精密空心主軸加工工藝研究

0 引言

隨著科技的發展，高速電機因具備轉速快、噪聲低、體積小、動態響應快、傳動效率高等優點而被廣泛應用于五金、鋁材、木材等行業。高速電機也叫主軸電機，其主軸本體一般由主軸頭、主軸中心軸、主軸尾緩沖板等部分組成。高速電機制作工藝要求高、做工細致，其中任意一個零部件的精度達不到要求都會導致該電機達不到行業應用的技術要求。

1主軸結構特點及技術要求

影響高速電機精度的因素有多個方面，從機加工角度考慮，首先是各組成零件的加工精度，其次是高速電機的裝配精度，最后是高速電機的使用和保養。主軸是組成高速電機的核心零件，其精度直接影響電機的使用性能與使用壽命，本文研究的是國內某電機公司生產的高速電機主軸的加工工藝。

該電機主軸零件圖如圖1所示，由圖可知該主軸零件細長且為空心結構，其薄壁加大了機加工難度。該零件的關鍵尺寸有與自制錐規配合的大端錐孔、與軸承配合的 和 ?45_-0.002^+0.003mm 、與轉子鐵芯配合的 ?52_+0.054^+0.065 mm及與編碼器配合的 ?40_-0.002^+0.003mm ，若有一處精度達不到要求，就會造成電機無法包裝，噪聲大，性能達不到要求。

2 加工方法

主軸零件毛壞材料選用40Cr棒料，這是一種合金結構鋼，是中國國家標準GB699中規定的材料之一，其化學成分及力學性能如表1所示[1]。

由表1可知，該材料抗拉強度、屈服強度較高，具有較好的綜合力學性能。當經適當的熱處理后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性。

在機加工前，首先將主軸毛壞進行鍛造處理，以消除金屬材料在冶煉過程中產生的鑄態疏松等缺陷，起到優化微觀組織結構的作用；再通過退火處理來消除軸的內應力，以提升軸的韌性，降低其硬度，有利于后續機械加工。機加工前軸毛坯外形尺寸如圖2所示，由于軸類零件具有回轉表面，其表面粗糙度要求 Ra=0.8μm ，局部要求 Ra=0.4μm ，精度較高，因此在車削完后還需進行磨削處理，其關鍵加工工藝如表2所示。

3 主要工藝過程

由圖1可知，軸的總長是 492mm ，直徑最細處是40mm ，在車削加工過程中易發生彎曲變形。由于工件定位表面為單一圓柱面，可以采用車床通用夾具進行裝夾。不過，每種裝夾形式都有其優缺點，比如兩頂尖，裝夾時工件無須找正，定位精度較高，特別適用于長徑比為 4～15 的實心軸類零件，但其剛度較低，在切削加工過程中切削用量大，會產生較大軸向切削力，使軸發生彎曲變形；一夾一頂形式提供了較好的支撐，使零件安裝剛性好，在加工過程中減少了變形和振動，但由于只夾一端，另一端容易出現較大傾斜度，使加工不夠徹底，加工精度低；三爪夾持操作簡單方便，且夾緊力較大，可以有效夾緊物體并保證工件的穩定，但由于夾緊過程非對稱，當工件較長時會出現夾緊不穩定的情況，從而影響加工質量[2-3]。

綜上，針對本軸結構特點，在不同的加工階段采用不同的裝夾形式，并采用以外圓表面為定位基準以及外圓表面和中心孔互為定位基準的形式進行加工。

3.1 拉毛刀

1）用兩頂夾定位，毛壞大端毛刀光出到 ?35mm×

10mm ，另一端毛刀光出到 ?52mm×25mm 2）一夾一頂車各檔外圓到圖3尺寸；3）小端用三爪夾持，大端上中心架去除 ?35mm×

10mm ，打中心孔A型2.5；4）作另一端中心孔A型2.5。

3.2 粗車

在工序3調質后，修兩端中心孔，用二頂夾打表，檢查彎曲度 lt;2mm ，粗車圖3中 ?98mm??65mm 、

?60mm.?56mm 檔尺寸到 ?52mm 。

3.3 鉆通孔

1）用三爪夾持尾部，大端上中心架，校正；

2）打中心孔A型3.15；

3）鉆孔通孔 ?24mm 大端孔 ?26mm×260₀^+0.5m n，不允許兩端鉆孔，確保兩孔同心度在 0.2mm 范圍內，內孔出口處與外徑偏差 lt;2mm 。

