■衡陽(yáng)紡織機(jī)械有限公司 （湖南 421007） 焦賢煒

超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿的磨削加工

■衡陽(yáng)紡織機(jī)械有限公司 （湖南 421007） 焦賢煒

通常軸的長(zhǎng)度L與直徑d之比＞7叫長(zhǎng)軸，L/d≥25的軸為超細(xì)長(zhǎng)軸。超細(xì)長(zhǎng)軸剛性較差，在車削加工過程中就會(huì)因機(jī)床及刀具等影響而易產(chǎn)生熱變形出現(xiàn)如彎曲腰鼓形、多棱形、糖糊蘆形等缺陷。對(duì)于硬度高或經(jīng)過熱處理的超細(xì)長(zhǎng)軸，因尺寸、形位公差和表面粗糙度值要求必須進(jìn)行磨削，而磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削力和磨削熱更容易引起工件變形，導(dǎo)致彎曲度、棱圓度、尺寸以及表面粗糙度值難以達(dá)到要求。因此如何解決好上述問題，便成了超細(xì)長(zhǎng)軸磨削加工的關(guān)鍵。

1. 零件結(jié)構(gòu)

圖1所示是公司高速旋轉(zhuǎn)體錠子產(chǎn)品中的一個(gè)關(guān)鍵零件——錠桿，相當(dāng)于軸承中的軸類零件。該超細(xì)長(zhǎng)軸材料采用GCr15，熱處理硬度62～65HRC，整根超細(xì)長(zhǎng)軸形狀屬于對(duì)稱體，兩頭錐度方向相反，類似紡錘形。零件最大直徑為φ10.6mm，長(zhǎng)度為327.5mm，L/d ≈ 30，是一種比較典型的超細(xì)長(zhǎng)軸；尺寸公差最小0.008mm，圓度公差0.003mm，全長(zhǎng)跳動(dòng)0.01mm，表面粗糙度值

超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿的幾何形狀比較特殊，采用外圓磨削方式很難實(shí)施加工，而采用無心磨床導(dǎo)輪和砂輪靠模磨削成形是磨削加工錠桿的最佳方式。通過調(diào)整工件與砂輪的中心高度及調(diào)整雙靠模形狀控制細(xì)長(zhǎng)軸錠桿的棱圓度、尺寸及表面粗糙度值等幾何參數(shù)；而磨削過程的熱變形通過砂輪、冷卻液及磨削余量等來保證超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿的內(nèi)應(yīng)力釋放以達(dá)到使用要求。Ra=0.16μm，精度要求非常高，采用通磨或外圓磨床加工難度比較大，最好采用無心磨床通過砂輪靠模和導(dǎo)輪靠模成形進(jìn)行切入磨削。

2. 超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿磨削加工過程

錠桿在磨削過程中由砂輪進(jìn)給→磨削→光磨三個(gè)過程組成，磨削時(shí)間在20s左右，光磨時(shí)間控制在5s左右。實(shí)質(zhì)上是工件磨削的金屬表層在無數(shù)磨粒瞬間的擠壓、摩擦作用下產(chǎn)生變形，而后轉(zhuǎn)為磨屑，并形成光潔表面的過程。磨屑過程可分為三個(gè)階段：砂輪表面的磨粒與錠桿接觸，錠桿彈性變形的第一階段；磨粒繼續(xù)切入錠桿，錠桿進(jìn)入塑性變形的第二階段；錠桿材料晶粒發(fā)生滑移，使塑性變形不斷增大，當(dāng)力達(dá)到錠桿強(qiáng)度極限時(shí)，被磨削層產(chǎn)生擠裂，即進(jìn)入第三階段并最后被切離。整個(gè)磨削的全過程主要表現(xiàn)為磨削力和磨削熱的作用，磨削時(shí)砂輪與工件間發(fā)生切削作用和摩擦作用，在砂輪和工件上分別作用著大小相等、方向相反的力，這種相互作用的力就是磨削力。磨削過程中便會(huì)因磨削力而產(chǎn)生磨削熱，磨削熱是磨削時(shí)產(chǎn)生的熱量，較車削、銑削產(chǎn)生的熱量大得多，當(dāng)熱量轉(zhuǎn)入砂輪后便被磨削冷卻液帶走。由于砂輪是熱的不良導(dǎo)體，因此磨削熱量的80%轉(zhuǎn)入工件和磨屑。磨削區(qū)域的高溫瞬間可燒傷工件的表層，因此磨削時(shí)要特別注意對(duì)工件的冷卻。

