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CN104551577B - 一种微型轴的制造方法 - Google Patents

一种微型轴的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微型轴的制造方法，采用本申请所述的微型轴的制造方法，能够有效地提高微型轴的表面强度，同时改善微型轴的柔韧性，而且加工精度大大提高，能够满足具有超高精度的机器的要求。利用本申请的制造方法加工的微型轴，直径公差通常保持在0.001‑0.002mm，表面粗糙度为Rmax0.3S，圆度0.0003mm，直度0.0005mm。

Description

一种微型轴的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微型轴的制造方法，属于机械元件精密加工技术领域。
背景技术
微型轴是一种尺寸相对较小而且精度高的精密轴，主要材料有碳钢，不锈钢，铜或铝等金属材质，表面处理主要有镀锌，镍，或渗碳等，主要应用于手机中的微型振动马达、按摩器、打印机、复印机、汽车零部件中的转轴、扫描仪或CD/VCD等产品中。主要的加工方法包括通过冲断机将不锈钢丝冲断形成毛坯，再进行热处理，磨削，表面处理，车削，研磨及抛光等工艺，以及分选，包装等。主要加工设备有磨床,车床,仪表车,热处理,抛筒等。现有微型轴的制造方法往往导致微型轴端面不平整，表面参数和尺寸公差无法满足工程要求，影响微型轴的安装使用。
现有技术中的微型轴加工方式的例子包括，例如文献CN103100828A中公开了一种微型轴的制造方法，不仅可保证微型轴的端面平整，而且还可提高微型轴的产品的表面硬度、耐磨性及耐腐蚀性等。该方法包括以下步骤：(a)下料：将原材料盘丝校直按后序工艺的要求长度截断；(b)热处理：将截断的原材料放入烤炉中并以200～800mm/min的速度通过烤炉，烤炉温度为900～1200℃，以提高表面硬度；(c)深冷处理：对经过热处理的原材料放入深冷箱中2～4小时，箱内温度为-150～-200℃，以提高原材料的耐磨性、耐腐蚀性和尺寸稳定性；(d)装模：将已经热处理和深冷后的原材料装入由多个端面磨夹具组成的切割模具中；(e)线切割：通过线切割将端面磨夹具内的原材料切断，使各端面磨夹具内形成微型轴毛坯；(f)磨端面：将端面磨夹具放入平面磨床上对毛坯两端端面进行研磨，提高端面的平面度及与轴心的垂直度；(g)粗磨：将毛坯从端面磨夹具中取出并通过无心磨床对毛坯外径进行磨削，缩小毛坯外径与成品外径的的尺寸偏差；(h)倒角：通过倒角机对毛坯两端端面进行倒角处理；(i)回火：对经过倒角处理的毛坯放入回火炉中1.5～5小时，回火温度120～200℃，并使毛坯自然冷却；(j)精磨：通过无心磨床对经过倒角的毛坯外径再次进行磨削，使毛坯外径符合微型轴的要求尺寸并提高毛坯的圆度；(k)研磨抛光：利用抛光机对毛坯表面进行抛磨处理，以去除毛坯表面的磨削痕迹及提高毛坯的表面光洁度，并使毛坯端面倒角从而形成微型轴；(L)检验：通过检测设备检查微型轴的长度、外径尺寸及外观。进一步，所述的烤炉的传输带的转速为300mm/min，烤炉内温度为950℃。所述的深冷箱温度为-198℃，深冷时间为2.5小时。所述的端面磨夹具内的毛坯长度大于成品长度0.4mm。所述的抛光机为滚筒式抛光机，抛光料为颗粒状的棕刚玉或陶瓷。所述的检测设备为高速摄像检测系统或检验模版。
文献CN102528581A也公开了一种带圆角的微型轴加工工艺，包括以下工艺步骤：将加工成段的微型轴进行去毛刺处理；热处理，对微型轴进行热处理，提高微型轴的硬度；对微型轴进行深冷处理，进一步提高其硬度；磨削，通过无心机研磨，使得微型轴的外径相对于成品尺寸预留余量，提高微型轴的圆度，使微型轴表面无损伤；磨端面，通过端面磨床机对微型轴的端面磨平，使得微型轴的端面垂直于微型轴的轴心；研磨，通过行星式滚抛机进行研磨，去除微型轴的表面磨削痕迹，使得微型轴的外径达到成品尺寸要求，使得微型轴的端面形成圆角；筛选出加工好的微型轴。还设有磨端面的工艺，使得微型轴端面相对于轴心的垂直度好，所以后期加工出的圆角也能垂直与微型轴的轴心，使得微型轴安装时可以紧贴且垂直于安装面，且磨削工艺在倒圆之前，不会对圆角造成影响。另外，利用行星式滚抛机的研磨，将微型轴的圆角研磨出，同时，去除磨削工艺带来的痕迹，省略了一次研磨工艺，使得工艺步骤减少，加工成本降低。