (这里还包括其它因素) 。
材料:35CrMo;氮化要求:硬度HV 1000, 渗碳层深度0.5mm, 脆性级别2级;原有的工艺路线:锻-退火-粗车-调质-半精车-精车-滚齿-氮化-磨-检验-入库。
原因分析:由于调质处理不充分, 以及后面车削工序产生大量的应力, 因此消除应力是否良好, 对截割主轴氮化后变形量的大小关系极大。
(2) 滚齿加工对工件变形的影响分析
我们知道, 在截割主轴滚齿加工过程中, 其内部组织势必产生一定的应力变化, 工件加工余量的不同、加工刀具切削参数的不同、设备液压顶尖压力的不同, 都直接导致工件内部应力发生变化, 这样在最终工序氮化处理后, 因花键氮化后的表面不加工, 就使工件花键表面产生不可修复的变形。
原滚齿加工过程中, 走刀次数与滚齿余量的分配:第一刀滚齿成型留余量0.5～1mm, 第二刀加工至成品。滚齿进给量:粗加工4mm/r, 精加工3mm/r;滚齿切削用量:粗加工50m/min, 精加工80m/min;液压顶尖压力:5MPa;两端中心孔:ɸ27×60°, ɸ36×60°。
变形原因1:原有工件的滚齿加工是由两次进给完成, 特别是对于粗精加工混合一起的情况下, 滚齿加工很容易在工件内部产生较大的应力, 势必加剧氮化后的变形。
变形原因2:原有工件的滚齿加工, 两端定位是靠液压顶尖顶紧定位, 由于工件中心孔过大, 顶尖与中心孔接触精度降低。同时液压顶尖顶紧压力较大, 造成轴在滚齿过程中齿部微变形, 再由于工件中心孔较大, 变形更为敏感, 加剧了氮化后的变形。
4 改进措施
(1) 车加工方面改进措施
在半精车工序后面增加稳定化回火工序, 其目的是:消除调质处理不充分而遗留在工件内部的部分应力;消除后道机加工工序加工中在工件内部的部分应力;提高渗氮速度, 缩短渗氮时间, 工件又能达到图纸要求。
改进后的工艺路线:锻-退火-粗车-调质-半精车-稳定化回火-粗磨-滚齿-氮化-精磨-检验-入库。
(2) 滚齿加工方面改进措施
因滚齿后齿面需氮化处理, 故改进原有滚齿加工走刀次数, 将原有两次走刀改为三次走刀完成滚齿加工。将原有截割主轴两端内孔改为氮化后加工, 氮化前只按正常加工中心孔, 故氮化后增加车削工序完成内孔加工工序。
调整设备液压顶尖工作压力, 减少工件轴向受力。
具体调整工艺参数如下:
走刀次数与滚齿余量的分配:第一刀滚齿成型留余量1.4～1.6mm;第二刀留余量0.5～1mm;第三刀加工至成品。
滚齿进给量:粗加工1.2～2.4mm/r, 精加工0.8～1.6mm/r。滚齿切削用量:粗加工20～24m/min, 精加工24～32m/min。液压顶尖压力调整为1MPa。两端中心孔:准8mm×60°。
改进前后中心孔见图3。
原工艺流程:锻-退火-粗车-调质-半精车-精车-滚齿-氮化-磨-检验-入库。
改进后工艺流程:锻-退火-粗车-调质-半精车-稳定化回火-粗磨-滚齿-氮化-精磨-车-检验-入库。
5 结语
综上所述, 通过截割主轴机加工对氮化后变形方面影响的因素探讨及分析, 找出工件冷加工与热加工的内在关系和必然联系, 可最大极限地消除机加工过程中在工件内部产生的应力, 同时也大大地改善了截割主轴氮化后的变形程度, 提高了截割主轴的装配和使用精度, 为截割主轴的加工, 提供了理论及实践的依据。
参考文献
[1]陈宏钧.实用加工工艺人员手册[M].北京:机械工业出版社, 2003.
[2]袁哲俊, 刘华明.刀具设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1999.