3. 超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿磨削要素

圖1 超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿示意圖

磨削超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿零件主要由進(jìn)口設(shè)備瑞典無心磨床N46/u磨削，該磨床磨削輪主軸采用雙支承滾動(dòng)軸承承載負(fù)荷。由于錠桿磨削會(huì)產(chǎn)生磨削熱，使錠桿產(chǎn)生熱變形，為控制錠桿熱變形量，對(duì)超細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行三道磨削即粗磨、半精磨、精磨。粗磨控制磨削量為0.2mm，半精磨控制磨削量為0.1mm，精磨控制磨削量為0.05mm來保證每磨削一次工件的內(nèi)應(yīng)力釋放一次，達(dá)到精磨削后應(yīng)力釋放完全。而磨削要素主要有砂輪、砂輪靠模、導(dǎo)輪及導(dǎo)輪靠模、托片、送料架及冷卻液等。

（1）砂輪大小為P500mm× 315mm×605mm，材料A80P3V35，主要由磨料和結(jié)合劑粘結(jié)而成特殊的多刃磨具。在砂輪表面每cm2上約有80～1 400顆磨料，每顆磨粒相當(dāng)于一個(gè)刀齒。磨粒是一種高硬度的非金屬晶體，砂輪具有較高的線速度，約35m/s左右，砂輪在磨削時(shí)除了對(duì)工件表面有切削作用外，還有強(qiáng)烈的擠壓和摩擦作用，在磨削區(qū)域瞬時(shí)溫度高達(dá)1 000℃左右。砂輪在磨削時(shí)，部分磨鈍的磨粒能自動(dòng)落或崩碎，從而使砂輪保持良好的磨削性能。因此必須嚴(yán)格控制錠桿的磨削余量和磨削數(shù)量，保證磨削后的錠桿達(dá)到工藝技術(shù)要求。

（2）砂輪靠模是調(diào)整錠桿尺寸的關(guān)鍵。砂輪靠模由多塊成形的錐度靠模和直靠模組合而成。將砂輪靠模拼接成與錠桿形狀一致，安裝在靠模座上，然后通過修整靠模來修整砂輪并試磨錠桿，確保磨削后的錠桿尺寸與工藝尺寸相差0.1～0.2mm左右再進(jìn)行精心細(xì)致的調(diào)整。由于是砂輪對(duì)超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿表面進(jìn)行磨削，砂輪的成形好壞對(duì)錠桿的尺寸錐度要求尤為重要。因此要嚴(yán)格控制錠桿的磨削余量和磨削數(shù)量，粗磨控制在0.15～0.20mm，精磨控制在0.05～0.07mm，一次磨削200根錠桿必須修整砂輪一次。當(dāng)磨削過程中錠桿尺寸發(fā)生變化時(shí)，須對(duì)砂輪靠模進(jìn)行微調(diào)并修整砂輪，保證錠桿符合尺寸精度要求。

（3）導(dǎo)輪主要是帶動(dòng)錠桿旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度要比砂輪速度慢得多，大約200r/min。導(dǎo)輪的成形是由一塊整體式導(dǎo)輪靠模修整而成，調(diào)整要比砂輪成形簡(jiǎn)單很多。

