微小球頭類(lèi)零件的加工

馬磊，張作超，韓紅雨，盧陽(yáng)，張風(fēng)琴

洛陽(yáng)軸承研究所有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

1 序言

球可以看作是一個(gè)圓弧繞其軸線旋轉(zhuǎn)而成的曲面。由于球頭類(lèi)零件存在復(fù)雜曲面，所以通常采用數(shù)控加工，以滿(mǎn)足尺寸、位置精度和表面質(zhì)量要求。隨著機(jī)床性能及刀具材料、性能的不斷提升，對(duì)于球頭直徑≥8mm、材料硬度≤64HRC的球頭類(lèi)零件，可采用傳統(tǒng)方法加工，包括：①采用全向車(chē)刀或擺線刀的數(shù)控車(chē)床加工。②采用對(duì)刀具位置調(diào)整要求極高的旋風(fēng)銑加工。③采用專(zhuān)用砂輪修整裝置的成形磨削加工。④采用定制杯形砂輪的展成法磨削加工。⑤采用專(zhuān)用磨塊進(jìn)行批量生產(chǎn)的銼削加工（只能進(jìn)行形狀規(guī)則的半球軸端加工）。

綜上所述，結(jié)合微小球頭類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，認(rèn)為采用傳統(tǒng)加工方法較難實(shí)現(xiàn)微小球頭類(lèi)零件的精密成形加工。

2 微小球頭類(lèi)零件的特點(diǎn)

微小球頭類(lèi)零件的特點(diǎn)：①在軸端具有曲面球頭結(jié)構(gòu)，分為小半球面、半球面和大半球面結(jié)構(gòu)等(見(jiàn)圖1），硬度60HRC左右。②球頭直徑較小，一般球頭直徑≤3.5mm。③加工時(shí)球頭過(guò)渡段受徑向力而易折斷。④零件尺寸較小，刀具結(jié)構(gòu)對(duì)工件加工影響較大。⑤成形砂輪的修整難度較大。

圖1 球頭類(lèi)零件結(jié)構(gòu)示意

由微小球頭類(lèi)零件的特點(diǎn)可知，采用傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行軸端微小球頭的成形加工顯得力不從心。

對(duì)于少量精度要求一般的微小球頭類(lèi)零件，可采用軟態(tài)下雕銑粗加工、熱處理后進(jìn)行拋光處理的方法。但對(duì)于精度要求較高的微小球頭類(lèi)零件，仍需尋找更適合的加工方法。

由于微小球頭類(lèi)零件實(shí)現(xiàn)精密硬加工的難度較大，不易實(shí)現(xiàn)批量加工，因此根據(jù)軸端球頭的形成機(jī)理（讓棒料高速旋轉(zhuǎn)，以圓弧包絡(luò)線的形式形成球頭）以及設(shè)備的加工原理，提出一種微小軸端大半球類(lèi)球頭零件的加工方法：制作專(zhuān)用工裝，讓桿件高速旋轉(zhuǎn)，配合光學(xué)曲線磨床集點(diǎn)成線的加工原理，以包絡(luò)線的形式進(jìn)行球頭的精密成形加工。

3 光學(xué)曲線磨床加工方式

光學(xué)曲線磨床主要由床身、坐標(biāo)工作臺(tái)、砂輪臺(tái)和投影系統(tǒng)組成，工作臺(tái)可做縱向、橫向和垂直方向運(yùn)動(dòng)；砂輪可做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在砂輪臺(tái)的導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng)；砂輪臺(tái)可做縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及繞X/Y/Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)多圓弧面、對(duì)數(shù)曲面或阿基米德螺旋曲面的磨削加工。

光學(xué)曲線磨床加工是利用光學(xué)投影放大系統(tǒng)將工件放大投影到屏幕上，與屏幕上的工件放大圖相對(duì)照，加工時(shí)操作砂輪對(duì)工件進(jìn)行磨削，將超過(guò)放大圖輪廓線部分的多余材料磨掉，直至物像的輪廓與放大圖全部重合為止。可放大25倍、50倍比對(duì)。光學(xué)曲線磨床使用的金剛石砂輪結(jié)構(gòu)類(lèi)型有平砂輪、尖砂輪等，如圖2所示。

圖2 金剛石砂輪結(jié)構(gòu)類(lèi)型

根據(jù)設(shè)備使用的砂輪結(jié)構(gòu)可知，使用尖砂輪配合數(shù)字控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)直徑≥0.2mm的曲面磨削加工。如果配合工件的旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)曲線回轉(zhuǎn)面的成形加工。

