細長軸的磨削工藝分析

陳濤，周泉華

（武漢鋼鐵重工集團有限公司，武漢 430080）

0 引言

在單一的回轉體零件中，通常把長度與直徑之比大于20 的工件稱之為細長軸。隨著機械制造技術的發展，細長軸作為一種典型的高精度零件而越來越多地被廣泛應用于各種精密的機械設備中。由于其剛性較差、長度較長，加工時工件在其自重力的作用下極易形成一定的彎曲撓度；再加上受到磨削力、熱量、振動等因素的影響，很難保證不會出現加工表面素線不直、圓度不圓的現象。而通常此類需要磨削的細長軸類零件，其精度要求也相對較高。磨削加工作為整個工藝流程中的質量控制階段，如何在磨削過程中保證其尺寸公差和形位精度是亟待解決的難題。

1 磨削前的準備

影響磨削加工表面質量的要素主要包括磨削過程和砂輪結構。砂輪是直接與工件接觸的基體，在高速旋轉磨削時會直接影響到工件的表面質量。

1.1 砂輪的選擇與安裝

不同材質的零件在磨削時應合理選擇不同的砂輪。對于細長軸，通常應選取硬度較軟、粒度稍粗的砂輪，這有利于提高砂輪的相對自磨性，減少參與磨削的砂粒數；一定程度上可以降低磨削力，防止工件變形。

砂輪安裝前首先應認真檢查待安裝砂輪的外廓尺寸、形狀是否滿足加工需求，檢查砂輪表面有無裂紋。由于砂輪自身存在制造缺陷，可能會產生砂輪的外圓內孔不同心、兩對應平行端面不平行等狀況。因此砂輪安裝前應進行平衡試驗，檢查其相關位置精度，確保其自身缺陷不會影響零件的磨削加工。

砂輪安裝時，需在對稱角度處均勻壓緊聯接螺栓。安裝后，應再次進行平衡檢查，確保砂輪中心與法蘭盤的中心軸線重合。若二者偏離值過大，磨削時在離心力的作用下，砂輪會作偏心式不規則回轉運動。不僅會造成工件表面裂痕，還會加速砂輪芯軸處的軸承磨損、甚至碎裂。

1.2 細長軸的裝夾

圖1 A 型中心鉆

細長軸磨削前應采用熱校直法使其彎曲撓度值控制在理想狀態0.1 mm/1 000 mm 范圍內。其裝卡形式在普通外圓磨床上一般采用前后兩頂尖頂緊的方法。利用頂尖裝卡時，通常選用軸兩端部的頂尖中心孔作為定位基準。頂尖中心孔的接觸面質量及同心度狀況將會直接影響到軸的磨削精度，因此在裝卡前應用標準中心鉆（如圖1）在軸端加工出中心孔，中心孔加工好后，對孔進行研磨，同時用紅丹檢查其磨合度，要求與頂尖的接觸面積不小于85%。

兩頂尖間的工件由機床自帶的胎具、撥盤帶動旋轉。裝卡時，利用尾座處頂尖的預緊力，逐漸壓緊軸身。尾座的頂尖不宜頂的過緊，也不宜過松，以軸在兩頂尖間有較好的舒展度同時又無軸向竄動為宜。具體的壓緊力應根據個人的操作經驗來確定。較好的壓緊度一般應至少滿足條件：1）用手轉動工件，無明顯吃力感；2）低速開動機床，用食指和拇指捏住頂尖，頂尖停止轉動，松開后，頂尖能繼續恢復運動。

2 細長軸的磨削

2.1 中心支撐的調整

為提高細長軸的表面磨削質量和形位精度，最大限度地降低被加工件的變形量，操作者加工過程中一般會根據被加工件的剛度薄弱處選取恒定的轉速和進給量，從而使變形值均衡化，這種控制措施不僅不能將工藝參數最優化，一定程度上加劇了成本的浪費［1］。在磨削技術發展歷程中，利用中心支撐架來補償變形的相關理論有些專家學者進行過深入的研究［2］。因而，在使用跟刀架協助穩定的同時，利用增加中心支撐的方法來控制工件的形位要素是很有必要的，為便于調整和裝卡，普通外圓磨床一般配置的都是開式中心架。

圖2 中心支撐面磨削示意圖

磨削過程中，為了使中心架的弧形支撐面與軸身外圓光滑的接觸，在使用中心架之前，應先在二者結合面處精磨出一段支撐外圓（如圖2）。支撐結合面的磨削寬度尺寸應比中心支撐架的支撐塊徑寬稍大。粗磨削時，注意修整支撐面外圓的徑向圓跳動量在0.01～0.02 mm 內。留余量約0.2 mm。粗磨好支撐面后，應利用百分表在長軸軸向位置處依次選取檢測點進行找正，兩軸端頭處跳動量不得大于0.03 mm。

2.2 磨削工藝控制

初步調整好中心支撐架后，開始磨削軸身。為避免振動量過大，工件的旋轉速度不宜過快。一般情況下選擇nw=30～60 r/min；粗磨時磨削深度ap=0.02～0.04 mm；精磨時應不大于ap=0.01 mm；縱向進給量應控制在f=10～15 mm/r 范圍內。較大的走刀量可以轉移部分切向力，從而減小Py。

當工件全長的外圓尺寸磨削到接近支撐面處的外圓尺寸時，應注意調整好支撐面的外圓尺寸，否則中心架將會失去支撐作用。隨著工件的尺寸持續減小，需要對中心支撐的位置靈活地調整，使工件的中心始終保持在正確的位置上。為了保證軸身的形位精度，精磨時每次調整支撐時均應使工件中心保持一定的偏移量為0.01 mm 左右；先磨支撐外圓后再磨削軸身。關鍵在于保證軸身在整個軸向位置上的徑向跳動一致。精磨時，支撐外圓的跳動量應不大于0.005 mm。

對于長徑比更大的細長軸，應同時使用2 個中心支撐架對稱放置。對精度要求很高的細長軸，應在長軸的兩端對稱設置2 個撥盤，使其可以均勻地帶動工件旋轉，消除不平衡撥動力。對于長度與直徑比值更大的細長軸，應根據工藝需求適量地增加中心支撐的數量。

磨削時，注意觀察砂輪的磨損情況。當磨輪輪緣明顯有坡度、凹坑時，應利用砂輪修整器對其進行修整、校正。保持砂輪的工作面鋒利、規則。隨著軸的磨削會產生一定的磨削熱量，因此頂尖的預緊力應隨著軸的磨削而及時調整。確保軸身整體始終處于放松狀態。

精磨時，應用砂輪修整器將砂輪修整出一定的倒角，使其與軸身外圓平緩接觸，避免因砂輪輪緣處的尖角而產生不必要的振動。

3 結語

細長軸的磨削是一項十分細致復雜的工作，由于其加工本身存在一定的不確定性，稍有不當便難以保證其磨削精度。通過對中心頂尖孔、砂輪、磨削支撐等要素的規范，有效地改善了磨削質量，提高了產品的制造精度，對未來細長軸的磨削加工具有一定的指導意義。

［1］丁寧.細長軸磨削變形的變速優化智能預測控制研究［J］.中國機械工程，2006（1）：21.

［2］Gao Y，Jones B.Control of the Traverse Grinding Process Using Dynamic Active Workpiece Steadies［J］.Int.J.Mach.Tools Manufact.，1993，33：231-244.