（4）托片是支撐錠桿并保持與錠桿成形一致的重要工裝。托片采用高速鋼W18Cr4V材料精密磨削成形，托片上兩個(gè)掛鉤槽作為料架送料夾料的空間。托片成形不好會(huì)導(dǎo)致錠桿在磨削中彎曲變形，因此必須在安裝前用塞尺檢測(cè)托片與標(biāo)準(zhǔn)錠桿的成形保證密貼。托片的高低有嚴(yán)格的要求，如圖2所示要求保證︱H1－H2︱≤0.3mm，以確保錠桿在磨削過程中不出現(xiàn)竄動(dòng)現(xiàn)象。

（5）送料架用來上料和下料。送料架裝有定位裝置和上、下料掛鉤。當(dāng)夾持好錠桿的料架送入托片后，在托片的支承下掛鉤與錠桿分離，保證定位好的錠桿在砂輪、導(dǎo)輪和托片的共同作用下完成磨削加工。

（6）冷卻液是保證超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿在磨削中熱變形釋放的重要因素。冷卻液通過大功率AB－200容量為200L/min的水泵供給，把冷卻液直接澆注在砂輪和工件接觸的地方，帶走大量的磨削熱來降低磨削區(qū)的溫度。冷卻液還具有潤(rùn)滑作用，能減少工件與砂輪、導(dǎo)輪、托片間的摩擦，降低磨削力和磨削熱。因此冷卻液是提高加工表面質(zhì)量、保證加工精度和生產(chǎn)效率、降低動(dòng)力消耗、增加砂輪耐用度必不可少的措施。使用的冷卻液主要有金屬水劑磨削液或乳化液，金屬水劑磨削液在冷卻、潤(rùn)滑、清洗、防銹、對(duì)機(jī)床床身的清潔和對(duì)操作人員的皮膚刺激等方面優(yōu)于乳化液。

4. 超細(xì)長(zhǎng)軸磨削加工的特點(diǎn)

該超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿零件由不同的錐度組合而成，在磨削過程中如何保證各部分的尺寸尤為重要。采用送料架定位方式夾持錠桿，當(dāng)砂輪退刀時(shí)送入機(jī)床的托片座上（見圖3），當(dāng)錠桿送到托片錐面上時(shí)，料架上的掛鉤落入托片座的掛鉤槽內(nèi)與錠桿松開，導(dǎo)輪帶動(dòng)錠桿旋轉(zhuǎn)等待砂輪的進(jìn)給磨削。導(dǎo)輪的外形由整體式導(dǎo)輪靠模修整而成，砂輪的外形由與錠桿形狀一致的多塊砂輪靠模拼接修整而成，在試磨第一根錠桿時(shí)，測(cè)量對(duì)比要求的尺寸和技術(shù)要求，對(duì)砂輪靠模進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到所需要求方可進(jìn)行磨削，因此導(dǎo)輪靠模和砂輪靠模的成形直接影響錠桿的最終成形。

圖 2

5. 超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿磨削加工的調(diào)整

對(duì)于超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿來說，磨削質(zhì)量好壞主要表現(xiàn)在整根超細(xì)長(zhǎng)軸的彎曲度、圓度、表面粗糙度值及尺寸要求。因此調(diào)整各加工參數(shù)是保證超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。主要通過以下幾方面進(jìn)行調(diào)整。

（1）磨削工件中心高的選擇。工件的安裝中心高（見圖4）對(duì)磨削后工件的幾何形狀精度有很大影響，為了提高磨削工件的成圓度（縮小三棱、五棱的誤差），磨削時(shí)一般應(yīng)將工件的中心高盡可能裝置高一些。但工件中心抬得過高，就會(huì)引起工件的跳動(dòng)，產(chǎn)生軸向振紋，因此，工件的中心高度要按實(shí)際情況不致使工件在磨削時(shí)產(chǎn)生跳動(dòng)為宜。