3.4 半精車

1）研磨兩端孔口；

2）用雙頂尖定位，加工各檔尺寸；

3）搭中心架，車端面，確保大端在 ?26mm× 259_+0.2^+0.5mm 的深孔基礎上加工錐孔，錐孔用自制莫氏4#錐規配復接觸面 gt;75%

4）掉頭，搭中心架，車端面定長 492_+0.2^+0.5 mm，小端鏜內孔 ?28^+0.1mm×26mm ，鏜退刀槽 ?28mm×13mm ，確保長度 131mm ，鏜內孔 ?27mm×120mm 孔口作60^°×2mm 中心孔，粗糙度為 3.2μm ，如圖4所示。

3.5 精車

1）上堵頭靠足（堵頭與軸錐度必須符合要求）；

2）用雙頂尖加工各檔尺寸至圖5所示，銳角倒鈍。

3.6 磨削

磨削精度高，通常是外圓表面主要精加工方法，特別適用于加工淬火鋼等高硬度材料中精度高、表面粗糙度數值較小的表面。本軸關鍵尺寸精度要求高，所設置的磨削過程主要包括外磨與內磨，外磨（粗磨）時，用雙頂尖磨相關尺寸至 ?48mm±0.02mm 、?89_-0.02^+0.02mm，?55_-0.08^+0.11mm，?53_-0.12^+0.15mm，?52_-0.16^+0.19mm× 160mm??52_-0.08^+0.11mm??45_-0.08^+0.11mm??40_-0.08^+0.11mm; 內磨（半精磨）時，將零件距大端端面 86mm 處上中心架，尾部用頂尖加拉簧進行定位，在距尾部 98mm 、大端 80mm 處打表，使跳動 lt;0.003mm ；磨錐孔，控制錐孔尺寸，莫氏4#錐規外露 2～3 刻度間距，接觸面 gt; 80% ，允許大頭吃硬。內磨（精磨錐孔）時，重復內磨（半精磨）步驟，最后端面光出。

在外磨（粗磨）與內磨（半精磨）結束后進行氮化處理，再對軸外形進行外磨（半精磨）。首先將錐孔清理干凈并上堵頭，配合面必須要貼合，會自鎖；其次研中心孔，磨之前打表，檢查跳動情況，如果跳動 gt; 0.02mm ，拆卸堵頭，重新安裝，打表；磨各檔尺寸至?48_-0.08^+0.05mm??89_-0.08^-0.05mm??55_+0.04^+0.06mm??55_-0.10^-0.05mm× 35mm，?53_-0.17^-0.16mm，?52_+0.10^+0.13mm×160mm，?52_+0.04^+0.06mm， ?45_+0.04^+0.06*mm.?40_+0.04^+0.06*mm.?40_-0.10^-0.05*mm×20*mm ，確保各檔尺寸形位公差符合圖1要求；最后將端面光出。外磨（精磨）時重復外磨（半精磨）步驟，將各檔尺寸磨至圖1要求。

3.7 車螺紋

1）用兩頂尖加工（堵頭不允許松動，防止精度走失），活絡頂尖改用強力頂尖，確保螺紋與軸向垂直，加工前打表跳動 lt;0.005mm

2）精車螺紋 M40×1.5mm.M55×2mm ，螺紋收尾處留 4mm ，用螺紋規配車。

3.8 熱處理

熱處理是將金屬材料放在一定的介質內加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內部的金相組織結構來控制其性能的一種金屬熱加工工藝。本空心軸加工過程中設置了4次熱處理，首先在毛刀后進行的調質處理是為了使鋼的性能、材質得到很大程度的調整，使其強度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機械性能；表1中時效處理的目的是消除工件的內應力，穩定組織和尺寸，改善機械性能等；本工藝在氮化處理時采用液體氮化，深度 0.5mm ，硬度HV700，預加工螺紋處作不氮化處理進行保護，氮化時垂直吊掛，防止變形[4]。

4結束語

軸類零件的加工方法有多種，根據零件的使用用途分析其結構特點、技術要求，并根據生產批量、企業自身設備條件等編制合理的加工工藝，可以提高企業的生產效率，并延長零件的使用壽命。企業實踐證明，該種工藝方式所生產的軸精度達到要求，裝配后，電機的使用性能較好，這給軸類零件的加工提供了參考，具有一定的實用價值。

[參考文獻]

[1]祝水琴，徐良偉.機械加工工藝設計及實施[M].北京：機械工業出版社，2024.

[2]陳祥林，張紅兵.轉向箱加工工藝的應用研究［J].蘇州市職業大學學報，2022，33（1）：17-21.

[3]蔣開勇.42CrMo鋼高精度主軸加工工藝研究［J].煤礦機械，2024，45（12）：101-104.

[4]崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M].3版.北京：機械工業出版社，2020.

收稿日期：2025-01-22

作者簡介：郭秀華 （1976-） ，女，江蘇高郵人，碩士研究生，講師，研究方向：數控加工、機電一體化技術。