而且所述的去毛刺、热处理、深冷处理、磨削、研磨等工艺条件均无特别要求，其工艺简单易行，通俗易懂，为普通技术人员可以知晓及操作完成。所述圆角是指端面与外圆交汇处磨削倒圆所形成的圆角。所述行星式滚抛机利用行星式滚抛机的滚动研磨的特点，提高了加工和效率，节约加工时间，所述研磨石为高瓶瓷，直径为3毫米，当然也可以适当变换，一般直径在2毫米至5毫米之间。研磨时间根据产品的特性及需求确定，在研磨过程中，可以暂停并观察微型轴的研磨情况，根据不同的产品特性及产品需求来调整研磨时间，使得微型轴达到最好的研磨效果，即产品需要的倒圆角端面。所加工的微型轴直径为0.8毫米，长度为5毫米。当然也可以变换为其他尺寸，比较便于加工的微型轴尺寸范围为，长度为1毫米至20毫米，直径为0.6毫米至2毫米。所述微型轴直径小于2mm，由于直径越小的轴，所需要的研磨加工越短，加工效果也更好，所以对于直径太大的轴，超出微型轴范畴的并不适合本工艺，同样，微型轴的长度也不宜过长。
现有技术中的去毛刺、热处理、深冷处理、磨削、研磨等工艺都不够精细，无法满足精密类微型轴的工艺要求。
发明内容
为了解决以上技术问题，提高微型轴的精密加工效率，改进微型轴的表面质量和尺寸公差，提高产品质量，本发明提出一种微型轴的制造方法，包括以下步骤：
A、制作粗坯料：选取直径接近目标微型轴直径的圆柱形原材料，采用最小进给量为0.0001毫米的由数控机床控制的微进给系统控制金刚石刀具按照工艺要求的长度将圆柱形原材料截断形成微型轴粗坯料；
B、正火及淬火：首先采用高频感应加热器将微型轴粗坯料以大于50℃/分的速度迅速加热到970℃，在该温度下空冷正火，获得均匀分布的珠光体；在微型轴粗坯料平均温度降低到900℃时，采用挠性喷嘴迅速向微型轴粗坯料均匀地喷洒掺入了防锈剂的冷却水进行淬火，使微型轴粗坯料表面的硬度达到50HRC以上，冷却水的水压大于或等于0.1MPa，冷却水的流量大于或等于10L/s；
C、回火：在淬火过程中微型轴粗坯料的平均温度降低到200℃时，停止喷水，回火320分钟，增加微型轴粗坯料的柔韧性；
D、深冷处理：将微型轴粗坯料送入温度为-100℃的环境中深冷处理2小时，并再次加热、回火；
E、无心磨削：采用绿色碳化硅类磨料，利用精细修整的粒度为60-80目的砂轮进行磨削，加工精度为1μm，表面粗糙度为Ra0.025μm以下，磨削结束时利用激光非接触测量装置测量微型轴的外径，控制微型轴的外径比成品尺寸大2微米以内；
F、磨端面：将端面磨夹具放入平面磨床上对毛坯两端端面进行研磨，提高端面的平面度及与轴心的垂直度；
G、对于有特殊外形要求的微型轴，需要进行车槽、铣扁、滚花、钻孔和/或滚齿操作；对于直杆光轴直接进行H步骤；
H、超精研磨：采用低发泡氨基甲酸乙酯和磨料混合制成的氨基甲酸酯油石进行滚动研磨，在油石和微型轴被加工表面之间加上抛光液，提高加工效果；
I、抛光：采用由强磁性微粉、表面活化剂和运载液体构成的悬浮液进行磁流体抛光。
J、利用高速检测机进行检测：采用CCD照相机将被检测的目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，由图像处理系统进行运算，实现自动识别功能，筛选出符合制造精度的合格微型轴。
所述的强磁性微粉为10-15μm大小的Fe3O4。
采用本申请所述的微型轴的制造方法，能够有效地提高微型轴的表面强度，同时改善微型轴的柔韧性，而且加工精度大大提高，能够满足具有超高精度的机器的要求。利用本申请的制造方法加工的微型轴，直径公差通常保持在0.001-0.002mm，表面粗糙度为Rmax0.3S，圆度0.0003mm，直度0.0005mm。
具体实施方式
下面介绍本申请的具体实施方式，需要指出的是，该具体实施方式仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所述的微型轴的制造方法，包括以下步骤：
A、制作粗坯料：选取直径接近目标微型轴直径的圆柱形原材料，采用最小进给量为0.0001毫米的由数控机床控制的微进给系统控制金刚石刀具按照工艺要求的长度将圆柱形原材料截断形成微型轴粗坯料；高精度的数控机床最大限定的保证了微型轴长度的加工精度。与传统的下料步骤相比，本申请采用了高精度的微进给系统，最大限度的保证了粗坯料的长度加工精度：同时金刚石刀具能够迅速切断原材料，最大程度的避免端面缺陷，防止产生毛刺，为下一步的热处理和精加工提供了坚实的基础。
