分析 趙志勇

摘要：磨削技術(shù)已廣泛應(yīng)用于最后加工有高表面質(zhì)量和高表面完整性要求的精密零件。經(jīng)過三十年的研究與探索，對磨削加工的各方面有了一個(gè)較為清楚的了解。本文將介紹其定義、流程及誤差分析等，以期更好的促進(jìn)工藝的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：磨削參數(shù);圓柱度檢測儀;偏心軸

中圖分類號：TB17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0089-03

0? 引言

磨削是一種通過磨料，磨具來實(shí)現(xiàn)切除工件上多余材料的機(jī)械加工方法。是獲取高精度與高表面質(zhì)量零件的重要途徑。磨削加工技術(shù)在金工處理與制造行業(yè)中得到了十分廣泛的應(yīng)用。而通過熱處理實(shí)現(xiàn)淬火零件卻常常出現(xiàn)一個(gè)問題，這就是在進(jìn)行磨削工藝處理時(shí)與施工方向大抵垂直的材料表面上常常出現(xiàn)大量的磨削裂紋，它往往會影響零件的美觀，甚至直接影響零件質(zhì)量。

1? 磨前的定義

磨削是一種精加工的加工工藝方法，通常是利用磨料、磨具作為工具來去除母件上多余的材料。磨削的精度往往可達(dá)IT8-IT5甚至更高。

1.1 磨削加工對零件的影響

高壓共軌噴油泵中的零件偏心軸材料：20CrMnTi（圖1）是噴油泵內(nèi)的核心部件之一，高轉(zhuǎn)速、高扭矩的使用環(huán)境對偏心軸尺寸和強(qiáng)度都有著高質(zhì)量要求，偏心軸經(jīng)過粗加工及熱處理后，進(jìn)行最終磨削，磨削過程中產(chǎn)生的各種因素，比如磨削速度、磨削進(jìn)給速度、磨削的深度及磨削機(jī)床自身的穩(wěn)定性、砂輪材質(zhì)的可靠性等都會直接導(dǎo)致最終磨削結(jié)果。

1.2 零件磨損過程（見圖2）

1.2.1 跑合階段

由于在摩擦的初始運(yùn)行過程中，零件表面存在一定的粗糙度，且微凸體接觸面積小，接觸應(yīng)力大，磨損程度與磨損速度都會提升。在實(shí)測階段可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加荷載逐漸達(dá)到一定量級后，被摩擦的材料表面逐漸磨平，這導(dǎo)致了實(shí)際的接觸面積逐漸增大，從而使得磨損速度也將逐漸降低。

1.2.2 穩(wěn)定磨損階段

在經(jīng)過跑合階段后，材料表面接近平面，摩擦表面因加工而逐漸硬化，在微觀狀態(tài)下材料的幾何形狀也發(fā)生改變，實(shí)際的接觸面積增大，整體的壓強(qiáng)降低，這為材料發(fā)生彈性碰撞提供了技術(shù)條件。且磨損已經(jīng)穩(wěn)定下來，故而磨損量將隨時(shí)間增大而緩慢增大。

1.3 劇烈磨損階段

而隨著磨損的速度急劇增加，摩擦溫度也將急劇增高，且金屬內(nèi)部組織會發(fā)生不可逆的微觀形態(tài)變化，整體來看，精加工機(jī)械的工作效率逐漸下降，施工精度也進(jìn)一步降低，并且出現(xiàn)明顯的異響和不規(guī)律振動，最后導(dǎo)致零件完全失效。

2? 磨削模型

連續(xù)性：

通過軟件建立一個(gè)模型，在模型內(nèi)給砂輪設(shè)定以時(shí)間為基礎(chǔ)變化量的徑向進(jìn)給速度u（t），且根據(jù)實(shí)際情況，砂輪本身的徑向進(jìn)給速度v（t）會由于系統(tǒng)撓度∮和砂輪徑向磨損而發(fā)生滯后。因此，這個(gè)模型顯示了一個(gè)受調(diào)控的三階段（粗磨、精磨和光磨）進(jìn)給周期。為了分析砂輪在它工作環(huán)境內(nèi)的進(jìn)給特性，其連續(xù)性要求如下：