主轴加工 第7篇
关键词：角摆动,摆动频率,MATLAB,表面质量,粗糙度,波纹度
0 引言
在机床设计和精密加工过程中, 机床的主轴系统是保证加工精度的核心。作为机床多自由度振动系统中的主导振动系统, 主轴的运动误差包括径向跳动、轴向窜动和角度摆动。根据已有文献, 分析角度摆动时的加工误差均是以主轴摆动频率和主轴旋转频率相等为前提计算得出的, 而实际生产中主轴摆动频率往往与主轴旋转频率不一致, 尤其在主轴摆动的频率较高时会直接影响工件的表面质量, 而对于此方面的研究国内尚无相关文献报道。故本文将着重讨论主轴在较高摆动频率下其加工误差的数学与几何问题, 并计算和分析在不同摆动频率下被加工工件的表面质量及其影响因素。
1 等频摆动时的数学分析及仿真
1.1 主轴角摆动的数学表达式
建立主轴的静坐标系XYZO, 其中OZ轴为主轴的理想轴心线。再建立主轴的动坐标系X'Y'Z'O, 其中OZ'轴的瞬时轴心线。建好的主轴静、动坐标系如图1所示。
主轴以角速度ω自身旋转的同时, 其轴心线在XOZ平面内做等频率的角摆动, 摆动的规律为:
式中:θ0为角摆动时主轴轴线摆动幅值;
α为主轴自身转角, α=ωt。
1.2 车削时工件横截面的参数方程
由于主轴自身旋转和平面内角摆动同时存在, 故可依据矩阵变换求得动坐标系与绝对坐标系间的关系式。将主轴自身旋转视为坐标系绕OZ轴转动, 将主轴在XOZ面内角摆动视为绕OY轴转动。两次旋转后, 可得:
由于车削时工件几何形状是由刀具在动坐标系中的相对轨迹决定的, 故:
车削加工时, 刀具在绝对坐标系的坐标位置Z=L, X=R, Y=0, 其中L为刀具在导轨方向上的位置, 加工时随走刀而变化;R为工件的加工半径。
所以将刀具位置参数和式 (1) 代入式 (2) 中, 可得刀具在动坐标系中的轨迹参数方程为:
由式 (3) 得工件横截面几何形状的瞬时曲率半径为:
1.3 等频摆动时的轨迹分析
由MATLAB在极坐标中绘制上述方程, 主轴旋转一周后工件的截面轮廓示意图如图2所示。分析可得, 当摆动频率等于转动频率时, 工件旋转一周后尽管其圆心与理想圆心有所偏离, 但截面轮廓仍近似为圆, 其圆度误差极小, 可忽略不计。
2 高频摆动时的几何分析及仿真
2.1 高频摆动时的轨迹参数方程
由式 (1) 可知, 当角摆动频率=主轴自身旋转频率时, r=R-Lθ0cosα;
经计算可知:
当摆频=2转频时, r=R-Lθ0cos2α;
当摆频=3转频时, r=R-Lθ0cos3α;
以此类推:
当摆频=n转频时, r=R-Lθ0cosnα。
2.2 高频摆动时的轨迹及规律分析
主轴摆动频率较高时, 其值要大于主轴自身绕OX轴旋转的频率, 故n取大于1的值。为了直观地分析工件的截面轮廓, 假定R=1mm, L=1mm, θ0=0.1, n=3, 则主轴旋转一周后如图3所示。
由图3可知, 当摆频f>转频f0时, 刀具旋转一周的轨迹为一条封闭但曲率半径有规律变化的曲线。若以半径为1的理想圆为基准, 可发现截面轮廓上布满若干个微小的波形。
若使n=5, 则由MATLAB仿真出截面图形如图4所示。
若使n=50, 则由MATLAB仿真出截面图形如图5所示。
由图3~图5及其他摆动频率下的截面轮廓图可发现, 工件截面轮廓上的波形随摆动频率的增大而增多。在数量关系上, 其微小峰谷的数目与倍频n的数值相等。
3 表面质量的界定与分析
一般而言, 关于表面粗糙度和表面波纹度的界定是依据参考文献1中的方法:零件表面上微小峰谷的波长与波高的比小于50的属于表面粗糙度, 比值在50~1000的属于表面波纹度。据此绘制主轴在不同摆动频率下刀具旋转一周后的截面轮廓, 从而根据其规律变化的波形数目和峰谷高度即可判定和分析其表面质量。
