薄壁細長軸類零件的外圓磨削

周建民，晉國，范曉東，劉希，韓慶斌

淮海工業(yè)集團十四分廠 山西長治 046012

1 序言

在生產(chǎn)過程中，有時會遇到薄壁細長軸類零件的外圓磨削加工。對于這類零件的外圓高精度磨削，如何裝夾、定位顯得非常重要，尤其是當內(nèi)外圓要求有一定的同軸度時，其加工難度更大。

圖1為薄壁細長軸零件結(jié)構(gòu)，零件材質(zhì)為30CrMnSi，長度為1450mm，最大磨削外徑為65+0.02+0mm，最小外徑為60+0.02+0mm，直孔孔徑為54mm，最薄壁厚為3mm，外圓上分布有不同直徑及外錐形結(jié)構(gòu)，內(nèi)孔要求表面粗糙度值Ra=0.8μm。內(nèi)孔及各外圓的加工為關(guān)鍵工序。要保證各外圓0.02mm同軸度要求，必須經(jīng)過磨削加工，而對于這樣長的細長軸零件，如何裝夾夾持、定位，如何保證磨削質(zhì)量，都需要制定詳細的工藝方案加以解決。

圖1 薄壁細長軸零件結(jié)構(gòu)

2 定位基準的確定與加工

首先對零件進行粗加工、半精加工，然后將孔作為磨削外圓的定位基準[1]，其原因為：①孔的加工相對難度大，只有保證在外圓有足夠余量的前提下，才能完成對孔的精加工。②要求孔的表面粗糙度值Ra=0.8μm，加工質(zhì)量要求較高。③將孔作為基準，配心軸，符合薄壁零件的磨削加工方式。

定位基準確定好后，要對孔進行精加工。采用深孔鉆、鏜，最后留合適余量進行珩磨加工，保證孔徑的尺寸精度、直線度及表面粗糙度要求，從而確保零件的定位基準高精度。

3 創(chuàng)新性“低熔點合金油膜柔性心軸”法

內(nèi)孔作為定位基準，必須配以心軸。若使用兩端截短式心軸，零件中部是空虛的，則加工時會出現(xiàn)嚴重的振顫。使用內(nèi)孔全長式心軸是最理想的，但是因內(nèi)孔直徑只有54mm，長度卻達1450mm，若有一點點雜質(zhì)，則內(nèi)孔和心軸就會拉傷，造成內(nèi)孔和心軸阻滯在一起，心軸無法取出，而使整個薄壁軸面臨報廢的后果，所以采用何種方式配心軸至關(guān)重要。

經(jīng)過多次試驗，采用“低熔點合金油膜柔性心軸”法，破解了這一加工難題。具體操作方法如下。

1）用已加工完成的薄壁軸內(nèi)孔來配磨心軸。首先要將心軸兩端進行淬硬處理，使其硬度達58～62HRC，使心軸兩端頂孔有更好的硬度及耐磨性。然后采用外圓磨床精磨心軸外圓[2]，并與薄壁軸內(nèi)孔配作，磨至心軸外圓直徑比薄壁軸內(nèi)孔直徑小0.02～0.03mm，這時心軸在薄壁軸內(nèi)孔中將出入自如。由于薄壁軸內(nèi)孔和心軸或大或小會存在0.01～0.02mm不等的變形量，故造成薄壁軸內(nèi)孔和心軸的接觸狀態(tài)是：薄壁軸內(nèi)孔和心軸外圓在全長范圍內(nèi)，出現(xiàn)分布不均的點接觸，但更多位置將存在微小間隙，大大減少了兩者的接觸面積，為兩者之間的自由滑動創(chuàng)造了條件。

2）在薄壁軸內(nèi)孔和心軸外圓上均勻涂抹L-AN46全損耗系統(tǒng)用油，以填充兩者之間的微小間隙，確保兩者的緊密接觸。將內(nèi)孔與外圓充分潔凈，在心軸外圓和內(nèi)孔中加入L-AN46全損耗系統(tǒng)用油，均勻涂抹，然后將心軸旋入薄壁軸內(nèi)孔之中，這時在心軸和薄壁軸內(nèi)孔之間將形成一層薄薄的油膜。這層油膜填充了心軸與薄壁軸內(nèi)孔之間的微小間隙，形成緩沖介質(zhì)，可以減少車削、外圓磨削加工時的工件振動，同時又避免了因心軸與薄壁軸內(nèi)孔的直接摩擦而可能產(chǎn)生的劃傷及滯死現(xiàn)象。