3? 仿真模型模擬分析

為了進(jìn)一步地說明模型的實(shí)際效果，可以觀察一個(gè)經(jīng)過三階段的外圓磨削加工，并將其磨削條件總結(jié)成表1，而圖3則表示了仿真功率的預(yù)測結(jié)果和實(shí)際測量到的磨削功率。從圖中可以看出，在粗磨階段功率響應(yīng)的初始上升跟隨著的是一段“平衡狀態(tài)”，且在此期間由于砂輪逐漸鈍化，磨削器具的功率也逐漸增大。

在粗磨階段最初過渡期，預(yù)測功率有良好一致性，這說明了仿真系統(tǒng)中的剛度與實(shí)際系統(tǒng)的剛度是非常接近的。在進(jìn)行粗磨后則是精磨階段，此時(shí)由于橫進(jìn)給速度的下降，功率降到一個(gè)較低的區(qū)域。且在最終精磨階段，功率會突然減少。而除了功率以外，仿真軟件還可預(yù)測其它參數(shù)。如材料去除率、材料的尺寸、比能撓度、表面粗糙度、溫度、工件燒傷、圓度對比等。

4? 校準(zhǔn)

校準(zhǔn)是一切實(shí)驗(yàn)儀器必須在實(shí)驗(yàn)階段開始之前就必須完成的一個(gè)先決條件與必然準(zhǔn)備。特別是對機(jī)械精加工這種高精度要求項(xiàng)目，對于各部位的精度要求更是需要引起注意。而在這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M模型中，整個(gè)模擬系統(tǒng)是在不斷學(xué)習(xí)、不斷改進(jìn)的。通過對不同的環(huán)境要求、技術(shù)條件進(jìn)行改良，可以從多個(gè)角度不斷地推演材料的磨削特性。而與此同時(shí)，技術(shù)人員可以通過錄入實(shí)際數(shù)據(jù)來限制條件，優(yōu)化模型，從而實(shí)現(xiàn)對模型模擬的校準(zhǔn)工作。在完成了多次的工作后，機(jī)器還可以聯(lián)網(wǎng)儲存數(shù)據(jù)，對多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做詳細(xì)處理和分劃，這一方面可以快速找出模擬中存在的問題，另一方面也可以為未來新技術(shù)的研發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)。

5? 驗(yàn)證分析

而在實(shí)際運(yùn)營階段，操作人員可以通過不斷地對模擬結(jié)果與實(shí)際操作結(jié)果相比對，來獲取實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合性評定。在粗磨、光磨兩個(gè)重要階段中，反復(fù)考量整體的擬合效果是否良好、是否符合實(shí)際情況。而往往在初始階段，模型模擬的狀態(tài)還是良好的，但在光磨階段，如若未經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)試，可能曲線擬合會有所偏差。這是因?yàn)樵趯?shí)際情況中，導(dǎo)軌、車床等機(jī)械單位會因速度和功率的變化發(fā)生一定的磨損，從而在整體上凸顯出曲線的不準(zhǔn)確性。所以在設(shè)計(jì)模型時(shí)要根據(jù)磨削參數(shù)對表面狀態(tài)的影響來做出一定的調(diào)整。

6? 誤差分析

6.1 對工藝系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整

磨削量小于名義磨削量，這就是“切面加厚”現(xiàn)象的因素。在磨削加工過程中，隨著砂輪的磨損和修整，砂輪直徑也將不斷地變化最大直徑和最小直徑。

6.2 傳動誤差對精度的影響

磨床的傳動誤差是由螺距誤差和其它傳動環(huán)節(jié)所引起的傳動誤差兩部分組成，螺距誤差對齒距精度影響最大，它將直接以傳動比值的倍數(shù)關(guān)系反映到被加工零件上。

6.3 機(jī)床誤差的減小

①使用高精度的滾動軸承。②使用高精度的靜壓軸承。③測量及調(diào)節(jié)相應(yīng)件的徑向跳動范圍。④提高軸承配合表面的加工精度。⑤采用精密磨削齒輪改進(jìn)齒輪精度。