假定R=30mm, L=1mm, θ0=0.1和0.3, 令n在[1, +∞) 之间取若干值, 计算其波长与波高的比值, 并分析其表面结构, 如图6所示。
图6中, 倍频n反应了摆动频率的大小。当摆动幅值一定时, 其工件截面的表面结构随着摆动频率的逐渐增大由波纹度向粗糙度转变。而当摆动幅值变动时, 其表面结构的临界转变点也发生变化。这表明在车床主轴发生角摆动时, 工件的表面结构是受摆动频率和摆动幅值双重影响的。
3.1 表面粗糙度分析
根据GB/T 1031-2009评定表面粗糙度时优先选用参数轮廓算数平均偏差Ra。假定工件半径R=30mm, 摆动幅值θ0=5, 计算并绘制出不同摆动频率下其表面粗糙度 (如图7所示) , 根据前文关于表面质量的界定原则, 在此情况下, 只有当摆频n大于700时, 工件的表面质量为粗糙度。
分析图7可发现, 随着倍频n的逐渐增大, Ra值基本维持在3.2μm左右。而当倍频n为900及其倍数时, 粗糙度突变为5μm。由此可见, 工件的表面粗糙度角与摆动频率之间不存在线性关系, 除了在特殊的倍频时粗糙度发生突变, 其他情况下Ra值基本保持不变。
当摆频n=900及其倍数时, 粗糙度较大。故在机床设计过程中要充分考虑此频率下的主轴角摆动, 使其尽量远离系统的固有频率, 以防止发生共振。
3.1.1 粗糙度与工件半径的关系
如前述假定, 倍频n=900, 轴向位移L=1mm, 摆动幅值为5μm时, 加工不同的半径其粗糙度的变化情况如图8所示。
由图8明显可知粗糙度Ra不随加工半径的变化而变化, 也就是说在相同条件下, 表面粗糙度与加工半径无关。因此, 在实际加工过程中若发现在不同的加工半径下其粗糙度测量值较大且相差无几, 则可判定主轴系统很有可能发生了平面内高频角摆动。
3.1.2 粗糙度与摆动幅值的关系
假定倍频n=900, 以半径R=30mm, 轴向位移L=1mm, 经计算可知不同的摆动幅值会造成不同的圆度误差。具体地, 粗糙度随着摆动幅值的增大而增大, 其间有着严格的线性关系, 如图9所示。
在实际加工时, 当粗糙度值超过了零件表面的允许值, 应停止加工, 检查并消除引起旋转体受迫振动的振源。如若是回转运动部件出现损伤, 应及时调整或更换, 防止因损伤加剧而造成更大的摆动, 从而产生更大的粗糙度。
3.1.3 粗糙度与轴向位移的关系
假定倍频n为900, 加工半径R=30mm, 摆动幅值为1μm, 则不同的轴向走刀位移L也会造成不同的粗糙度, 如图10所示。
由此看出, 工件表面的Ra值与轴向走刀位移也有着严格的线性关系, 这表明当主轴在平面内有角摆动时, 被车削工件在轴向上会产生不同的粗糙度, 且不同位置的粗糙度会随着距卡盘的位移改变而成比例的变化。
3.2 表面波纹度分析
一般而言, 评定波纹度的主要参数是波幅值W, 即波纹曲线上相邻峰、谷的半径之差。依据前文关于波纹度和粗糙度的界定方法, 假定工件半径为30mm, 摆动幅值为5μm时, 经计算可知当倍频n在40~700之间时, 工件的表面结构为波纹度。
3.2.1 波幅值与工件半径的关系
在上述条件下仿真出不同摆频下的截面轮廓, 可发现其波幅度W恒等于0.01mm, 即摆动幅值的两倍。而由轮廓轨迹方程r=R-Lθ0cosα也可知波幅值只与摆动幅值θ0和走刀位移L有关, 与工件半径无关。
3.2.2 波幅值与摆动幅值的关系
假定轴向走刀位移L=1mm, 则波幅值W的值就是摆动幅值的2倍, 即W=2θ0, 如图11所示。这说明, 波纹度的大小随摆动幅值的变化而变化, 二者成正比例关系。
3.2.3 波幅值与走刀位移的关系
