高精度球形滾道的加工

任碧芳，王鋒強(qiáng)，蓋永亮

航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司 陜西西安 710077

1 序言

高精度球形滾道特征類零件作為軸端承力件，在航空產(chǎn)品中使用頻繁。一般情況下，球形滾道類零件需要經(jīng)過氮化（或碳化）前滾道精加工、氮化（或碳化）后基準(zhǔn)精加工，以及最終研磨拋光（精整和光整加工）才能達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求。作為滾道曲面表面加工最后一道程序的研磨拋光至關(guān)重要。

高精度球形滾道特征類零件和球形滾珠配合使用，可以代替航空產(chǎn)品中部分平面軸承，達(dá)到精簡產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品性能的效果，滿足航空產(chǎn)品更新?lián)Q代的需求。組件裝配模型如圖1所示，其中球形滾道特征類零件的設(shè)計(jì)、加工起到關(guān)鍵性作用，而滾道曲面相關(guān)尺寸要求嚴(yán)于軸承圈滾道和絲杠滾道。球形滾道的加工方法作為關(guān)鍵性技術(shù)，在國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中很少被提及，類似于軸承圈滾道[1]、滾珠絲杠滾道的相關(guān)研磨加工工藝[2]，往往無法滿足高精度球形滾道類零件的加工需求。

形狀各異、大小不一的滾道曲面，因高硬度、高精度和表面光滑等特點(diǎn)，而成為目前機(jī)械加工的難題。如何實(shí)現(xiàn)高精度光滑球形滾道特征類零件的加工，同時(shí)保證零件設(shè)計(jì)相關(guān)尺寸的幾何公差要求，是本文研究的重點(diǎn)。

2 球形滾道特征

球形滾道類盤、蓋零件，其主要功能的實(shí)現(xiàn)依賴于零件上的高精度球形滾道特征（見圖2），其中

圖2 球形滾道特征

滾珠配合面半徑為2.5+0.05+0.02mm，表面粗糙度值Ra=0.4μm；滾道裝配定位精度0.03mm（即同軸度φ0.03mm）。根據(jù)球形滾道類零件的實(shí)際使用工況，其硬度要求較高，往往選用高強(qiáng)度合金鋼材料加工，基體硬度≥48HRC；同時(shí)還要對滾道表面進(jìn)行碳化或氮化處理，表面硬度≥58HRC，以保證基體韌性，并提高配合面強(qiáng)度及耐磨性。

零件上球形滾道特征的加工難點(diǎn)主要有：①加工材料自身硬度高，且球形滾道表面硬度更高。②曲面尺寸公差、幾何公差要求嚴(yán)格。③球形滾道表面光滑。

在高硬度材料的機(jī)械加工過程中，如何滿足零件的尺寸、幾何公差和表面粗糙度要求，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、性能的關(guān)鍵。

3 球形滾道加工工藝

以具有滾道曲面特征的某扭矩壓板零件為例，其材料為00Ni18Co8Mo5TiAl高強(qiáng)度合金鋼，要求基體硬度≥48HRC，滾道表面滲氮硬度≥58HRC，滾道特征尺寸如圖2所示。為了滿足滾道要求，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定采用毛坯粗加工、半精加工和精加工工藝，并將熱處理、表面熱處理穿插其中。同時(shí)，利用宏程序進(jìn)行半精加工車削，從而方便調(diào)節(jié)尺寸。以反向定位裝夾方式精加工基準(zhǔn)，從而保證零件形位精度要求。具體的加工流程為：粗加工→熱處理→半精加工→表面氮化→精加工→研磨拋光。

3.1 滾道半精加工

粗加工熱處理后，零件基體硬度≥48HRC，為保證滾道特征最終要求，使得拋研滾道后尺寸合格，在滾道曲面氮化處理前，使用端面圓弧刀具、利用宏程序半精加工滾道曲面，保證基體滾道半徑尺寸mm、表面粗糙度值Ra=0.4μm及同軸度φ0.03mm。即在滾道表面滲氮前，保證所有尺寸要求。

（1）刀具的選用 為保證半徑尺寸及表面粗糙度，車削選用R2mm圓弧端面槽刀。端面槽刀及圓弧刀片如圖3所示。

圖3 端面槽刀及圓弧刀片

（2）切削路徑 粗車削槽型后，分層精車削滾道，切削路徑如圖4所示。

圖4 切削路徑

（3）切削參數(shù) 根據(jù)切削路徑及尺寸要求，共分4層車削加工。編制宏程序[3]，以刀具控制分層深度，切削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速n=800r/min、進(jìn)給量f=0.05mm/r。

