基于前錐壁零件的鉻層磨削技術研究

鄧 旬 魏乾星 王 巖

（沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

前錐壁組件是某型燃機前軸承機匣的核心部件，外型面分布有四處焊接管座，內型面分布有減重型槽，結構復雜，屬于薄壁易變形的軸承座機匣類零件，主要加工方法為車、銑加工。在研制過程中，其軸承裝配內孔的鉻層加工屬于瓶頸工序，對該種超硬鍍層的加工屬于工廠技術空白領域，該文將以前錐壁組件的鉻層加工為研究載體，從技術方案論證、現場零件加工、工藝迭代優化三個方面介紹其鉻層加工的實現過程，對同類特征的產品加工具有一定的參考意義。

1 研究內容

某型燃機前錐壁組件磨鉻層工序因尺寸及技術條件要求嚴格（尺寸公差等級C5，跳動0.01mm，圓度0.01mm），難以保證，一直是零件整個加工過程的瓶頸工序。該文將從鉻層加工技術、基于前錐壁組件的磨削技術、前錐壁組件車磨復合工藝等方面開展研究工作，解決鉻層磨削的技術難點。

2 技術方案

2.1 鉻層加工技術簡介

鍍鉻層具有很高的硬度，根據鍍液成分不同和工藝條件不同，其硬度可在400HV～1200HV 變化。鍍鉻層的摩擦系數小，且具有很好的耐磨性，在航空制造業中，鍍鉻通常作為功能性耐磨擦鍍層使用。

目前較為常見的鉻層加工方法是磨削，但也有采用高硬度刀片進行車削的情況，如PCBN（聚晶立方氮化硼），PCD（聚晶金剛石）刀片。與車削相比，磨削的表面粗糙度和表面完整性更好，考慮零件承力支點的使用性能和高溫高壓的工作狀態，首選磨削的工藝方法進行鉻層加工。

2.2 基于前錐壁組件的磨削技術研究

磨削工具主要是指砂輪。砂輪選擇不僅要結合被磨削的材料，同時還要基于零件加工特征和設備的功能特點進行綜合考慮。

目前在鉻層磨加工領域，經常采用CBN 砂輪、剛玉砂輪或SG 材料砂輪進行磨削。從設備的角度考慮，工廠現用的磨削機床（法國貝蒂立式車磨床）僅可采用金剛筆對砂輪尺寸進行修整和補償，而金剛筆的硬度不具備修整CBN砂輪的能力，因此，從設備角度來看不適合選用CBN 砂輪進行磨削。從零件的角度出發，磨削部位尺寸公差等級為C5，屬于精密加工，而剛玉材質的砂輪硬度較低，在磨削過程中磨損較快，造成上刀量與下屑量不一致，難以控制零件尺寸精度。而SG 砂輪是一種新型磨料砂輪，該砂輪不但硬度高，而且韌性好，與普通剛玉砂輪相比，SG 砂輪具有磨耗比高、工件表面加工質量好、砂輪自銳性好、磨削鋒利、磨削效率高等優點，同時，采用金剛筆也可對SG 砂輪進行修整，因此，前錐壁組件磨鉻層選擇SG 材料砂輪進行加工。

從圖1 零件磨削部位示意圖可以看出，磨削部位屬于深腔內孔磨削，加工部位距離零件端面約335mm，冷卻條件較差，不宜選擇粒度大的砂輪，同時考慮砂輪的耐用性，最終選取80#粒度的砂輪。對內孔磨削，一般砂輪直徑應小于內孔直徑的1/3，因此，砂輪直徑尺寸選取Φ70mm。由于磨削部位還包括與內孔相連的端面，因此，砂輪形狀宜選擇單面凹砂輪，可同時滿足端面和內孔的磨削需求。

圖1 零件磨削部位示意圖示意圖（單位：mm）

2.2.2 磨削用量選擇

磨削余量選擇：前錐壁組件設計圖紙要求鉻層厚度為0.02mm～0.06mm，工藝中考慮鉻層加工余量以及鉻層與基準面的同軸度誤差，要求鍍鉻層厚度不小于0.15mm（內孔及端面），即磨削余量最小為0.09mm，該厚度滿足磨削余量需求，若鉻層厚度穩定，可縮減至0.05mm。

