高承載運動副幾何精度及表面耐磨損性的形性耦合磨削研究

分析 趙志勇

摘要：磨削技術已廣泛應用于最后加工有高表面質量和高表面完整性要求的精密零件。經過三十年的研究與探索，對磨削加工的各方面有了一個較為清楚的了解。本文將介紹其定義、流程及誤差分析等，以期更好的促進工藝的發展。

關鍵詞：磨削參數;圓柱度檢測儀;偏心軸

中圖分類號：TB17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0089-03

0? 引言

磨削是一種通過磨料，磨具來實現切除工件上多余材料的機械加工方法。是獲取高精度與高表面質量零件的重要途徑。磨削加工技術在金工處理與制造行業中得到了十分廣泛的應用。而通過熱處理實現淬火零件卻常常出現一個問題，這就是在進行磨削工藝處理時與施工方向大抵垂直的材料表面上常常出現大量的磨削裂紋，它往往會影響零件的美觀，甚至直接影響零件質量。

1? 磨前的定義

磨削是一種精加工的加工工藝方法，通常是利用磨料、磨具作為工具來去除母件上多余的材料。磨削的精度往往可達IT8-IT5甚至更高。

1.1 磨削加工對零件的影響

高壓共軌噴油泵中的零件偏心軸材料：20CrMnTi（圖1）是噴油泵內的核心部件之一，高轉速、高扭矩的使用環境對偏心軸尺寸和強度都有著高質量要求，偏心軸經過粗加工及熱處理后，進行最終磨削，磨削過程中產生的各種因素，比如磨削速度、磨削進給速度、磨削的深度及磨削機床自身的穩定性、砂輪材質的可靠性等都會直接導致最終磨削結果。

1.2 零件磨損過程（見圖2）

1.2.1 跑合階段

由于在摩擦的初始運行過程中，零件表面存在一定的粗糙度，且微凸體接觸面積小，接觸應力大，磨損程度與磨損速度都會提升。在實測階段可以發現，當施加荷載逐漸達到一定量級后，被摩擦的材料表面逐漸磨平，這導致了實際的接觸面積逐漸增大，從而使得磨損速度也將逐漸降低。

1.2.2 穩定磨損階段

在經過跑合階段后，材料表面接近平面，摩擦表面因加工而逐漸硬化，在微觀狀態下材料的幾何形狀也發生改變，實際的接觸面積增大，整體的壓強降低，這為材料發生彈性碰撞提供了技術條件。且磨損已經穩定下來，故而磨損量將隨時間增大而緩慢增大。

1.3 劇烈磨損階段

而隨著磨損的速度急劇增加，摩擦溫度也將急劇增高，且金屬內部組織會發生不可逆的微觀形態變化，整體來看，精加工機械的工作效率逐漸下降，施工精度也進一步降低，并且出現明顯的異響和不規律振動，最后導致零件完全失效。

2? 磨削模型

連續性：

通過軟件建立一個模型，在模型內給砂輪設定以時間為基礎變化量的徑向進給速度u（t），且根據實際情況，砂輪本身的徑向進給速度v（t）會由于系統撓度∮和砂輪徑向磨損而發生滯后。因此，這個模型顯示了一個受調控的三階段（粗磨、精磨和光磨）進給周期。為了分析砂輪在它工作環境內的進給特性，其連續性要求如下：

3? 仿真模型模擬分析

為了進一步地說明模型的實際效果，可以觀察一個經過三階段的外圓磨削加工，并將其磨削條件總結成表1，而圖3則表示了仿真功率的預測結果和實際測量到的磨削功率。從圖中可以看出，在粗磨階段功率響應的初始上升跟隨著的是一段“平衡狀態”，且在此期間由于砂輪逐漸鈍化，磨削器具的功率也逐漸增大。

在粗磨階段最初過渡期，預測功率有良好一致性，這說明了仿真系統中的剛度與實際系統的剛度是非常接近的。在進行粗磨后則是精磨階段，此時由于橫進給速度的下降，功率降到一個較低的區域。且在最終精磨階段，功率會突然減少。而除了功率以外，仿真軟件還可預測其它參數。如材料去除率、材料的尺寸、比能撓度、表面粗糙度、溫度、工件燒傷、圓度對比等。

4? 校準

校準是一切實驗儀器必須在實驗階段開始之前就必須完成的一個先決條件與必然準備。特別是對機械精加工這種高精度要求項目，對于各部位的精度要求更是需要引起注意。而在這個實驗模擬模型中，整個模擬系統是在不斷學習、不斷改進的。通過對不同的環境要求、技術條件進行改良，可以從多個角度不斷地推演材料的磨削特性。而與此同時，技術人員可以通過錄入實際數據來限制條件，優化模型，從而實現對模型模擬的校準工作。在完成了多次的工作后，機器還可以聯網儲存數據，對多次實驗數據做詳細處理和分劃，這一方面可以快速找出模擬中存在的問題，另一方面也可以為未來新技術的研發提供堅實的數據庫基礎。

