細長軸磨削加工工藝

■中航工業金城南京機電液壓工程研究中心十三分廠 （江蘇 211106） 唐玉潔

細長軸磨削加工工藝

■中航工業金城南京機電液壓工程研究中心十三分廠 （江蘇 211106） 唐玉潔

摘要：分析細長軸零件磨削加工中出現的問題及其加工工藝方案，從控制零件變形、定位基準修復、檢查調整機床、砂輪及磨削參數選擇等方面闡述了細長軸零件加工問題的具體解決方法和提高零件加工質量的措施，保證了零件的加工精度，提高了零件的加工質量。

細長軸是指長度與直徑之比L/D≥20的軸類零件。這類零件在航空產品中應用廣泛，零件的加工質量直接影響到整臺產品的性能。該類零件剛性差，加工時易出現彎曲、錐度、橢圓等質量問題。現以我分廠加工的軸為例，介紹細長軸零件的磨削加工工藝以及提高其加工質量的一些措施。

1. 零件工藝性分析

我分廠加工的某產品零件軸的結構形式如圖1所示，零件各配合表面尺寸精度、形位公差精度要求高，表面粗糙度值Ra=0.4mm。要滿足零件技術要求，只有采取磨削加工。

零件材料為3Cr13馬氏體不銹鋼，這種材料韌性大、導熱性差，其伸長率、斷面收縮率比一般的碳鋼、合金鋼高。因此，不銹鋼細長軸零件的磨削加工具有以下特點與困難：

（1）磨削細長軸時，由于其剛性差，產生的徑向切削力和工件自重會使工件彎曲，磨出的工件呈現腰鼓形狀。同時，磨削時易產生振動，出現縱向振痕，影響加工精度和質量。

（2）不銹鋼的膨脹系數大，在磨削熱的作用下，工件尺寸不易控制，會在圓周方向產生較大的變形，而且變形量是不均勻的。工件的形位公差很難達到要求。

（3）磨削不銹鋼時的塑性變

形力和磨削力均大，產生大量的磨削熱，而不銹鋼低的熱導率使磨削區的熱量不易傳出，造成磨削溫度可高達1 000～1 500℃。高溫使工件表面容易發生磨削燒傷、退火等現象，并形成較大的殘余拉應力，甚至產生裂紋。

（4）工件在低表面粗糙度值精密磨削時，會存在表面劃傷這種缺陷。主要是由于砂輪工作表面上有突出的磨粒、掉在砂輪與工件間的脫落磨粒碎屑，或磨削液中混有磨粒碎屑等雜物，以及磨削液沖刷能力不足而造成的。

圖1

2. 零件加工工藝方案

根據工藝性分析，零件的加工以兩端中心孔為定位基準，采用對頂磨削的方法保證零件技術要求。由于該零件剛性差，加工中易產生變形，所以在粗加工后安排時效工序，盡量消除切削力、夾緊力產生的應力和零件本身的殘余應力，避免磨削時由于內應力的影響而使工件產生變形。

工藝流程為：粗車→預熱處理→車加工（各面留磨削余量0.6mm）→銑兩端六方→淬火、冰冷處理→研中心孔→粗磨（各面留磨削余量0.2mm）→時效處理→探傷→研中心孔→半精磨（各面留磨削余量0.1mm）→數控車加工（兩處R面）→表面處理→研中心孔→精磨→檢驗。

3. 磨削前的準備工作

（1）校直：磨削前，工件的彎曲度應控制在0.1mm以內，否則，須進行校直。工件的校直方法有冷校直和熱校直兩種。冷校直后工件有內應力，后續加工中易發生變形；熱校直后工件內部組織穩定，后續加工不易變形。因此，采用熱校直比較理想。工件加熱時一定要垂直吊掛，且緩慢加熱，這樣可防止因加熱過快產生內應力而引起翹曲。

（2）中心孔：中心孔是磨外圓時的定位基準，它的精度直接影響加工質量，而熱處理后零件的中心孔會產生變形。中心孔必須進行修研，不得有毛刺、碰傷等缺陷，表面粗糙度值Ra=0.2mm。用標準頂尖涂色檢查接觸面大于80%且有一連續不間斷圓周，同時要求兩中心孔在同一軸線上，圓跳動控制在0.001mm以內，采用高精度硬質合金頂尖。這樣工件受力均勻，不易發生加工變形。