砂輪速度選擇：砂輪速度一般選擇20m/s～25m/s。砂輪轉速過快容易產生燒傷，且現用車磨復合設備在砂輪線速度達到25m/s 以上時，易產生振動[1]。

工件速度選擇：工件的線速度可初步按砂輪的線速度進行計算，再根據現場實際情況進行調整，其和砂輪速度之間比例關系式如下。

式中：Vw為工件線速度（m/min）；Vc為砂輪線速度（m/s）。

（1）PM2.5檢測 PM2.5檢測使用DSL-03激光數字式PM2.5傳感器，內置激光器和光電接收組件，運用光的散射原理，激光在顆粒物上產生散射光，由光電接收器件轉變為電信號，再通過特定算法計算出PM2.5質量濃度、PM10質量濃度、PM0.3～PM2.5粒子個數、PM2.5～PM10粒子個數。通過檢測可判斷該區域是否適合出行活動以及發出相應預警。該傳感器具有體積小巧、安裝方便、檢測速度快、檢測數值穩定準確、抗干擾能力強等優點。

砂輪線速度取23m/s，工件的線速度計算為8.625m/min～23m/min，工件直徑為Φ220mm，換算成機床轉速為12.4r/min～33.3r/min。適當提高轉速有利于提高零件表面質量，因此，磨削時工件速度選擇33r/min。

進給方式/進給量選擇：內孔磨削進給方式主要有兩種，一種是橫向進給，一種是震蕩進給。震蕩進給雖然加工效率較低，但其加工后的表面粗糙度小，對砂輪及磨削表面圓柱度要求較低，且加工過程中徑向切削力小，有利于零件變形控制。因此，選擇震蕩進給方式進行加工。

震蕩進給過程中，其軸向進給量是較為關鍵一個參數。軸向進給量是指工件每轉一周，砂輪沿軸向方向移動的距離。軸向進給量的大小按砂輪寬度B來選取。一般取軸向進給量Fab=（0.2～0.8）Bmm/r，B是砂輪寬度。砂輪厚度為25mm，軸向進給量為5mm/r～20mm/r，機床里軸向進給量的單位是mm/min，因此，須結合工件轉速進行計算。若工件轉速為33r/min，則軸向進給量為165mm/min～660mm/min。軸向進給量越大，磨削效率越高，但會使砂輪上每個磨粒切削負荷增加，磨削力和磨削熱也隨之增加，故軸向進給量選擇較小的165mm/min。

磨削深度選擇：在徑向磨削時，砂輪在X軸每次向工件移動的距離，稱為徑向磨削深度；在軸向磨削時，砂輪在Z軸每次向工件移動的距離，稱為軸向磨削深度；磨削深度增大，砂輪上每個磨粒切削負荷增加，容易破壞磨粒上的微刃，影響零件表面質量和切削性能。

現用設備能夠達到的最小進給為0.001mm。在徑向磨削時，每次磨削深度設定為0.001mm，軸向磨削時，每轉的進給設定為0.001mm。

2.3 前錐壁組件車磨復合工藝研究

在完成前錐壁組件鉻層磨削單點技術研究后從總體工藝方案的角度出發，對該項技術應用所需的其他條件進行論證。

2.3.1 工藝方面

磨鉻層是安排在整個機械加工的最終工序，符合前錐壁類零件的典型工藝安排。在以往的工藝方案中，零件鉻層與大端內止口的同軸度Φ0.02mm 是零件加工的瓶頸問題，該同軸度也是影響零件使用性能的重要指標。受零件加工后變形、重復裝夾找正等情況影響，在鉻層磨削工序極難找正大端內止口跳動在0.02mm 以內。但若采用立式車磨復合機床進行加工，即可實現大端內圓止口車加工工序與鉻層磨加工工序的一次裝夾加工，縮短工藝流程，放寬工序相關技術條件要求[2]。

采用車磨復合加工工藝，將零件原精車大端工序與原鉻層磨削工序內容進行合并，將證零件鉻層與大端內止口一次裝夾加工，保證同軸度Φ0.02mm 技術條件要求，同時可放寬工序加工前找正要求，提高找正效率。

2.3.2 工裝方面

刃具：砂輪的具體尺寸在第2 部分已經論證；夾持砂輪的刀柄原則上在不干涉的情況下，長度越短，系統剛性越強。從圖2 磨削干涉示意圖可以看出，前錐壁組件磨削加工部位距離零件上端面335.7mm，經過對現場刀柄及主軸頭尺寸的測量，長度在120mm 以下的刀柄會使主軸頭與側壁發生干涉，最終選擇150mm 長的標準尺寸刀柄進行加工。

圖2 磨削干涉示意圖（單位：mm）

量具：鉻層的直徑尺寸可使用專用標準環規及內徑千分表進行測量，技術條件采用千分表進行檢查，符合檢測精度要求。

夾具：因砂輪軸向的行程距離機床表面的最小距離為50mm，而磨削部位距離零件底面僅5mm，故需將零件墊高加工，為減小零件裝夾變形，采用8 處壓板均布壓緊小端安裝邊的方式進行裝夾。零件裝夾示意圖如圖3 所示。

