主軸外圓超光滑研磨工藝

李彬 宋曉宇 吳媛媛 張曉朋 任東旭 趙則祥

摘要 為改善精密磨削后主軸外圓柱面的表面粗糙度和圓度，提出新型立式精密研磨方法并研制立式研磨裝置。文章選取立式研磨方式下氣缸壓力、油石粒度、主軸轉(zhuǎn)速3 個關(guān)鍵工藝參數(shù)對軸類零件加工精度的影響進(jìn)行分析。基于 L9（ 34 ） 正交試驗設(shè)計，采用S/N 響應(yīng)法和 ANOVA 方差法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，并用其對5 根尺寸為?50 mm × 160 mm 的40Cr 材質(zhì)主軸外圓柱面進(jìn)行研磨。結(jié)果表明：使用立式研磨法對工件外圓柱面加工3 h 后，工件的平均材料去除率為7 μm/h，平均圓度誤差由4.12 μm 降為1.47 μm，表面粗糙度由326 nm 降為41 nm。

關(guān)鍵詞 主軸零件；立式研磨；外圓研磨；表面粗糙度

中圖分類號 TG58; TH161+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號 1006-852X（2023）04-0447-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0224

收稿日期 2022-12-19 修回日期 2023-02-05

精密主軸制造技術(shù)是裝備制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，一直以來被世界各國作為研究及應(yīng)用的熱點[1]。主軸零件的加工精度提升對提高超精密氣體靜壓軸系回轉(zhuǎn)精度及推動機(jī)床行業(yè)發(fā)展具有重要意義。精密主軸零件的表面粗糙度和圓度是影響主軸軸系回轉(zhuǎn)精度和性能的重要參數(shù)[2-4]。因此，主軸零件在精密磨削后，需要進(jìn)一步改善其圓度和表面粗糙度參數(shù)，以滿足精密機(jī)床和超精密氣體靜壓軸系的精度要求[5]。

針對主軸零件在精密磨削后的圓度修正和表面粗糙度改善問題，SUN 等[6] 采用砂帶研磨方法，根據(jù)圓度測量結(jié)果進(jìn)行修形， 改善了主軸精磨后的圓度值；LAYAK 等[7] 提出了采用弧面油石作為研磨工具，并通過油石往復(fù)振動來實現(xiàn)主軸外圓柱面的精密研磨；雷陽等[8] 研究了基于金剛石固結(jié)磨具的圓柱滾子研磨方法，且實現(xiàn)了圓柱滾子的批量高精度平面研磨。然而由于加工機(jī)構(gòu)操作控制復(fù)雜，加工效率低，加工成本高，傳統(tǒng)加工方法的生產(chǎn)能力受到限制，也使主軸零件在各個領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大限制[9-10]。

為進(jìn)一步改善主軸零件磨削后的外圓柱面圓度和表面粗糙度，提出了一種針對主軸外圓柱面的精密立式研磨方法。該方法是在立式車削機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用氣體靜壓主軸保證研磨過程中的工件回轉(zhuǎn)精度，降低主軸零件外圓柱面的圓度誤差；同時，由研磨機(jī)構(gòu)在機(jī)床Z 軸的往復(fù)運動來確保主軸外圓具有較低的表面粗糙度。并且進(jìn)行正交研磨試驗，分析氣缸壓力、油石粒度、主軸轉(zhuǎn)速對軸類零件的材料去除率、表面粗糙度、圓度的影響，最后得到軸類零件立式研磨的最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

1 立式研磨原理及設(shè)備

相比于平面研磨工藝，圓柱面研磨需要更多的運動軸，同時還需要精確控制研磨頭的接觸壓力。外圓柱面立式研磨原理如圖1 所示：軸類工件立式安裝，通過上下頂尖夾持固定，由下部的氣體靜壓主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)而形成主切削運動；油石通過氣缸施加的一定壓力在工件表面做往復(fù)運動，從而實現(xiàn)對外圓柱面的整體研磨過程。同時，工件旋轉(zhuǎn)和油石往復(fù)進(jìn)給的2種運動，使磨粒在工件表面形成螺旋狀運動軌跡。隨著加工過程的進(jìn)行，磨粒自身會由尖銳變得磨鈍，其切削能力將變?nèi)酰邢髁岣撸磺邢髁μ岣咧脸^油石中結(jié)合劑對磨粒的把持力時，舊磨粒將會脫落，新的磨粒露出從而繼續(xù)研磨，使方形油石的表面逐漸從平面變?yōu)榛∶妗Ｓ褪纬傻幕∶鏁蛊渑c工件更好地貼合，從而更加有效地對工件表面進(jìn)行研磨，并在冷卻液的作用下實現(xiàn)材料的微去除，最終使柱面的研磨質(zhì)量符合要求。