5? 驗證分析

而在實際運營階段，操作人員可以通過不斷地對模擬結果與實際操作結果相比對，來獲取實驗模型的擬合性評定。在粗磨、光磨兩個重要階段中，反復考量整體的擬合效果是否良好、是否符合實際情況。而往往在初始階段，模型模擬的狀態還是良好的，但在光磨階段，如若未經數據調試，可能曲線擬合會有所偏差。這是因為在實際情況中，導軌、車床等機械單位會因速度和功率的變化發生一定的磨損，從而在整體上凸顯出曲線的不準確性。所以在設計模型時要根據磨削參數對表面狀態的影響來做出一定的調整。

6? 誤差分析

6.1 對工藝系統進行調整

磨削量小于名義磨削量，這就是“切面加厚”現象的因素。在磨削加工過程中，隨著砂輪的磨損和修整，砂輪直徑也將不斷地變化最大直徑和最小直徑。

6.2 傳動誤差對精度的影響

磨床的傳動誤差是由螺距誤差和其它傳動環節所引起的傳動誤差兩部分組成，螺距誤差對齒距精度影響最大，它將直接以傳動比值的倍數關系反映到被加工零件上。

6.3 機床誤差的減小

①使用高精度的滾動軸承。②使用高精度的靜壓軸承。③測量及調節相應件的徑向跳動范圍。④提高軸承配合表面的加工精度。⑤采用精密磨削齒輪改進齒輪精度。

6.4 影響精度的因素

①夾具。夾具的幾何誤差和夾具的定心超差會使工件發生徑向跳動誤差、軸向跳動誤差。

②機床。砂輪主軸或者活動托座傳動構件的磨損和工作臺傳動構件的磨損以及砂輪與工作臺同步的動態性能是否良好，均會產生不規則的齒形誤差。

③砂輪。砂輪是造成齒形誤差最主要的因素。齒形一般是由多切削刃展成加工而成的，每片切削刃與實際齒線的兩條設計齒線之間的端面距離與設計距離是否相符合都將影響齒形誤差。

在這一方面影響該誤差的因素又可分為：

1）機床因素。機床的刀架導軌精度未達到設計標準或經過長期的使用產生了磨損;立柱導軌精度未滿足使用需求，頂尖或者頂尖機構設計不合理;工作臺面存在水平誤差的，從而導致水平性較差。

2）數據因素。公法線長度值超差，是造成該誤差的主要原因。其原因之一是設備精度不達標。主要包括：機床分度蝸輪的精度過低，而在加工斜齒輪時，差動掛輪的誤差大，從而使差動傳動鏈齒輪的制造誤差和調整誤差過大，或走刀絲杠間隙過大，發生走刀竄動，因而齒面易產生大的波紋。

7? 磨削的方式及優點

7.1 高速磨削

優點：

①磨削表面粗糙度減小。

②砂輪的速度得到了提高之后，對于加工的精準度也有所提升。

③法向磨削力減小，工件精度提高。

④使單個磨粒的載荷減輕，金剛石砂輪耐用度提高。

7.2 緩進給大切深磨削

優點：適用于磨削高硬度或高韌性材料。

7.3 砂帶磨削

優點：

①效率高，可用于粗、半精和精加工。②磨削質量高，磨削效果好。

8? 實驗結果分析

在磨削工藝的整個過程中，材料表面在各類磨削參數、磨削力與磨削熱的作用下，將會發生不同程度的塑性變形，而零件內部的金屬組織變化也將引起整體宏觀的體積改變。從這一點可以得出如何去合理地調控機械加工基礎條件地具體方法。通過預先對加載情況地模擬，可以很好地避免零件磨損甚至報廢的情況出現。這為機械加工提供了良好的優化思路，而通過對模型模擬與實際生產過程中各階段產品性狀進行對比，則可迅速的找出是在哪個生產環節里出現了問題，并得到有效的解決。總的來說為整個機械加工工藝流程提高了工作效率，也降低了出錯率，壓縮了生產成本。