6.4 影響精度的因素

①夾具。夾具的幾何誤差和夾具的定心超差會使工件發(fā)生徑向跳動誤差、軸向跳動誤差。

②機(jī)床。砂輪主軸或者活動托座傳動構(gòu)件的磨損和工作臺傳動構(gòu)件的磨損以及砂輪與工作臺同步的動態(tài)性能是否良好，均會產(chǎn)生不規(guī)則的齒形誤差。

③砂輪。砂輪是造成齒形誤差最主要的因素。齒形一般是由多切削刃展成加工而成的，每片切削刃與實(shí)際齒線的兩條設(shè)計(jì)齒線之間的端面距離與設(shè)計(jì)距離是否相符合都將影響齒形誤差。

在這一方面影響該誤差的因素又可分為：

1）機(jī)床因素。機(jī)床的刀架導(dǎo)軌精度未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)過長期的使用產(chǎn)生了磨損;立柱導(dǎo)軌精度未滿足使用需求，頂尖或者頂尖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理;工作臺面存在水平誤差的，從而導(dǎo)致水平性較差。

2）數(shù)據(jù)因素。公法線長度值超差，是造成該誤差的主要原因。其原因之一是設(shè)備精度不達(dá)標(biāo)。主要包括：機(jī)床分度蝸輪的精度過低，而在加工斜齒輪時(shí)，差動掛輪的誤差大，從而使差動傳動鏈齒輪的制造誤差和調(diào)整誤差過大，或走刀絲杠間隙過大，發(fā)生走刀竄動，因而齒面易產(chǎn)生大的波紋。

7? 磨削的方式及優(yōu)點(diǎn)

7.1 高速磨削

優(yōu)點(diǎn)：

①磨削表面粗糙度減小。

②砂輪的速度得到了提高之后，對于加工的精準(zhǔn)度也有所提升。

③法向磨削力減小，工件精度提高。

④使單個(gè)磨粒的載荷減輕，金剛石砂輪耐用度提高。

7.2 緩進(jìn)給大切深磨削

優(yōu)點(diǎn)：適用于磨削高硬度或高韌性材料。

7.3 砂帶磨削

優(yōu)點(diǎn)：

①效率高，可用于粗、半精和精加工。②磨削質(zhì)量高，磨削效果好。

8? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在磨削工藝的整個(gè)過程中，材料表面在各類磨削參數(shù)、磨削力與磨削熱的作用下，將會發(fā)生不同程度的塑性變形，而零件內(nèi)部的金屬組織變化也將引起整體宏觀的體積改變。從這一點(diǎn)可以得出如何去合理地調(diào)控機(jī)械加工基礎(chǔ)條件地具體方法。通過預(yù)先對加載情況地模擬，可以很好地避免零件磨損甚至報(bào)廢的情況出現(xiàn)。這為機(jī)械加工提供了良好的優(yōu)化思路，而通過對模型模擬與實(shí)際生產(chǎn)過程中各階段產(chǎn)品性狀進(jìn)行對比，則可迅速的找出是在哪個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)里出現(xiàn)了問題，并得到有效的解決。總的來說為整個(gè)機(jī)械加工工藝流程提高了工作效率，也降低了出錯率，壓縮了生產(chǎn)成本。

9? 總結(jié)

出現(xiàn)誤差是在整個(gè)精加工機(jī)械行業(yè)里不可避免的一件事情。因此在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，我們常常采取一系列的有效措施來降低誤差對最終產(chǎn)品的質(zhì)量影響或是減小誤差。從本質(zhì)上說，在精加工工藝或機(jī)械加工中產(chǎn)生的誤差，在整個(gè)工藝流程中往往以差異化的形式體現(xiàn)，被稱作原始誤差。而根據(jù)誤差起源的不同，則可以分為幾何誤差，加工誤差，外來因素誤差與變形誤差。從這一點(diǎn)上來說，誤差的大小會間接地影響整個(gè)生產(chǎn)周期，而較大的誤差則必然會帶來較大的生產(chǎn)損失，降低整個(gè)工藝流程的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量。