工件中心高可根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算

式中，D導(dǎo)為導(dǎo)輪直徑（mm）；D砂為磨削輪直徑（mm）；D工為工件磨削表面直徑（mm）；γ為工件與導(dǎo)輪和砂輪之間的夾角，按實(shí)際經(jīng)驗(yàn)γ取6°～8°。

（2）根據(jù)工件中心高調(diào)整導(dǎo)輪修整器金剛刀位移量。金剛刀位移量可用以下公式計(jì)算

h=RH/（R＋r）

式中，h為金剛尖位移量；H為工件中心高；R為導(dǎo)輪半徑；r為工件半徑。

（3）修整砂輪對(duì)表面粗糙度值的影響。修整參數(shù)包括修整量μ、修整速度ν。①修整量μ：粗修μ為0.020～0.050mm，錠桿的表面粗糙度值Ra=0.32～0.63μm；細(xì)修μ取0.002～0.005mm，錠桿的表面粗糙度值Ra=0.16～0.25μm。②修整往返速度ν：粗修ν為100mm/min，細(xì)修ν為50mm/min，高精度修ν為15～25mm/min。

6. 調(diào)整與操作不當(dāng)使超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿產(chǎn)生的缺陷

在磨削過程中，如果工件中心太低，則工件會(huì)產(chǎn)生棱圓度超差；如果工件中心太高，則工件跳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生小棱形，工件出口火花太強(qiáng)，工件易燒傷，圓度、表面粗糙度值難以達(dá)到要求，而且工件表面有螺旋紋及其他缺陷，必須進(jìn)行導(dǎo)輪校正或?qū)?dǎo)輪架水平回轉(zhuǎn)校正；砂輪傳動(dòng)皮帶跳動(dòng)，工件易產(chǎn)生棱度，需將皮帶拉緊調(diào)試；砂輪磨損，會(huì)造成工件跳動(dòng)，圓度不良、表面粗糙，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)燒傷，磨鈍時(shí)工件會(huì)產(chǎn)生尖叫聲；砂輪振動(dòng)大，工件表面有小棱，表面質(zhì)量不佳，嚴(yán)重時(shí)工件有跳動(dòng)；導(dǎo)輪母線與工件接觸不良，會(huì)產(chǎn)生錐度或工件母線不平直、工件兩端有小棱或其他缺陷，需進(jìn)行導(dǎo)輪的校正修整；托架與導(dǎo)輪連接處有偏差，會(huì)產(chǎn)生錐度、腰鼓形或馬鞍形表面不一致。如果托片與工件不密貼，還容易造成錠桿兩頭彎的現(xiàn)象，俗稱“麻花”狀，就會(huì)造成細(xì)長(zhǎng)軸錠桿的母線不直，達(dá)不到使用要求。這些問題需要在實(shí)踐過程中長(zhǎng)期摸索才能找到解決問題的有效辦法。

圖 41.工件 2.金剛鉆 3.導(dǎo)輪 4.托片 5.砂輪

7. 結(jié)語

由于超細(xì)長(zhǎng)軸在磨削加工中很容易產(chǎn)生熱變形，同時(shí)對(duì)機(jī)床設(shè)備和技術(shù)調(diào)整有嚴(yán)格的要求,零件幾何精度要求非常高，即使采用無心磨床切入磨削帶有錐度的超細(xì)長(zhǎng)軸，在機(jī)械加工中也是非常難加工的。我公司在該錠子類產(chǎn)品核心零件超細(xì)長(zhǎng)軸錠桿的實(shí)際生產(chǎn)加工中積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 王韜. 細(xì)長(zhǎng)軸的車削加工[J]. 機(jī)

械工程師，1998（3）：63-64. [2] 瑞典LIDKOPING公司.LIDKOPING瑞典無心磨床機(jī)床使用說明書[E]. 瑞典：LIDKOPING公司，1989.

20141211）