空心主轴锥部淬火工艺研讨与实施

草虫gg 2021-08-21

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作者：张文广，吕长君，于立泳，蔡春梅，黄鑫

单位：齐重数控装备股份有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

PART.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。

PART.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。

PART.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。

PART.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。