軸類零件磨削加工中振紋產(chǎn)生機(jī)理及消除措施的研究

駱振富

【摘 ?要】軸類零件是產(chǎn)品的重要零件之一，軸類零件工作時(shí)的受力情況非常復(fù)雜，故其加工精度要求高。軸類零件在磨削加工中出現(xiàn)振紋，不僅影響軸體的圓度、同軸度、表面質(zhì)量，在軸體工作時(shí)因疲勞斷裂會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，故解決軸類零件磨削加工中出現(xiàn)的振紋迫在眉睫。本文所指的軸類零件，如曲軸、車軸等。通過從軸類零件磨削加工機(jī)床、加工工藝要素、工裝夾具等方面研究，剖析軸類零件的磨削精加工中出現(xiàn)振紋的原因，分析并尋找解決振紋的措施，提高軸類零件磨削加工精度。

【關(guān)鍵詞】軸類零件;磨削加工;振紋;自激振動(dòng)

軸類零件本體影響。軸類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作時(shí)的受力情況非常復(fù)雜。因此軸類零件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度及抗沖擊韌性。軸類零件復(fù)雜的形體結(jié)構(gòu)，對(duì)磨削加工中設(shè)備、工裝等要求高。且其剛性會(huì)比通常的軸體零件稍差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此磨削加工中容易受各方面因素的影響產(chǎn)生晃動(dòng)，軸體與砂輪接觸面就會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)現(xiàn)象。因此需要優(yōu)化軸類零件的設(shè)計(jì)，減少動(dòng)不平衡量，可以有效地減少振紋的出現(xiàn)。軸類零件自身不平衡也是產(chǎn)生振紋的一個(gè)重要因素，因此要控制軸類零件的不平衡量符合工藝要求[1]。

軸類零件材料影響。由于軸類零件的磨削加工性能要求高，毛坯的形狀復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、沖擊性能要好。因此，軸類零件毛坯采用鍛件或鑄件。軸類零件材料一般采用45鋼、45Mn2、50Mn、40Cr、35CrMo鋼、QT600-2球墨鑄鐵[2]等。在我國，廣泛使用球墨鑄鐵軸類零件。選用球墨鑄鐵QT800-6的鑄造軸類零件（材料牌號(hào)：HT200），磨削精加工性能好，可以有效地消除的磨削加工中振紋的出現(xiàn)。

軸類零件熱處理影響。軸類零件磨削精加工[3]出現(xiàn)振紋的情況，排除鑄造缺陷后，一般是從熱處理開始的。熱處理的好壞，直接影響后續(xù)的磨削精加工。軸類零件的熱處理通常是淬火、低溫回火。過高的硬度會(huì)影響磨削加工，砂輪硬度要求高，這樣磨削加工時(shí)產(chǎn)生的磨削力就大，加劇振紋的產(chǎn)生。經(jīng)過多次調(diào)整熱處理參數(shù)及試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)淬硬層為1.5mm較好，及回火后的硬度為HRC45-50，可以有效減少后續(xù)精磨削加工振紋。

軸類零件加工機(jī)床的影響分析。軸類零件磨削精加工機(jī)床主要為專用的數(shù)控磨床。主軸前端安裝砂輪的錐面徑向跳動(dòng)誤差補(bǔ)償，必然會(huì)引起砂輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的周期顫振，磨削軸類零件時(shí)就會(huì)產(chǎn)生振紋。這種情況可周期性檢測(cè)并維修保養(yǎng)主軸，檢測(cè)并調(diào)整其裝配精度來保證磨削加工中的振紋影響。主軸長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，軸瓦會(huì)有不同程度的磨損，造成配合間隙增大，磨削軸類零件時(shí)主軸軸心漂移超差，使軸頸表面產(chǎn)生振紋。此情況時(shí)應(yīng)重新維修并調(diào)整軸瓦，必要時(shí)更換軸瓦，并配合軸體標(biāo)準(zhǔn)件刮研、調(diào)整間隙至規(guī)定要求。砂輪架下導(dǎo)軌磨損后，滾柱與導(dǎo)軌接觸剛性不足，在磨削軸類零件時(shí)也會(huì)由于磨削力不均勻而引起振動(dòng)，從而在軸頸表面產(chǎn)生振紋。此時(shí)，須卸下砂輪架，研磨導(dǎo)軌，并配合選取砂輪架滾柱。磨削機(jī)床頭、尾架主軸承精度達(dá)不到要求或由于軸承磨損后精度降低，是產(chǎn)生磨削振紋的又一因素。解決的方法是定期檢查，并檢查軸承精度。必要時(shí)更換精度較高的滾動(dòng)軸承，選用精度高的液體靜壓滑動(dòng)軸承。機(jī)床床面與移動(dòng)導(dǎo)軌上面結(jié)合處因銹蝕等原因而出現(xiàn)松動(dòng)，磨削軸類零件時(shí)也易誘發(fā)振動(dòng)。解決的辦法是用油石、砂布等將結(jié)合面研磨光整后重新裝配。