滾道車削程序如下。

N1

M98P1

M3S800T1212

G0X36.Z25.M08

G1Z.5F.5

G74R.3

G74Z-1.25Q3000F0.3

G0Z50

M98P1

M01

N2

M98P1

M3S800T1213

G0G41X41.07Z25.M08

G1Z1.235F.5

G03X36.Z-1.3R2.535F.05

G03X30.93Z1.235R2.535F.05

G1Z2.F.5

G0Z50

M98P1

M01

N3

M98P1

M3S800T1214

G0G41X41.07Z25.M08

G1Z1.235F.5

G03X36.Z-1.3R2.535F.05

G03X30.93Z1.235R2.535F.05

G1Z2.F.5

G0Z50

M98P1

M01

N4

M98P1

M3S800T1215

G0G41X41.07Z25.M08

G1Z1.235F.5

G03X36.Z-1.3R2.535F.05

G03X30.93Z1.235R2.535F.05

G1Z2.F.5

G0Z50

M98P1

M01

N5

M98P1

M3S800T1216

G0G41X41.07Z25.M08

G1Z1.235F.5

G03X36.Z-1.3R2.535F.05

G03X30.93Z1.235R2.535F.05

G1Z2.F.5

G0Z50

M98P1

M01

在車削槽時(shí)，為保證同軸度φ0.03mm，在加工前找正基準(zhǔn)A徑向圓跳動(dòng)≤0.01mm；為保證零件最終滾道表面粗糙度要求，在氮化前必須保證基體表面粗糙度值Ra=0.4μm。經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證，槽表面粗糙度值Ra為0.3～0.4μm，符合半精加工要求。

3.2 滾道精加工

零件表面氮化后，滾道表面硬度≥58HRC。為了消除變形、保證零件同軸度，需要以滾道曲面定位，精加工尺寸基準(zhǔn)。以滾道曲面反向定位裝夾，不破壞、損傷滾道表面氮化層，精加工零件A基準(zhǔn)，磨削保證同軸度φ0.03mm要求。外圓磨削工裝如圖5所示。經(jīng)加工驗(yàn)證，同軸度約φ0.02mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 外圓磨削工裝

3.3 滾道曲面研磨拋光加工

滲氮處理后，經(jīng)過反向磨削精加工，零件各尺寸、幾何公差已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而曲面滲氮時(shí)會使材料分子間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致滾道“發(fā)毛”，表面粗糙。研磨、拋光是改善表面質(zhì)量的有效手段，在不影響尺寸公差的情況下，只有通過液態(tài)浮動(dòng)研磨、拋光，才能改善滾道表面質(zhì)量[4]。研磨、拋光加工決定了零件配合表面質(zhì)量，至關(guān)重要。

首先，需要去除滾道表面高點(diǎn)和氧化色，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，選用涂附類磨具靜電砂紙A150#（2/0#）對零件表面進(jìn)行粗拋光打磨。為方便操作，在小型車床BV20-1上由鉗工進(jìn)行，車床轉(zhuǎn)速為1080r/min。其加工優(yōu)點(diǎn)在于砂紙面軟，可以緊貼滾道表面，均勻拋光。涂附磨具砂紙及車床拋光如圖6所示。

圖6 涂附磨具砂紙及車床拋光

其次，為保證滾道表面粗糙度值Ra=0.4μm，對滾道曲面進(jìn)行研磨加工。磨料磨具對比見表1。經(jīng)過對比分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，最終選用JR-W5金剛石研磨膏[5]，借助工具羊毛輪（F×8×22×3-中硬）研磨滾道曲面（見圖7），保證滾道表面質(zhì)量要求[6]。其優(yōu)點(diǎn)在于液態(tài)研磨膏的使用不會改變曲面形狀及幾何尺寸參數(shù)，在不影響曲面尺寸的情況下完成表面加工[7]。同時(shí)羊毛輪具有彈性和吸附性，不同于硬質(zhì)研磨工具，可保證磨料完全貼合被加工曲面，均勻研磨。

圖7 用研磨膏和羊毛輪研磨滾道曲面

這種液態(tài)浮動(dòng)研磨的方法借鑒了浮動(dòng)磨料研拋工藝[8]、浮動(dòng)研磨及磨料流加工等方式，改變了傳統(tǒng)的硬質(zhì)工具研磨貼合不均勻、造成尺寸誤差等弊端，使用半流動(dòng)性加工法，在不改變曲面幾何尺寸的前提下，改善了滾道曲面的表面質(zhì)量。經(jīng)檢測，研磨拋光后零件滾道表面粗糙度值Ra為0.2～0.3μm，滿足Ra=0.4μm的設(shè)計(jì)要求[9]。滾道曲面研磨拋光前后對比如圖8所示。

圖8 滾道曲面研磨拋光前后對比

4 結(jié)束語

本文通過對球形滾道特征的分析界定，設(shè)計(jì)了對應(yīng)的加工流程，最終通過實(shí)物加工，驗(yàn)證了該工藝流程方法的可行性，解決了球形滾道曲面的加工難題。在涂附磨具對光滾道表面進(jìn)行粗拋光后，使用液態(tài)浮動(dòng)研磨法對其精研磨的柔性加工方法，在不改變滾道曲面的情況下，有效地改善了表面質(zhì)量。對于球形滾道特征類零件，根據(jù)不同尺寸要求，在局部調(diào)整工藝后，能高質(zhì)高效地完成相似零件的加工。液態(tài)浮動(dòng)研磨法可以有效改善滾道表面加工質(zhì)量，對于軸承、絲杠等通用零件的加工工藝改進(jìn)、設(shè)備改造，具有一定的推廣和借鑒意義。