超细长轴锭杆的磨削加工（论文） .pdf

2015年 第7期 冷加工 44 technique solutions 工艺方案 通常轴的长度l与直径d之比 7叫长轴，l/d25的轴为超细 长轴。超细长轴刚性较差，在车 削加工过程中就会因机床及刀具 等影响而易产生热变形出现如弯 曲腰鼓形、多棱形、糖糊芦形等 缺陷。对于硬度高或经过热处理 的超细长轴，因尺寸、形位公差 和表面粗糙度值要求必须进行磨 削，而磨削时产生的磨削力和磨 削热更容易引起工件变形，导致 弯曲度、棱圆度、尺寸以及表面 粗糙度值难以达到要求。因此如 何解决好上述问题，便成了超细 长轴磨削加工的关键。 1. 零件结构 图1所示是公司高速旋转体锭 子产品中的一个关键零件锭 杆，相当于轴承中的轴类零件。 该超细长轴材料采用gcr15，热 处理硬度6265hrc，整根超 细长轴形状属于对称体，两头 锥度方向相反，类似纺锤形。零 件最大直径为10.6mm，长度为 327.5mm，l/d 30，是一种比较 典型的超细长轴；尺寸公差最小 0.008mm，圆度公差0.003mm， 全长跳动0.01mm，表面粗糙度值 超细长轴锭杆的磨削加工 衡阳纺织机械有限公司 （湖南 421007） 焦贤炜 摘要：超细长轴锭杆的几何形状比较特殊，采用外圆磨削方式很难实施加工，而采用无心磨床导轮和砂轮靠模磨削成形是磨 削加工锭杆的最佳方式。通过调整工件与砂轮的中心高度及调整双靠模形状控制细长轴锭杆的棱圆度、尺寸及表面粗糙度值 等几何参数；而磨削过程的热变形通过砂轮、冷却液及磨削余量等来保证超细长轴锭杆的内应力释放以达到使用要求。 ra=0.16m，精度要求非常高， 采用通磨或外圆磨床加工难度比 较大，最好采用无心磨床通过砂 轮靠模和导轮靠模成形进行切入 磨削。 2. 超细长轴锭杆磨削加工 过程 锭杆在磨削过程中由砂轮进 给磨削光磨三个过程组成， 磨削时间在20s左右，光磨时间控 制在5s左右。实质上是工件磨削 的金属表层在无数磨粒瞬间的挤 压、摩擦作用下产生变形，而后 转为磨屑，并形成光洁表面的过 程。磨屑过程可分为三个阶段： 砂轮表面的磨粒与锭杆接触，锭 杆弹性变形的第一阶段；磨粒继 续切入锭杆，锭杆进入塑性变形 的第二阶段；锭杆材料晶粒发生 滑移，使塑性变形不断增大，当 力达到锭杆强度极限时，被磨削 层产生挤裂，即进入第三阶段并 最后被切离。整个磨削的全过程 主要表现为磨削力和磨削热的作 用，磨削时砂轮与工件间发生切 削作用和摩擦作用，在砂轮和工 件上分别作用着大小相等、方向 相反的力，这种相互作用的力就 是磨削力。磨削过程中便会因磨 削力而产生磨削热，磨削热是磨 削时产生的热量，较车削、铣削 产生的热量大得多，当热量转入 砂轮后便被磨削冷却液带走。由 于砂轮是热的不良导体，因此磨 削热量的80%转入工件和磨屑。 磨削区域的高温瞬间可烧伤工件 的表层，因此磨削时要特别注意 对工件的冷却。 3. 超细长轴锭杆磨削要素 磨削超细长轴锭杆零件主要 图1 超细长轴锭杆示意图 栏目主持：谢 景 2015年 第7期 冷加工 45 technique solutions 工艺方案 由进口设备瑞典无心磨床n46/u磨 削，该磨床磨削轮主轴采用双支 承滚动轴承承载负荷。由于锭杆 磨削会产生磨削热，使锭杆产生 热变形，为控制锭杆热变形量， 对超细长轴进行三道磨削即粗 磨、半精磨、精磨。粗磨控制磨 削量为0.2mm，半精磨控制磨削 量为0.1mm，精磨控制磨削量为 0.05mm来保证每磨削一次工件 的内应力释放一次，达到精磨削 后应力释放完全。