（3）調整機床：調整機床消除振源，精細平衡砂輪，隔離外來振源，以消除外界的強迫振動對細長軸的不利影響。

調整工件的預緊力，頭架與尾架的距離決定了工件安裝時的頂緊力。頂緊力過小，工件易產生軸向竄動，過大易使工件產生彎曲變形，可使彈簧頂尖壓縮1～2mm為佳。撥盤和雞心夾頭等用雙爪撥盤和雙爪雞心夾頭，使工件旋轉時的傳動力較為平衡，從而避免了單爪傳動造成工件的圓柱度誤差。

（4）檢查工作：檢查磨床的頭架與尾架的等高精度，由于頭架與尾架的作用是支撐工件，所以要求兩者必須等高，否則加工的工件易出現圓柱度誤差。

在磨床上用兩頂尖頂住工件，用百分表對工件的全長作徑向跳動檢查，特別對中間彎曲度最大的地方，觀察其跳動量方向是否一致，然后再用千分尺檢查工件的磨削余量和各項尺寸，以便在磨削過程中隨時了解磨削情況。

4. 提高零件加工質量的措施

為了提高零件加工質量，可采取以下措施：

（1）砂輪的選擇：我分廠在哈挺U600外圓磨床上磨削該工件。磨料選用具有較好切削性能和自銳性的陶瓷結合劑白剛玉砂輪；磨削不銹鋼工件，選用中等粒度號60#的砂輪；為使砂輪具有良好的自銳性，砂輪硬度為中軟1；為避免磨削時砂輪堵塞，砂輪組織選較為疏松的5～8號；砂輪與工件的接觸面過大，磨削過程

中會使磨削徑向力增加，導致工件彎曲變形，因此，砂輪的形狀如圖2所示，中間是凹形。凹形砂輪不但可以減少砂輪與工件的接觸面積，且砂輪整體寬度不變，可減少細長軸在旋轉中產生自激振動。

（2）切削用量的選擇：從附表中可以看出細長軸磨削的幾個特點。①修整砂輪的進給速度v1、切深ap均比一般磨削大，可使砂輪的表面比較粗糙，以增強切削性能。②磨削時工件的轉速較低，精磨時更低，是為了減少細長軸因旋轉而產生的振動。而走刀量較大，以便將一部分切向力轉化為軸向力，減少徑向力。③磨削切深t用雙行程來達到。因工件轉速低，工件表面與砂輪表面在單位時間內和單位面積上的接觸就相應減少，可用往復次數來彌補。

（3）合理修整砂輪：鈍化的砂輪磨削時徑向力增大，易使工件產生彎曲變形，故需經常修整砂輪，使砂輪經常保持鋒利和正確的幾何形狀，以減少徑向分力。

（4）注意充分冷卻：工件磨削過程中必須充分冷卻，以帶走大量的磨削熱和進行沖刷，防止砂輪堵塞和工件表面燒傷。磨削液必須清潔，不能混入磨屑或磨粒，以免拉毛工件表面。并且需要停止砂輪時，應先關掉磨削液后再停止砂輪，使積存在砂輪內部的磨削液甩出，避免砂輪因積水而造成不平衡,從而導致工件表面出現直波紋。

（5）減少工件裝夾時間：應盡量減少工件裝夾在兩頂尖上的時間，從而減少工件因自重產生的彎曲變形，完成磨削后，應垂直吊掛放置。

圖2

5. 結語

采用以上加工工藝方法及措施，我分廠加工出的零件達到了精度要求。在細長軸的磨削加工中，首先要安排合理的加工工藝過程；其次，在磨削細長軸時要調整好機床設備，做好磨削前的準備工作，選用合理的砂輪形狀及特性，及時正確地修整砂輪，再合理地選擇磨削參數，可以保證零件的技術要求。

切削用量的合理選擇表

參考文獻：

[1] 鄭文虎. 難切削材料加工技術問題[M]. 北京：北京出版社，2001.

[2] 李伯民. 實用磨削技術[M]. 北京：機械工業出版社，1996.

[3] 李洪. 機械加工工藝手冊[M]. 北京：北京出版社，1990.

專家點評

該文分析了細長軸零件磨削的加工難點及工藝過程，給出了提高零件加工質量的措施。文章的優點在于合理安排工藝過程并注重加工細節，工件校直、頂尖孔研磨及機床調整等一些容易疏忽的環節都做了細致入微的準備工作，后面的磨削過程也分析得很具體，尤其是砂輪修正和切削用量的選擇，最終保證了零件的技術要求。

收稿日期：（20141028）