由轮廓轨迹方程r=R-Lθ0cosα可知波幅值不仅与摆动幅值θ0有关, 也和和刀位移L相关。具体的关系和波幅值与摆动幅值的关系相同, 在此不再赘述。
4 结束语
研究机床的主轴回转误差对于精密机械的理论设计和加工制造具有重要的参考意义。而本文关于主轴在平面内高频角摆动所引起工件表面质量的定性分析填补了该研究领域的理论空白。
在机床主轴发生平面内角摆动时, 工件的表面质量随主轴摆动频率的增减而发生变化。具体而言, 当主轴的摆动频率较高时, 被加工工件的表面质量为粗糙度 (反之为波纹度) , 其值大小与加工半径无关, 但与摆动频率、摆动幅值及走刀位移相关, 具体的关联影响在实际设计和生产加工过程中应充分考虑。对于引起较大粗糙度的摆动频率要尽量使之远离系统的固有频率。当加工精度不能满足要求时, 应及时检查并消除引起主轴系统角摆动的各种因素。
参考文献
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主轴加工 第8篇
高速切削作为一种先进的加工技术得到了广泛的应用, 但是由于高速加工中心本身的振动控制机制相对薄弱, 制约着高速加工中心的发展[2]。主轴箱是加工中心的关键部件, 其振动性能严重影响高速加工中心的品质, 所以研究主轴箱的振动非常重要。
本文以DVG850高速立式加工中心的主轴箱为研究对象, 对其进行豆包阻尼减振分析。由于豆包阻尼的结构具有柔性约束特征, 所以本文采用试验的方法研究其减振特性。
1 豆包阻尼的减振原理
1.1 豆包阻尼的力学模型
豆包阻尼是一种随振动幅值和振动频率呈非线性变化的阻尼结构。这虽然给理论研究增加了难度, 却给实际应用带来了方便, 因为它对自身活动间隙的参数设计要求不高, 弥补了传统的减振器对间隙参数设计要求十分严格的局限性, 从而使豆包阻尼技术实施起来更加方便、可靠, 具有良好的工程应用前景。
豆包阻尼器是一种具有柔性约束特性的颗粒耗能结构, 力学模型如图1所示。其主要耗能机理是在与主质量之间产生持续不断的柔性冲击过程中, 通过外部变形充分吸收主振系统的振动能量, 并通过内部颗粒之间相互剪切变形和摩擦来耗散这些能量。
1.2 主轴箱豆包阻尼减振试验原理
豆包阻尼器是由豆包材料和特定的空腔组成, 这里的特定空腔为主轴箱前端的两个对称的三角形空腔 (见图2) , 在主轴箱前端的两个对称的空腔中加入豆包材料便构成了豆包阻尼减振器, 其中空腔的z向高度为410 mm。
试验过程中, 将不同配比的豆包放入主轴箱的空腔中, 通过信号发生器与功率放大器联接, 功率放大器与激振器联接, 信号发生器产生的正弦波信号通过功率放大器的放大带动激振器工作, 激振器上装有压电式力传感器, 通过激振头对电主轴进行激振;压电式力传感器和电涡流位移传感器通过信号调理器把正弦力信号和采集的位移信号传递给DH—5922动态信号测试分析系统, 之后借助于装有DHDAS基本控制分析软件的计算机对数据进行处理。图3为豆包减振试验原理示意图。
1.3 豆包阻尼的配比分配
钢的密度为7 850 kg/m3、沙子的堆积密度大约为1 500 kg/m3, 为了使豆包中沙子的体积占到一定的比例, 所以在进行配比时应该使沙子的体积比大于钢球体积比的2倍以上, 这样豆包的阻尼特性才可以充分发挥出来。表1中为试验方案中钢球和沙子的配比情况。
最终豆包试验配比方法:
1) 方案1测试, 按表1质量配比, 装入三角形空腔, 空腔中豆包材料的高度z为280 mm;
2) 方案2测试, 在方案1配比的基础上沙子质量增加0.210 kg, φ4、φ6、φ8、φ10、φ12、φ14规格的钢球质量各增加0.084 kg, 15规格的钢球质量增加0.56 kg, z向高度变为370 mm。