9? 總結

出現誤差是在整個精加工機械行業里不可避免的一件事情。因此在實際的生產生活中，我們常常采取一系列的有效措施來降低誤差對最終產品的質量影響或是減小誤差。從本質上說，在精加工工藝或機械加工中產生的誤差，在整個工藝流程中往往以差異化的形式體現，被稱作原始誤差。而根據誤差起源的不同，則可以分為幾何誤差，加工誤差，外來因素誤差與變形誤差。從這一點上來說，誤差的大小會間接地影響整個生產周期，而較大的誤差則必然會帶來較大的生產損失，降低整個工藝流程的生產效率與生產質量。

9.1 影響零件加工精度的因素

零件加工精度的影響因素眾多，但在對其進行研究時，被加工部件在受到不同類型的加工工藝的影響時發生的變化會很明顯。如機床幾何誤差，在機械加工時，機床幾何誤差對零件加工精度的影響是十分明顯的，它主要包括三個方面：轉動鏈誤差、主軸回轉誤差與導軌誤差。

對于主軸回轉誤差，由于是在零件裝配的過程中就因為存在誤差，其影響主要體現在主軸跳動的時候，會出現圓度的誤差。且在整個磨削過程中，主軸角度會發生擺動，雖然其工作徑向仍然為圓形，但工作軸向卻為梯形。因此在鏜孔的過程中，主軸的擺動角度問題會致使導軌與回轉周線之間不再處于平行狀態，磨削外圓也最終會發生圓度超差。除此之外，主軸出現軸向跳動的情況，即使不會對外圓、內孔相應的精度產生影響，但對于端面和內外圓的垂直度將一定造成影響。這最終導致相關的切面與端面發生形態變化，形成凸輪端面的外形。

要想改善機械精加工的生產質量，首先就要對預備設施做出改進。如機床、導軌、砂輪等，根據已有的確切數據與相關技術要求、技術標準來對機械加工設備做出統一的要求。只有對加工器械做出了硬性要求，生產出來的零件才能在各方面滿足一個最基本的要求。如車床與導軌，從技術角度來說，導軌決定了加工零件的徑向尺度是否標準，那么就需要對導軌的磨損程度進行把控，因為一旦導軌磨損過度，整個加工步驟就不能對徑向速度嚴格地加以控制，那么加工得到的零件就是不合格的。這將會大幅度地降低整體的生產效率，延長了生產周期。其次是要加強對基礎操作人員的安全、技術教育與高新人才的大力引進。隨著社會的不斷進步，各行各業的基礎技術與高新技術也在不斷發展著。只有不斷向前看，才不會被時代拋于身后。新的技術與人才也有助于進一步地提高生產質量，縮短生產周期，增加企業利潤。

9.2 改善工藝減小誤差的具體方法

①合理配置基礎機械加工硬件，首先要保證加工器具與模具車床相配套，這是降低基礎誤差的最佳方法。而從另一方面說，這也需要基礎操作人員在日常機械維護的過程中讓基礎機械硬件得到更多的修理與保養，防止出現導軌、車床的尺寸變化。而從整體的機械加工工藝流程上來說，則是要根據自身的生產要求與生產條件，合理地減少部分不必要的生產工藝，在降低生產難度的同時也縮短了整體的生產周期，當然同時也要顧及到機械加工產品的質量不能打折扣。

②利用新興技術來代替傳統工藝。實際上，大部分的機械加工產業已經步入了數控時代，這一點可以分為三方面來說：第一，對原有的機械加工設備進行更新換代，數控技術往往能夠進一步提升加工精確程度，降低生產誤差，同時也替代了重復的人體勞動，減輕了基礎操作人員的生產壓力。第二，要支持原有員工對新技術的學習，多做指導。第三，要積極引進復合型高新人才，協助完成機械設備的整體更新換代。

③嚴格執行各類生產標準。通常一件細小零件都會需要許多的生產工藝流程，而一個步驟都會有它特定的生產要求與細則。雖然在某些生產環節中，細小的誤差不會引起整體的工藝差別，但總的來說，正是這些小誤差，在不斷積累之后引起了大的質變，最終導致了加工失敗。因此，要從每一個小環節去嚴格管控加工要求，嚴格按照生產標準去嚴苛執行。

④建立完備的自檢程序。即使對整個生產流程管控的再嚴格，一些生產誤差也是不可避免的。因此，需要對生產產品做定期、定階段的自我檢查，按周期評控每一個生產階段的出錯率、生產效率等等，并從這些數據中找出現有的生產工藝流程還存在那些問題，并積極改正。

放眼未來，任何一個企業或單位都是要向信息化、數據化看齊的。機械精加工作為大多數加工制造業最基礎的工藝流程之一，也必然要向這方面發展。通過數據模擬來預知加工結果，往往能夠更好地提供方案改進思路，降低成本。只有這樣，企業才能走可持續發展的道路，并一直向前發展。

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