圖3 磨鉻層工序工裝三維模型

2.4 風險分析及應對措施

經過以上方案論證，理論上可實現基于前錐壁組件的車磨復合加工。在驗證過程中可能出現以下幾點加工風險：1）因砂輪懸深較長，剛性不足，磨削下屑量與上刀量不符，精密尺寸難以保證。措施：摸索上刀量與下屑量的關系，最終精磨時每次上刀量不大于尺寸公差（0.02mm）。2）直徑磨削時因砂輪磨損出現“喇叭口”的情況，加工直徑上大下小。措施：增加砂輪修磨次數，減少每次的磨削量。3）加工效率較低，磨削時間長。措施：首先保證零件質量，摸索精加工磨削參數。后續可先進行粗磨，最終剩余少量的余量進行精磨。

3 項目實施

3.1 現場零件加工

3.1.1 加工前零件及砂輪狀態

加工前測量夾具端面跳動不大于0.005mm，零件裝夾后與夾具端面間隙不大于0.01mm；夾具徑向僅提供粗基準，與零件間隙配合；零件自由狀態找正鍍鉻面圓周跳動0.015mm，鍍鉻面與大端圓周基準面同軸度Φ0.03mm；壓緊過程中始終對待磨的鍍鉻表面進行壓表檢查，指針無變化。說明零件無裝夾變形影響；砂輪表面經過2 次修整，表面氣孔均勻，無裂紋等缺陷；冷卻液澆注充分，澆注位置為磨削接觸點。

3.1.2 零件加工

按預先設定好的工藝和參數對零件鍍鉻部位進行磨削加工。

每加工0.03mm 余量對零件尺寸進行一次測量，同時對砂輪進行修整，加工過程中上刀量與下屑量保持一致，無讓刀以及“喇叭口”等情況出現。

加工后如圖4 所示，經自由狀態尺寸及形位公差測量，零件鉻層精密尺寸及同軸度等形位公差全部合格，表面粗糙度可達Ra0.4，符合圖紙要求，磨削表面無燒傷痕跡，零件合格交付。

圖4 零件加工后實物圖

3.1.3 加工小結

SG 砂輪可以對鉻層進行磨削，加工后無磨屑堵塞砂輪氣孔，砂輪表面狀態良好。在指定的參數下，鉻層的下屑量與上刀量吻合，不易燒傷，砂輪磨損較小，磨削性能較好。前錐壁組件鉻層磨削后尺寸可控，表面粗糙度符合Ra0.4 的要求，加工后徑向、軸向跳動為0mm，滿足圖紙技術要求。車磨復合加工工藝可降低工藝基準轉換帶來的形位公差縮嚴，直接保證圖紙要求，從工藝流程上減少一道加工工序。

磨削直徑時加工效率較低，單件直徑磨削時間約190min。

3.2 工藝優化迭代

基于目前掌握的參數，雖然可以加工出合格的鉻層尺寸，但是在加工效率方面仍有很大的提升空間，后續主要對磨削參數進行優化，在保證質量的前提下提高徑向磨削的加工效率[3]。

3.2.1 參數優化

對零件內圓磨削加工部位的加工參數及加工后零件狀態進行分析與優化。影響鉻層磨削效率的因素主要有軸向進給量、每層磨削深度、砂輪修整次數、主軸轉速以及砂輪轉速。其中，砂輪轉速與主軸轉速的可提升空間較小，砂輪修整次數將影響砂輪使用性能，在保證質量的前提下，主要從軸向進給量和每層磨削深度兩個方面進行優化。

在軸向進給量提高的情況下，零件加工后的尺寸與理論值出現差異，不利于質量控制；而在每層磨削深度逐漸提高的情況下，保證質量的同時，其磨削時間大幅縮短。經過加工驗證，每層磨削深度從0.001mm 提升至0.004mm 后，對零件質量無顯著影響。經過試驗，當徑向余量為0.15mm 時，采用0.004mm 的每層磨削深度粗磨至余量0.03mm，再進行兩次精磨，總計加工時間72min，相比改進前總時間190min提效62.1%。

3.2.2 加工小結

加工小結如下：1）通過調整每層磨削深度，可大幅提高加工效率。2）增大軸向進給量會加劇砂輪磨損，造成下屑量與上刀量不符。

4 總結

該文通過查閱鉻層相關技術資料以及鉻層磨削加工技術交流，從理論出發，結合工廠實際情況，通過磨削工具選擇，磨加工參數設定以及車磨復合加工工藝研究，形成了一套能夠保證前錐壁組件鍍鉻層相關尺寸、技術條件、表面粗糙度一次加工合格的技術方案。在保證產品交付質量的前提下，基于鉻層的磨削參數試驗，對如何提高零件加工效率做出了更進一步的探索，大幅提高零件加工效率，打通鉻層磨削加工的技術瓶頸，實現零件高質量、高效率合格交付。