2 豆包阻尼减振试验过程
(1) 测试DVG850豆包阻尼减振前的动刚度;用激振器对机床进行x、y、z向激振。选取电主轴轴壳合适的位置, 在250~1 000 Hz范围内每20 Hz间隔, 利用激振器产生的正弦简谐力对其进行激振, 采集每个激振频率下简谐力的幅值和对应的位移幅值。信息采集界面如图4所示。
分别从x、y、z向安装激振器与振动位移的测点及电涡流位移传感器, 安装位置如图5所示。由于所选型号的电涡流位移传感器对钢铁材料没有敏感度, 所以在测点位置粘贴1 mm×1 mm大小的正方形铝合金小块。
(2) 在主轴箱三角形空腔中分别按方案1、2加入豆包材料, 豆包材料分配如表1所示。在250~1 000 Hz范围内每20 Hz间隔, 利用激振器产生的正弦简谐力对其进行激振, 采集每个激振频率下简谐力的幅值和对应的位移幅值。
3 数据处理与分析
动刚度是结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力, 衡量结构抵抗动态激扰能力的特性。记录250~1 000 Hz范围内, 每20 Hz间隔激振力的幅值及对应的位移幅值, 并进行数据处理, 提取出响应的振幅数据。绘制主轴箱的动刚度谱曲线 (见图6) 。
4 减振效果评价
对图6中的 (a) ~ (c) 减振前后的动刚度谱进行分析, 可以得出以下结果。
(1) 根据图 (a) 可知, x向豆包阻尼减振效果良好, 激振频率在250~900 Hz范围内, 方案1的减振效果良好, 激振频率大于900 Hz时, 方案2表现出良好的减振性能。所以在DVG850的x向豆包阻尼减振中, 随着豆包材料的增加, 低阶频率对应的刚度值变小, 高阶频率对应的刚度增大。
(2) 根据图 (b) 可知, y向豆包阻尼减振效果良好, 激振频率在250~810 Hz范围内, 方案1的减振效果良好, 激振频率大于810 Hz时, 方案2表现出良好的减振性能。据此在DVG850的y向豆包阻尼减振中, 随着豆包材料的增加, 低阶频率对应的刚度值变小, 高阶频率对应的刚度增大。
(3) 根据图 (c) 可知, z向豆包阻尼减振效果良好, 激振频率在250~800 Hz范围内, 方案1的减振效果良好, 激振频率大于900 Hz时, 方案2表现出良好的减振性能。据此在DVG850的z向豆包阻尼减振中, 随着豆包材料的增加, 低阶频率的刚度值变小, 高阶频率的刚度增大。
5 结束语
通过对主轴箱的豆包阻尼减振的试验研究, 得出主轴箱减振前后的动刚度与频率的曲线。激振频率在250~800 Hz范围内, 方案1的减振效果良好, 激振频率大于900 Hz时, 方案2表现出良好的减振性能。据此在DVG850的豆包阻尼减振中, 随着豆包材料的增加, 低阶频率的刚度值变小, 高阶频率的刚度增大。基于上述结果可知, 豆包阻尼有着优良的减振效果, 若机床在高速情况下运转, 可以适量增加豆包材料, 提高机床的动刚度。
摘要：由于豆包阻尼的结构具有柔性约束特征, 难以直接进行理论方面的研究, 所以采用试验的技术对主轴箱的豆包阻尼减振效果进行了研究。豆包材料的配比不同, 阻尼减振的效果不同, 所以设计了两种方案, 通过试验得出了减振前后各方向的动刚度谱。通过分析得出了随着豆包材料的增加, 低阶频率的刚度值变小, 高阶频率的刚度增大。为豆包阻尼在主轴箱的减振应用提出了依据。
关键词：豆包阻尼减振,动刚度,豆包配比,频率,主轴箱
参考文献
[1] 李伟, 朱德懋, 胡选利, 等.豆包阻尼器的减振特性研究.航空学报, 1999, 20 (2) :168—170