而磨削要素主 要有砂轮、砂轮靠模、导轮及导 轮靠模、托片、送料架及冷却液 等。 （1）砂轮大小为p500mm 315mm605mm，材料a80p3v35， 主要由磨料和结合剂粘结而成特 殊的多刃磨具。在砂轮表面每cm2 上约有801 400颗磨料，每颗磨 粒相当于一个刀齿。磨粒是一种 高硬度的非金属晶体，砂轮具有 较高的线速度，约35m/s左右，砂 轮在磨削时除了对工件表面有切 削作用外，还有强烈的挤压和摩 擦作用，在磨削区域瞬时温度高 达1 000左右。砂轮在磨削时， 部分磨钝的磨粒能自动落或崩 碎，从而使砂轮保持良好的磨削 性能。因此必须严格控制锭杆的 磨削余量和磨削数量，保证磨削 后的锭杆达到工艺技术要求。 （2）砂轮靠模是调整锭杆尺 寸的关键。砂轮靠模由多块成形 的锥度靠模和直靠模组合而成。 将砂轮靠模拼接成与锭杆形状一 致，安装在靠模座上，然后通过 修整靠模来修整砂轮并试磨锭 杆，确保磨削后的锭杆尺寸与工 艺尺寸相差0.10.2mm左右再进 行精心细致的调整。由于是砂轮 对超细长轴锭杆表面进行磨削， 砂轮的成形好坏对锭杆的尺寸锥 度要求尤为重要。因此要严格控 制锭杆的磨削余量和磨削数量， 粗磨控制在0.150.20mm，精磨 控制在0.050.07mm，一次磨削 200根锭杆必须修整砂轮一次。 当磨削过程中锭杆尺寸发生变化 时，须对砂轮靠模进行微调并修 整砂轮，保证锭杆符合尺寸精度 要求。 （3）导轮主要是带动锭杆旋 转，其旋转速度要比砂轮速度慢 得多，大约200r/min。导轮的成 形是由一块整体式导轮靠模修整 而成，调整要比砂轮成形简单很 多。 （4）托片是支撑锭杆并保 持与锭杆成形一致的重要工装。 托片采用高速钢w18cr4v材料精 密磨削成形，托片上两个挂钩槽 作为料架送料夹料的空间。托片 成形不好会导致锭杆在磨削中弯 曲变形，因此必须在安装前用塞 尺检测托片与标准锭杆的成形保 证密贴。托片的高低有严格的要 求，如图2所示要求保证h1h2 0.3mm，以确保锭杆在磨削过 程中不出现窜动现象。 （5）送料架用来上料和下 料。送料架装有定位装置和上、 下料挂钩。当夹持好锭杆的料架 送入托片后，在托片的支承下挂 钩与锭杆分离，保证定位好的锭 杆在砂轮、导轮和托片的共同作 用下完成磨削加工。 （6）冷却液是保证超细长 轴锭杆在磨削中热变形释放的 重要因素。冷却液通过大功率 ab200容量为200l/min的水泵 供给，把冷却液直接浇注在砂轮 和工件接触的地方，带走大量的 磨削热来降低磨削区的温度。冷 却液还具有润滑作用，能减少工 件与砂轮、导轮、托片间的摩 擦，降低磨削力和磨削热。因此 冷却液是提高加工表面质量、保 证加工精度和生产效率、降低 动力消耗、增加砂轮耐用度必不 可少的措施。使用的冷却液主要 有金属水剂磨削液或乳化液，金 属水剂磨削液在冷却、润滑、清 洗、防锈、对机床床身的清洁和 对操作人员的皮肤刺激等方面优 于乳化液。 4. 超细长轴磨削加工的特点 该超细长轴锭杆零件由不 同的锥度组合而成，在磨削过程 中如何保证各部分的尺寸尤为重 要。采用送料架定位方式夹持锭 杆，当砂轮退刀时送入机床的托 片座上（见图3），当锭杆送到托 片锥面上时，料架上的挂钩落入 托片座的挂钩槽内与锭杆松开， 导轮带动锭杆旋转等待砂轮的进 给磨削。