機(jī)床振動(dòng)的影響因素及消除措施。強(qiáng)迫振動(dòng)是由外來的周期性或非周期性振動(dòng)引起的，機(jī)床其它部分的振動(dòng)也會(huì)引起機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)。在一般情況下，其振動(dòng)頻率與外來激振力頻率接近。產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的主要原因很多。包括：主軸組件的本身不平衡;安裝的砂輪不平衡、皮帶輪不平衡而引起的離心力;電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡引起的電機(jī)振動(dòng)，包括安裝電機(jī)時(shí)的接觸剛度不足;砂輪表面的不均勻磨削、切削液的吸附等都會(huì)引起砂輪的附加不平衡而引起主軸的強(qiáng)迫振動(dòng);機(jī)床上其它高速回轉(zhuǎn)部分不平衡所引起的振動(dòng)。上述原因均會(huì)引起機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)，從而磨削軸類零件時(shí)產(chǎn)生振紋，惡化了軸頸表面質(zhì)量。減小因主軸組件不平衡而產(chǎn)生振動(dòng)的方法有：皮帶輪要經(jīng)過靜平衡，以保證安裝時(shí)皮帶的松緊程度一致;新?lián)Q砂輪要經(jīng)兩次平衡，即一次平衡后，經(jīng)修整后卸下砂輪再平衡一次，使用過程中出現(xiàn)不平衡時(shí)應(yīng)重新平衡。減小因電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的方法有：在電機(jī)與機(jī)床連接處加一隔振裝置以消除電機(jī)振動(dòng)的影響。必要時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子要經(jīng)過靜平衡后使用，軸承松動(dòng)時(shí)要及時(shí)更換或調(diào)整，以此來減小電機(jī)振動(dòng)的影響。

自激振動(dòng)是在磨削過程中產(chǎn)生的。當(dāng)機(jī)床工藝系統(tǒng)[5]具有足夠的剛度時(shí)，自激振動(dòng)的振幅近似以正弦規(guī)律輸出，其頻率接近系統(tǒng)的固有頻率。在軸類零件磨削加工過程中，砂輪與軸類零件軸頸的相互接觸位置受到干擾時(shí)，使它們之間除正常的磨削運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)發(fā)生周期性磨削振動(dòng)，從而使軸頸表面上出現(xiàn)振紋，使表面粗糙度值增高，表面質(zhì)量降低。當(dāng)機(jī)床彈性系統(tǒng)的剛度、工件與砂輪的材質(zhì)、切削[4]速度、進(jìn)給量等都一定時(shí)，引起自激振動(dòng)的主要原因就是磨削寬度。試驗(yàn)證明，當(dāng)磨削寬度不大時(shí)，并不發(fā)生自激振動(dòng)，磨削是穩(wěn)定的。當(dāng)磨削寬度增大到某一數(shù)值時(shí)，自激振動(dòng)就發(fā)生了。

軸類零件磨削加工夾具的影響。由于軸類零件屬于特殊的軸類零件，考慮到其加工的復(fù)雜性和剛性，通常采用中心扶架夾具[6]進(jìn)行加工。扶架通常配合三角卡盤和定位套使用，扶架具有定位和夾緊功能，扶架對(duì)軸類零件的支撐定位是套上的滾動(dòng)軸承的外圈。因此，其定位精度取決于滾動(dòng)軸承的精度，其夾緊力通過手輪調(diào)節(jié)螺桿來控制。扶架隨著加工軸類零件數(shù)量的增加，其上安裝軸承滾珠磨損和變形，需定期檢查軸承的跳動(dòng)量及磨損情況。一旦出現(xiàn)軸承滾珠磨損或軸承徑向跳動(dòng)量過大，軸體在精加工中砂輪對(duì)其的擠壓力不均衡，加工中容易產(chǎn)出晃動(dòng)現(xiàn)象，故需調(diào)整扶架的扶持力度。同時(shí)軸類零件在不均勻擠壓受力中轉(zhuǎn)動(dòng)容易造成軸類零件在中心扶架上跳動(dòng)，需及時(shí)更換軸承。磨削多拐大功率軸類零件時(shí)，由于軸類零件自身太重，加之剛性較差，磨削時(shí)易引發(fā)自激振動(dòng)，使被加工表面產(chǎn)生振紋。這樣，可使用調(diào)節(jié)式機(jī)械開式中心架支撐軸頸，邊磨削邊用數(shù)控調(diào)整。

磨削砂輪的影響。在軸類零件磨削加工過程中，砂輪與軸類零件軸頸的接觸面相互受到干擾時(shí)，它們之間除正常的磨削運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)發(fā)生周期性磨削振動(dòng)，從而使軸頸表面上出現(xiàn)振紋，使表面粗糙度值增高，表面質(zhì)量降低。因此，磨削精加工中砂輪的選取至關(guān)重要。根據(jù)所磨削的零件進(jìn)行選擇，較小、較長(zhǎng)軸體時(shí)選擇小直徑的砂輪，較大、較短軸體時(shí)選擇大直徑的砂輪，這樣匹配性較好。有效地降低接觸干擾，消除振紋。

通過對(duì)軸類零件磨削精加工中振紋產(chǎn)生的機(jī)理分析，尋找磨削精加工中出現(xiàn)振紋的原因，分析并總結(jié)出解決振紋的措施，提高軸類零件磨削加工精度及表面質(zhì)量，在軸類零件磨削精加工中具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 孫雅心.破碎鐵素體球墨鑄鐵件的生產(chǎn)[J].鑄造，2005，54（10）：91-92

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[4] 韓榮第.金屬切削原理與刀具[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007

[5] 王凡.實(shí)用機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.01

[6] 王啟平.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[ M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996

（作者單位：廣東富華機(jī)械裝備制造有限公司）