音輪磨削變形控制研究

牟宗理 曲 洋 袁賀玲

（中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，哈爾濱 150066）

1 音輪概述

音輪類零件材質具有導磁性，其結構中含有沿圓周均勻分布的懸臂（或齒），裝配在發動機動力渦輪軸上。當發動機工作時，音輪會隨著渦輪軸一起高速旋轉，其懸臂（或齒）部分正對傳感器的測量端[1]。兩者的間隙發生周期性的交替變化，經過處理將其轉換為周期性、上下對稱的脈沖信號，由此可測出渦輪軸的轉速，并計算出扭矩。

2 音輪加工問題

圖1 零件加工

2.1 加工和裝夾存在變形

此件號首次加工，沒有任何加工經驗，而且夾具不合適，造成夾具裝夾后變形較大。磨削拆卸后，測量零件外徑，橢圓度為0.006 ～0.008 mm，無法達到工序圖要求的尺寸精度。

2.2 零件選配夾具時間長

零件原有的磨削夾具分為1 級、2 級、3 級、4 級這4 個尺寸等級，見圖2。夾具分級部位與零件內孔尺寸相匹配，選配時需要先測量零件內孔尺寸，再據此選用合適等級的夾具。

圖2 磨削夾具實物

3 零件磨削變形原因分析

3.1 零件結構剛性差

由于此零件磨削部分四爪屬于懸臂結構，四爪分離且無任何強度支撐特征，零件爪寬為2 mm、爪長為8.6 mm，長寬比達到4.3 ∶1，說明是零件自身的結構導致其剛度較低，加工時其外徑受砂輪擠壓。此外，由于四爪分離，砂輪與零件并非連續切屑，零件會受到周期性的沖擊力。再加上零件四爪部分容易發生彈性變形，且四爪變形大小不一致，使得加工過程不穩定，很難達到要求的加工精度。

3.2 軸向夾緊產生彎曲變形

零件裝配定位時，零件的小端面與內孔為定位面。旋扭螺母，使四爪在壓蓋的作用下夾緊零件，見圖3。由于懸臂結構的特點，音輪上的四爪受軸向夾緊力后產生彎曲變形，彎曲程度與軸向力成正比。磨削后松夾，零件恢復變形，這同樣會導致尺寸精度無法保證。

圖3 零件軸向變形

3.3 旋緊壓蓋產生扭轉變形

夾具采用粗牙螺紋，使螺母與螺栓配合間隙較大，壓蓋在壓緊時與零件徑向定位面不垂直，導致音輪四爪端面受力不均勻，不能同時接觸到壓蓋，先接觸的一爪受力較大，彎曲變形也較大[2]。同時，受音輪四爪懸臂結構的影響，受力較大的一爪產生扭轉變形，如圖4 所示。

圖4 零件扭轉變形

3.4 磨削參數不合適導致零件精度差

零件加工時，砂輪的切削方式、材質、轉速、吃刀量等因素均會影響零件最終的粗糙度以及尺寸精度。按照以往的參數經驗值磨削零件，發現零件表面發生變色，說明零件表面已經被燒傷。測量零件表面粗糙度，為0.8 μm；測量零件加工后的橢圓度，最大為0.008 mm，表明目前的加工參數無法滿足加工要求，需要進行優化和改進。

4 技術關鍵和技術改進途徑

4.1 技術關鍵

一方面，通過合理改進零件裝夾方法，克服零件結構引起的剛性差缺陷，減少零件裝夾產生的變形。另一方面，通過合理選擇磨削方法和背吃刀量，減小零件受到砂輪磨削擠壓產生的徑向彈性變形，以達到尺寸精度，滿足零件設計要求[3]。

4.2 技術改進途徑

根據零件結構特點，提升定位穩定性，初步采用錐度心軸的定位方法，消除零件軸向壓緊變形，減小徑向裝夾產生的變形，保證零件加工精度。選擇合理的磨削方式和切削用量，減小零件受到砂輪磨削擠壓產生的徑向彈性變形。

5 音輪磨削變形控制措施

為消除軸向壓緊產生的彎曲變形和扭轉變形，決定采用錐度心軸裝夾零件。

5.1 做好磨前準備

設備采用精度更高的MG1420E 型高級萬能外圓磨床，磨料選用硬度較高、韌性較低、散熱性良好、價格適中的白剛玉，粒度選擇粒度適中的F80。由于薄壁剛性差，選用硬度相對較低的K 級砂輪，規格為Φ300 mm×25 mm×Φ127 mm。量測具選用外徑千分尺和杠桿千分尺。自制錐度心軸（見圖5），材料選用經淬火的45 號鋼，心軸長度為150 mm，錐度磨削斜度為0.011 mm/100 mm。