B、正火及淬火：首先采用高频感应加热器将微型轴粗坯料以大于50℃/分的速度迅速加热到970℃，在该温度下空冷正火，获得均匀分布的珠光体；在微型轴粗坯料平均温度降低到900℃时，采用挠性喷嘴迅速向微型轴粗坯料均匀地喷洒掺入了防锈剂的冷却水进行淬火，使微型轴粗坯料表面的硬度达到50HRC以上，冷却水的水压大于或等于0.1MPa，冷却水的流量大于或等于10L/s(升/秒)。之所以先采用970℃空冷正火是因为金属在上一步骤中的切断机械加工时，金属材料变形留下的内部应力成为剩余应力，在淬火和回火等热处理时产生变形，变形的大小与剩余应力(加工应力或剩余应力)的大小成比例。对于微型轴这样尺度较小的工件来说，细微的变形都会对成品质量产生非常大的影响。而且淬火和回火等热处理使金属材料的内部组织发生变化，因而产生转变变形，另外，淬火所发生的变形除了组织变化发生转变变形以外，还有因形状复杂而在急冷时，由于冷却速度的差别产生变形。通过正火和回火处理能够有效的消除因机械加工导致的变形，针对由于冷却速度的差别产生的变形，本申请通过大量的试验发现，在淬火过程中控制冷却水的水压对于减小变形有着非常重要的作用。进一步研究发现，当水压小于0.1MPa的时候，微型轴粗坯料内部的马氏体结构明显增多，由于马氏体的体积比奥氏体和珠光体的体积大，从而导致金属内部产生应力，进而导致微型轴粗坯料的变形加剧。当控制冷却水的水压大于或等于0.1MPa的时候，能够有效的减小微型轴粗坯料的变形。另外，冷却水的流量也对微型轴粗坯料的变形有很重要的影响，流量小于10L/s(升/秒)的时候，研究发现在微型轴粗坯料的内部产生明显的温度梯度，这种温度梯度同样会导致微型轴粗坯料的变形。当这种温度梯度导致的变形与马氏体导致的变形峰值发生叠加的时候，对微型轴的成品质量产生异常不利的影响，应该重点避免这种情况发生。换句话说，同时控制冷却水的水压大于或等于0.1MPa，冷却水的流量大于或等于10L/s(升/秒)能够最大限度的减小微型轴粗坯料的变形，从而有利于提高微型轴的成品质量。
C、回火：在淬火过程中微型轴粗坯料的平均温度降低到200℃时，停止喷水，回火320分钟，增加微型轴粗坯料的柔韧性；
D、深冷处理：将微型轴粗坯料送入温度为-100℃的环境中深冷处理2小时，并再次加热、回火；通过以上的热处理，既保证了微型轴粗坯料的表面硬度，又增加了材料的柔韧性，同时消除了金属材料内部的应力，最大限度的减小了材料的变形。
E、无心磨削：采用绿色碳化硅类磨料，利用精细修整的粒度为60-80目的砂轮进行磨削，加工精度为1μm，表面粗糙度为Ra0.025μm以下，磨削结束时利用激光非接触测量装置测量微型轴的外径，控制微型轴的外径比成品尺寸大2微米以内；
F、磨端面：将端面磨夹具放入平面磨床上对毛坯两端端面进行研磨，提高端面的平面度及与轴心的垂直度；
G、对于有特殊外形要求和结构要求的微型轴，需要进行车槽、铣扁、滚花、钻孔和/或滚齿操作；对于直杆光轴直接进行H步骤；
H、超精研磨：采用低发泡氨基甲酸乙酯和磨料混合制成的氨基甲酸酯油石进行滚动研磨，在油石和微型轴被加工表面之间加上抛光液，提高加工效果；
I、抛光：采用由强磁性微粉、表面活化剂和运载液体构成的悬浮液进行磁流体抛光。所述的强磁性微粉为10-15μm大小的Fe3O4。
J、利用高速检测机进行检测：通过上述的A-I步骤的生产加工程序，成品的微型轴已经形成，但是并非所有的成品微型轴都是符合制造精度的合格产品，而且由于微型轴制造过程中一次生产的数量非常庞大，造成合格产品的筛选甄别非常困难。如果制造精度不合格的成品微型轴进入后续的使用安装环节，极易引起使用该微型轴的精密设备发生故障。采用高速检测机对成品微型轴的两端及加工尺寸进行检测，筛选出符合制造精度的合格微型轴。具体来说，高速检测机采用CCD照相机将被检测的目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转换成数字化信号，由图像处理系统对这些信号进行运算，提取目标的特性，如面积，数量，位置，长度等，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，包括尺寸，角度，个数，合格/不合格等，实现自动识别功能。
本发明的方法已经进行了详细的说明和解释，熟悉本领域基本技术常识的本领域技术人员在本申请的说明书公开内容的基础上完全能够充分的实施本发明的全部技术方案。需要指出的是，基于上面的描述，附加的变型和修改对本领域普通技术人员来说是显而易见的，均落入本申请的保护范围之内，并且本发明的保护范围是由所附的权利要求来确定的。