导轮的外形由整体式导 轮靠模修整而成，砂轮的外形由 与锭杆形状一致的多块砂轮靠模 拼接修整而成，在试磨第一根锭 图 2 2015年 第7期 冷加工 46 technique solutions 工艺方案 杆时，测量对比要求的尺寸和技 术要求，对砂轮靠模进行调整， 达到所需要求方可进行磨削，因 此导轮靠模和砂轮靠模的成形直 接影响锭杆的最终成形。 5. 超细长轴锭杆磨削加工 的调整 对于超细长轴锭杆来说，磨 削质量好坏主要表现在整根超细 长轴的弯曲度、圆度、表面粗糙 度值及尺寸要求。因此调整各加 工参数是保证超细长轴锭杆质量 的重要环节。主要通过以下几方 面进行调整。 （1）磨削工件中心高的选 择。工件的安装中心高（见图4） 对磨削后工件的几何形状精度有 很大影响，为了提高磨削工件的 成圆度（缩小三棱、五棱的误 差），磨削时一般应将工件的中 心高尽可能装置高一些。但工件 中心抬得过高，就会引起工件的 跳动，产生轴向振纹，因此，工 件的中心高度要按实际情况不致 使工件在磨削时产生跳动为宜。 工件中心高可根据下列公式 进行计算 h=（d导d工）（d砂d 工）/（d导d砂2d工）/360 式中，d导为导轮直径（mm）； d砂为磨削轮直径（mm）；d工为 工件磨削表面直径（mm）；为 工件与导轮和砂轮之间的夹角， 按实际经验取68。 （2）根据工件中心高调整导 轮修整器金刚刀位移量。金刚刀 位移量可用以下公式计算 h=rh/（rr） 式中，h为金刚尖位移量；h为工 件中心高；r为导轮半径；r为工 件半径。 （3）修整砂轮对表面粗糙度 值的影响。修整参数包括修整量 、修整速度。修整量：粗 修为0.0200.050mm，锭杆的 表面粗糙度值ra=0.320.63m； 细修取0.0020.005mm，锭 杆的表面粗糙度值ra=0.16 0.25m。修整往返速度： 粗修为100mm/min，细修为 50mm/min，高精度修为15 25mm/min。 6. 调整与操作不当使超细 长轴锭杆产生的缺陷 在磨削过程中，如果工件中 心太低，则工件会产生棱圆度超 差；如果工件中心太高，则工件 跳动会产生小棱形，工件出口火 花太强，工件易烧伤，圆度、表 面粗糙度值难以达到要求，而且 工件表面有螺旋纹及其他缺陷， 必须进行导轮校正或将导轮架水 平回转校正；砂轮传动皮带跳 动，工件易产生棱度，需将皮带 拉紧调试；砂轮磨损，会造成工 件跳动，圆度不良、表面粗糙， 严重时出现烧伤，磨钝时工件会 产生尖叫声；砂轮振动大，工件 表面有小棱，表面质量不佳，严 重时工件有跳动；导轮母线与工 件接触不良，会产生锥度或工件 母线不平直、工件两端有小棱或 其他缺陷，需进行导轮的校正修 整；托架与导轮连接处有偏差， 会产生锥度、腰鼓形或马鞍形表 面不一致。如果托片与工件不密 贴，还容易造成锭杆两头弯的现 象，俗称“麻花”状，就会造成 细长轴锭杆的母线不直，达不到 使用要求。这些问题需要在实践 过程中长期摸索才能找到解决问 题的有效办法。 7. 结语 由于超细长轴在磨削加工中 很容易产生热变形，同时对机床 设备和技术调整有严格的要求, 零件几何精度要求非常高，即使 采用无心磨床切入磨削带有锥度 的超细长轴，在机械加工中也是 非常难加工的。我公司在该锭子 类产品核心零件超细长轴锭杆的 实际生产加工中积累了宝贵的经 验。 参考文献： 1 王韬. 细长轴的车削加工j. 机 械工程师，1998（3）：63-64. 2 瑞典lidkoping公司.lidk- oping瑞典无心磨床机床使用 说明书e. 瑞典：lidkoping