3）為防止因旋轉(zhuǎn)加工中的離心力作用和刀具切削發(fā)熱而使油膜喪失，同時輔助增強油膜所受壓力，在零件兩端進行低熔點合金澆注，確保心軸與薄壁軸內(nèi)孔配合的全長部分實現(xiàn)封閉，從而保證兩者接觸的緊密性，最終保證薄壁軸在加工過程中具有足夠剛性。圖2為薄壁軸內(nèi)孔與心軸涂抹油膜封堵。

圖2 薄壁軸內(nèi)孔與心軸涂抹油膜封堵

灌注低熔點合金長度不必太長，20～25mm長即可，間隙為3mm左右即可，這樣既能起封堵作用，又能節(jié)約低熔點合金，同時方便快捷熔化。

4）薄壁軸加工完成后，將澆注有低熔點合金的兩端放入開水鍋中泡煮，低熔點合金流出后，取出心軸即可。澆注低熔點合金的好處是：固態(tài)時附著力好、強度高，熔點為75～85℃，利用100℃開水即可熔化和灌注，操作方便、快捷。但心軸取出時切記：從薄壁軸的哪一端進入，則一定還要從哪一端抽出，以確保心軸能夠順利取出。

由于心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮很多因素，所以車制心軸時，其長度應(yīng)大于零件實際長度200mm，且分布于兩端各100mm，便于夾持、找正。零件在一端應(yīng)加長25mm，目的是車削時有充分的加工余量[3]。加長部位還可用于配作聯(lián)接銷，這樣配作好銷孔、灌注好低熔點合金后，形成了一體，進行精車、精磨，待各段尺寸均磨削完成、檢測合格后，加熱泡煮低熔點合金使之流出，然后取出心軸。注意心軸從零件無銷軸一端進入，還從這一端抽出，這樣才能夠確保心軸順利取出。最后，線切割去掉零件的加長部分，掌握總長即可，從而完成了整個零件外圓的磨削加工。薄壁軸內(nèi)孔與心軸配合裝配如圖3所示。

圖3 薄壁軸內(nèi)孔與心軸配合裝配

在磨削精加工中，一定要注意吃刀量，經(jīng)多次試驗，磨削參數(shù)及質(zhì)量分析見表1。

表1 磨削參數(shù)及質(zhì)量分析

由于心軸和零件孔壁之間畢竟有微小間隙存在，再加上是細長軸薄壁零件，所以當吃刀量過小時，容易引起“共振”現(xiàn)象，產(chǎn)生磨削振動波紋。只有當吃刀量較大時，才能夠使心軸與零件孔壁貼緊，這樣就不會產(chǎn)生振動波紋。通常磨外圓配心軸時，由于心軸是帶斜度、楔緊的，有自鎖功能，所以無論吃刀量是0.01mm，還是0.005mm，均不會產(chǎn)生振動波紋。而加工薄壁細長軸是無法采用這種常規(guī)方法的。通過磨削機理分析，采用合理的磨削參數(shù)，粗磨時，選擇吃刀量為0.12～0.16mm；精磨時，選擇吃刀量為0.07～0.08mm。這樣既避免了振動波紋及瑕疵的產(chǎn)生，又提高了磨削表面質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文通過對薄壁細長軸零件外圓磨削加工進行工藝分析，從基本原理和實踐經(jīng)驗出發(fā)，探索將多種加工技術(shù)優(yōu)化組合，應(yīng)用到薄壁細長軸類零件加工體系中，特別是針對該種產(chǎn)品外圓的磨削加工，總結(jié)出“低熔點合金油膜柔性心軸”法，詳細介紹了該方法的實施要點和主要步驟，為加工類似薄壁細長軸類零件提供了經(jīng)驗借鑒。