圖5 錐度心軸實物

錐度心軸兩端的頂尖孔加工，采用帶保證錐的B 型中心孔，便于修研。自制心軸外徑跳動應達到0.002 μm，若不合格則要修研兩端中心孔直至跳動合格。為使錐度心軸不易磨損，提高其耐用度，磨削錐面的粗糙度應在0.4 μm 以上[4]。

5.2 零件定位、裝夾

零件從小端進入，四爪朝向心軸小端，心軸卡住零件的受力位置為定位孔的左端，距離四爪位置較零件從反向裝入時遠，四爪受夾緊力更小，產生的漲緊變形也更小。夾緊力應以剛能卡緊零件為宜，這樣可將變形控制到最小。零件正向、反向裝入示意圖分別如圖6、圖7 所示。

圖7 零件反向裝入

5.3 合理選擇磨削方式

切入式磨削方式為砂輪縱向無位移、徑向進給上刀。切入式磨削是徑向進給，砂粒被磨碎后不易脫落，因此磨削熱不易散出，零件容易產生熱變形和磨削燒傷。而縱向磨削方式是砂輪旋轉，零件反向旋轉（徑向進給），并和工作臺一起做直線往復運動（縱向移動走刀）。當每次縱向行程或往復行程終了時（零件位于砂輪兩端），徑向進給上刀1 次。

縱向磨削具有3 個特點。第一，切削主要由徑向進給時零件與砂輪接觸部分的砂粒完成，后續與砂輪接觸部分的新砂粒主要起到提高零件粗糙度的作用。第二，由于徑向進給量（背吃刀量）小、切削力小，砂輪工作臺的縱向往復移動提高了零件接觸砂輪不同位置的頻率，從而加速了被磨削部位砂粒的脫落，散熱好、磨削溫度低。第三，在精磨至最終時，無徑向進給的“光磨”往復行程可消除工件剛性不足引起的彈性變形，提高零件磨削表面粗糙度，因此可用于磨削精度較高的零件[5]。

綜上所述，磨音輪外圓時零件結構剛性差，為消除或減小零件受到砂輪磨削擠壓產生的徑向彈性變形，分散加工應力，減少磨削熱，應采用縱向磨削的方法，而不選用直接徑向進給上刀的切入磨削法，如圖8 所示。

圖8 零件磨削

5.4 合理選取磨削用量

5.4.1 工件轉速

根據加工材料、砂輪材料和砂輪樣本推薦值，粗磨時工件圓周線速度應為7 m·min-1，精磨時工件圓周線速度應為10 m·min-1。

工件轉速計算公式為

式中：N為工件轉速；V為線速度；D工件為工件直徑。計算可得，工件粗磨轉速N粗為61 r·min-1，工件精磨轉速N精為87 r·min-1。

5.4.2 背吃刀量

由于零件采用錐度心軸定位，受夾緊力較小，無法承受較大的磨削抗力，而且零件結構剛性較差，背吃刀量應比一般零件磨削量要小。磨音輪外圓時，粗加工時每次徑向進給背吃刀量應為0.010 mm，精加工時每次進給背吃刀量應為0.005 mm。

5.4.3 砂輪縱向走刀進給量

一般來說，粗加工砂輪縱向進給量f粗的計算公式為

式中：B砂輪為砂輪寬度。

精加工砂輪縱向進給量f精的計算公式為

計算可得，f粗的取值為100 ～200 mm·min-1，f精的取值為50 ～100 mm·min-1。

在實際加工時，由于零件受夾緊力較小，先粗加工，進給量選取100 mm·min-1進行縱向磨削，導致零件受到的進給力Ff過大。在磨削過程中，發現斷屑磨削，磨削聲音不連續，零件竄動，零件外徑與內孔不同心。零件用錐度心軸加工時，定位穩定無變化。為減少進給力，第2 次選取50 mm·min-1的進給量進行縱向磨削，零件徑向上刀試加工后，在機床上測量零件無竄動、變形小，尺寸一致性高，能夠保證加工精度。

5.5 充分冷卻

為減少磨削熱，避免磨削熱變形、燒傷和磨削裂紋的影響，應盡量使用充足的切削液來冷卻磨削部位和工件。

6 改進后零件的加工效果

第一，零件加工尺寸精度對比。改進前，零件使用原有夾具加工后，經測量零件的橢圓度為0.006 ～0.008 mm，無法滿足尺寸精度要求。改進后，采用錐度心軸裝夾零件，使用縱向磨削方法，并在最后精加工時光磨，零件的橢圓度可控制在0.002 ～0.003 mm，可以滿足尺寸精度要求。第二，零件表面粗糙度對比。改進前零件表面粗糙度為0.8 μm，改進后粗糙度為0.4 μm。第三，零件合格率對比。改進前零件的加工合格率為0，改進后加工合格率達到100%。合格零件如圖9 所示。

圖9 合格零件

7 結語

文章分析了引起加工變形的各個因素，并從裝夾方式、磨削用量、加工參數等多個方面改進了加工工藝，保證了零件的合格交付。