Claims (2)

1.一种微型轴的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、制作粗坯料：选取直径接近目标微型轴直径的圆柱形原材料，采用最小进给量为0.0001毫米的由数控机床控制的微进给系统控制金刚石刀具按照工艺要求的长度将圆柱形原材料截断形成微型轴粗坯料；
B、正火及淬火：首先采用高频感应加热器将微型轴粗坯料以大于50℃/分的速度迅速加热到970℃，在该温度下空冷正火，获得均匀分布的珠光体；在微型轴粗坯料平均温度降低到900℃时，采用挠性喷嘴迅速向微型轴粗坯料均匀地喷洒掺入了防锈剂的冷却水进行淬火，使微型轴粗坯料表面的硬度达到50HRC以上，冷却水的水压大于或等于0.1MPa，冷却水的流量大于或等于10L/s；
C、回火：在淬火过程中微型轴粗坯料的平均温度降低到200℃时，停止喷水，回火320分钟，增加微型轴粗坯料的柔韧性；
D、深冷处理：将微型轴粗坯料送入温度为-100℃的环境中深冷处理2小时，并再次加热、回火；
E、无心磨削：采用绿色碳化硅类磨料，利用精细修整的粒度为60-80目的砂轮进行磨削，加工精度为1μm，表面粗糙度为Ra0.025μm以下，磨削结束时利用激光非接触测量装置测量微型轴的外径，控制微型轴的外径比成品尺寸大2微米以内；
F、磨端面：将端面磨夹具放入平面磨床上对毛坯两端端面进行研磨，提高端面的平面度及与轴心的垂直度；
G、对于有特殊外形要求的微型轴，需要进行车槽、铣扁、滚花、钻孔和/或滚齿操作；对于直杆光轴直接进行H步骤；
H、超精研磨：采用低发泡氨基甲酸乙酯和磨料混合制成的氨基甲酸酯油石进行滚动研磨，在油石和微型轴被加工表面之间加上抛光液，提高加工效果；
I、抛光：采用由强磁性微粉、表面活化剂和运载液体构成的悬浮液进行磁流体抛光；
J、利用高速检测机进行检测：采用CCD照相机将被检测的目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，由图像处理系统进行运算，实现自动识别功能，筛选出符合制造精度的合格微型轴。
2.如权利要求1所述的微型轴的制造方法，其特征在于，所述的强磁性微粉为10-15μm大小的Fe3O4。
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Denomination of invention: A manufacturing method of micro shaft

Effective date of registration: 20221103

Granted publication date: 20160921

Pledgee: Wenzhou Financing Guarantee Co.,Ltd.

Pledgor: WENZHOU SHENYI SHAFT INDUSTRIES Co.,Ltd.

Registration number: Y2022110000296