4 加工實(shí)例分析

某型號(hào)產(chǎn)品用球頭桿結(jié)構(gòu)如圖3所示。工件材料為GCr15，硬度58～64HRC。球面表面粗糙度值Ra=0.4μm，球面不能有接刀痕等明顯刀削紋；球頭部分尺寸、位置精度和硬度要求較高，球頭與軸過(guò)渡段直徑僅1.2mm，加工數(shù)量500根。該零件的加工存在以下難點(diǎn)：①球頭尺寸精度要求較高，零件軸徑較小。②球頭過(guò)渡段直徑僅1.2mm，加工剛度低，受力易折斷。③加工余量大，對(duì)加工工藝，裝夾便捷性、穩(wěn)定性和棒料旋轉(zhuǎn)徑向圓跳動(dòng)量等方面的要求較高。④對(duì)球頭表面質(zhì)量要求較高。

圖3 球頭桿結(jié)構(gòu)

若采用光學(xué)曲線磨床實(shí)現(xiàn)球頭桿的精密成形加工，還需制作專(zhuān)用工裝，保證砂輪沿工件輪廓移動(dòng)時(shí)，球頭桿繞軸線回轉(zhuǎn)形成球頭結(jié)構(gòu)。由于球頭桿的尺寸較小，如果砂輪沿砂輪架上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將減少砂輪與旋轉(zhuǎn)工件的有效接觸時(shí)間，因此為提高加工效率，需要在工件加工時(shí)調(diào)整固定好砂輪的高度位置，取消砂輪沿砂輪架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使砂輪旋轉(zhuǎn)時(shí)始終與工件表面有效接觸，砂輪在高速回轉(zhuǎn)時(shí)只沿成形輪廓線移動(dòng)。

5 工裝設(shè)計(jì)

采用小功率電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)速1400r/min）和小車(chē)床夾頭，將夾頭固定在工作臺(tái)上，使用彈簧夾頭（可裝夾直徑10mm以?xún)?nèi)的各種工件）裝夾工件。調(diào)整工作臺(tái)高度，使工件投影焦距在砂輪正常移動(dòng)范圍內(nèi)。通過(guò)帶輪傳動(dòng)，使夾頭轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min，旋轉(zhuǎn)方向與砂輪旋轉(zhuǎn)方向相反。經(jīng)調(diào)試，工件徑向圓跳動(dòng)≤0.005mm。自制工裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自制工裝結(jié)構(gòu)

6 工藝設(shè)計(jì)

考慮到工件數(shù)量、球頭桿及砂輪結(jié)構(gòu)，由于尖砂輪圓角較小，加工損耗大，所以為降低尖砂輪的損耗，提高加工效率，在去除大余量時(shí)采用平砂輪加工，分步加工過(guò)程如圖5所示。制定球頭桿加工工藝如下。

1）用平砂輪粗加工球頭桿，A、B段留加工余量0.02mm，C段留加工余量0.1mm，砂輪平移速度為3mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速為12000r/min。

2）用尖砂輪加工球頭桿輪廓，A、B段加工控制尺寸精度，C段留加工余量0.01mm，砂輪平移速度為1.5mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速為12000r/min。

3）用尖砂輪精修C段球頭，砂輪平移速度為0.5mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速為12000 r/min。

圖5 分步加工過(guò)程示意

7 加工效果檢測(cè)

球頭桿采用分步加工，由于平砂輪具有自動(dòng)修磨功能，因此加工圓柱表面質(zhì)量較好；尖砂輪主要負(fù)責(zé)精加工，加工余量小，砂輪損耗小。在進(jìn)行500根球頭桿加工的過(guò)程中，尖砂輪修整4次。加工的球頭桿零件實(shí)物如圖6所示，零件檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由檢測(cè)結(jié)果可知，此方法加工的球頭桿滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖6 球頭桿實(shí)物

表1 球頭桿檢測(cè)數(shù)據(jù)

8 結(jié)束語(yǔ)

微小球頭類(lèi)零件由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無(wú)法采用傳統(tǒng)軸端球頭類(lèi)零件的加工方法。采用光學(xué)曲線磨床配合自制專(zhuān)用工裝，設(shè)計(jì)分步加工工藝，球頭桿加工時(shí)徑向受力小，過(guò)渡段不易折斷。該磨削加工方法很好地解決了小尺寸球頭類(lèi)零件的加工難題，具有合格率高、操作簡(jiǎn)單、加工精度可控及產(chǎn)品一致性好的優(yōu)點(diǎn)。

專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

文章針對(duì)微小球頭類(lèi)零件無(wú)法采用傳統(tǒng)加工方法的難題，提出一種新的磨削加工方法：通過(guò)光學(xué)曲線磨床集點(diǎn)成線的加工原理，以包絡(luò)線的形式完成球頭的精密成形加工。

文章思路清晰，結(jié)構(gòu)合理，論點(diǎn)突出，論據(jù)有力，能夠根據(jù)零件的特征制作專(zhuān)用工裝，利用光學(xué)曲線磨床的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，成功解決了微小球頭的加工難題，加工方法具有很好的應(yīng)用前景。