高精度軸承座類零件的超精密加工技術研究

摘? 要：介紹了軸承座密封類零件的結構特點、加工難點，分析了相關機械加工及超精加工的工藝難點。通過攻關試驗，實現了通用設備一次裝夾完成兩項超精密加工的研磨工藝試驗，確立了合理的加工方法、工藝方案和檢測方法，圓滿解決了軸承座密封類零件的加工難點。同時也積累了設備改造和研磨加工的經驗，對于類似零件及超高精度零件的加工具有很好的借鑒作用。

關鍵詞：燃氣輪機;軸承座;研磨;研具

0? ? 引言

隨著國產燃氣輪機技術的迅猛發展，現階段零組件的結構設計越來越復雜，精度也越來越高。軸承座是燃氣輪機的重要部件之一，為保證軸承回轉靈敏性、密封性、能承擔綜合載荷，增強軸承的運轉平穩性，延長軸承使用壽命，某軸承座類零件加工精度要求達到工作面相對于外圓和端面的跳動為0.01 mm，平面度為0.001 mm，表面粗糙度為Ra0.2 μm。該類結構軸承座單件裝配數量多，其結構復雜度和精度要求較高，目前尚無現成的加工工藝可借鑒。

本文針對該零件的特點進行深入的工藝研究，分析其磨削加工、研磨加工等工藝難點，設計合理的工藝流程，通過試驗選擇符合要求的加工方法，確定磨削加工參數。

1? ? 難點分析

本文共涉及4個此類型的軸承座，零件輪廓尺寸為？準155 mm×39.5 mm，其平面度要求高的部位結構基本相同。4個零件材料均為1Cr11Ni2W2MoV，平面度要求0.001 mm，光度要求Ra0.2 μm，其中2#和4#小端結構為寬度2～2.2 mm的周向鍍鉻槽，鉻層厚度要求≥0.04 mm，光度Ra0.2 μm，1#和3#小端焊接白銅片。零件外形尺寸圖如圖1所示。

（1）該零件材料較軟，加工時光度不好提高，尤其是研磨工序，研磨光度和平面度要求高，受結構限制，正常研磨無法實現，且容易拉傷研磨面。

（2）2#和4#軸承座小端2～2.2 mm鍍鉻槽，由于槽寬太窄，鍍鉻難度大，鍍鉻時在槽口容易積鉻，兩側槽壁鉻層厚度上不去，需要反復將槽口所堆積鉻層磨掉，如此反復鍍鉻才能將鉻層鍍起來。

（3）加工時需要將砂輪切削部位寬度修至2 mm左右，為保證如此小寬度的砂輪進行高速磨削，需盡量少進刀，防止砂輪被擠裂。

由于前期設計要求鉻層厚度加工后為0.02～0.04 m，當加工到最終尺寸時，鉻層和基體結合力不強，鉻層成片狀脫落，經與設計協調后將鉻層厚度改為≥0.04 m，情況有所好轉。

零件的工作面相對于外圓基準面和端面基準面的跳動為0.01 m。零件工作面的精度要求非常高，平面度要求為0.001 m，表面粗糙度為Ra0.2 μm。這兩項高精度要求的保證是加工的難點和重點，常規的磨削方法根本無法達到設計要求。零件具體尺寸如圖2所示。

2? ? 工藝路線的合理設計與設備、研具的選擇

2.1? ? 工藝路線設計

由于該零件結構比較復雜，各種機械加工工序幾乎都有所涉及：車加工、熱處理鍍鉻、磨加工、銑花邊、鉆鏜孔、攻絲、電火花加工方槽（電火花加工型槽）銑螺紋、研磨平面等，所以工序相當長，生產周期也比較長。工序的安排是否合理，將直接影響到超精密加工的零件質量與生產周期。按精益生產的要求，要降低成本，縮短生產周期，提高生產效率，需盡可能利用現有資源。但由于超精加工的端面低于零件大端面，所以限制了很多加工方法的使用。在進行多方調研并分析零件結構后，決定基于工藝研究及設備改進來解決問題。首先確定的是用研磨的方法保證最終的技術要求。其次，要減小零件變形。精加工過程中采用端面定位、軸向壓緊的夾具定位方式，不能采用軟爪或四爪定位，以減小零件徑向受力。再次，對研磨的平面要有較好的原始平面，可減少研磨的工作量，縮短生產周期，因此在研磨工序前采用磨加工基準面，保證其跳動和平面度達到要求。

2.2? ? 設備選擇

（1）由于零件結構所限，不能采用普通的研磨平臺進行研磨，為此，我們根據零件結構和現有設備（圓轉臺或圓平磨），設計制造了適合現有設備的加工裝置。該裝置結構設計巧妙、簡單，只需在圓轉臺或圓平磨增加自制工裝，具體原理圖如圖3所示。

從圖3可以看出，通過帶有膠皮的調節器可以調整零件與轉臺的不同轉速，通過速度差來研磨零件端面。

采用光的干涉法檢測平面度，原理如圖4、圖5所示。

反射光和入射光通過平鏡與透鏡、透鏡和零件之間氣膜形成干涉，干涉圖像呈均勻分布時，則平面度合格。

2.3? ? 研具選擇

由于要研磨的表面低于零件表面，不能將研具直接放置于旋轉的研磨臺上，需要準備一個工裝，將零件放于該工裝上，再將工裝和零件一起放于旋轉平臺上，所以研磨零件平面的研具為工作于旋轉工作臺和零件之間。

3? ? 精度的保證

3.1? ? 研具修正

由于零件表面的平面度和光度要求高，所以研具一定要平整，并且零件壓在研具上不能受過大的間歇性外力。先將研具進行研修，將平面度研修至0.001 mm，再用光的干涉法進行檢測，合格后用研具研磨零件。

3.2? ? 研具檢測

按原理圖4檢測研具平面度是否合格，若研具合格，按零件加工方法進行研磨;若研具不合格，則按研具修正的方法繼續修正研具，直至研具合格為止。

3.3? ? 零件加工

將零件和研具一起放到研磨旋轉臺上，在零件小端面壓上2 kg左右的重物，利用轉臺與零件速度差來研磨零件。研磨30 min左右，先檢查零件平面度，再檢查研具平面度，若零件平面度上升較快，則將研具在研磨機上研磨，保證平面度后再研磨零件，直至研具平面度降低明顯減慢，再用干涉法檢查零件平面度。

3.4? ? 零件檢測

零件經過研磨后，在光的干涉儀上檢測合格，上三坐標再進行復檢，并且以三坐標所檢尺寸為準，數值比較直觀，也增加了安全系數。

4? ? 結論

（1）通過圓轉臺或圓平磨增加自制工裝，調整膠皮調節器控制零件與轉臺不同轉速，利用速度差來研磨零件端面的方法，能實現軸承座平面度0.001 mm和表面粗糙度Ra0.2 μm的高精度要求。

（2）研磨前的磨加工基準，采用端面定位、軸向壓緊的夾具定位方式以及研具的修正、檢驗等前期控制措施，對控制零件的變形、保證后續軸承座精度要求起到了很好的支撐作用。

（3）利用反射光和入射光通過平鏡與透鏡、透鏡和零件之間氣膜形成干涉的檢測方法，與三坐標對比檢測差異不大，可進行研磨程度控制，避免了多次研磨盲目三坐標送檢的情況發生。

收稿日期：2020-06-22

作者簡介：蔡文波（1990—），男，湖北武漢人，工程師，研究方向：燃氣輪機制造質量監督。