9.1 影響零件加工精度的因素

零件加工精度的影響因素眾多，但在對其進(jìn)行研究時(shí)，被加工部件在受到不同類型的加工工藝的影響時(shí)發(fā)生的變化會很明顯。如機(jī)床幾何誤差，在機(jī)械加工時(shí)，機(jī)床幾何誤差對零件加工精度的影響是十分明顯的，它主要包括三個(gè)方面：轉(zhuǎn)動鏈誤差、主軸回轉(zhuǎn)誤差與導(dǎo)軌誤差。

對于主軸回轉(zhuǎn)誤差，由于是在零件裝配的過程中就因?yàn)榇嬖谡`差，其影響主要體現(xiàn)在主軸跳動的時(shí)候，會出現(xiàn)圓度的誤差。且在整個(gè)磨削過程中，主軸角度會發(fā)生擺動，雖然其工作徑向仍然為圓形，但工作軸向卻為梯形。因此在鏜孔的過程中，主軸的擺動角度問題會致使導(dǎo)軌與回轉(zhuǎn)周線之間不再處于平行狀態(tài)，磨削外圓也最終會發(fā)生圓度超差。除此之外，主軸出現(xiàn)軸向跳動的情況，即使不會對外圓、內(nèi)孔相應(yīng)的精度產(chǎn)生影響，但對于端面和內(nèi)外圓的垂直度將一定造成影響。這最終導(dǎo)致相關(guān)的切面與端面發(fā)生形態(tài)變化，形成凸輪端面的外形。

要想改善機(jī)械精加工的生產(chǎn)質(zhì)量，首先就要對預(yù)備設(shè)施做出改進(jìn)。如機(jī)床、導(dǎo)軌、砂輪等，根據(jù)已有的確切數(shù)據(jù)與相關(guān)技術(shù)要求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來對機(jī)械加工設(shè)備做出統(tǒng)一的要求。只有對加工器械做出了硬性要求，生產(chǎn)出來的零件才能在各方面滿足一個(gè)最基本的要求。如車床與導(dǎo)軌，從技術(shù)角度來說，導(dǎo)軌決定了加工零件的徑向尺度是否標(biāo)準(zhǔn)，那么就需要對導(dǎo)軌的磨損程度進(jìn)行把控，因?yàn)橐坏?dǎo)軌磨損過度，整個(gè)加工步驟就不能對徑向速度嚴(yán)格地加以控制，那么加工得到的零件就是不合格的。這將會大幅度地降低整體的生產(chǎn)效率，延長了生產(chǎn)周期。其次是要加強(qiáng)對基礎(chǔ)操作人員的安全、技術(shù)教育與高新人才的大力引進(jìn)。隨著社會的不斷進(jìn)步，各行各業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)與高新技術(shù)也在不斷發(fā)展著。只有不斷向前看，才不會被時(shí)代拋于身后。新的技術(shù)與人才也有助于進(jìn)一步地提高生產(chǎn)質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，增加企業(yè)利潤。

9.2 改善工藝減小誤差的具體方法

①合理配置基礎(chǔ)機(jī)械加工硬件，首先要保證加工器具與模具車床相配套，這是降低基礎(chǔ)誤差的最佳方法。而從另一方面說，這也需要基礎(chǔ)操作人員在日常機(jī)械維護(hù)的過程中讓基礎(chǔ)機(jī)械硬件得到更多的修理與保養(yǎng)，防止出現(xiàn)導(dǎo)軌、車床的尺寸變化。而從整體的機(jī)械加工工藝流程上來說，則是要根據(jù)自身的生產(chǎn)要求與生產(chǎn)條件，合理地減少部分不必要的生產(chǎn)工藝，在降低生產(chǎn)難度的同時(shí)也縮短了整體的生產(chǎn)周期，當(dāng)然同時(shí)也要顧及到機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量不能打折扣。

②利用新興技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝。實(shí)際上，大部分的機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入了數(shù)控時(shí)代，這一點(diǎn)可以分為三方面來說：第一，對原有的機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，數(shù)控技術(shù)往往能夠進(jìn)一步提升加工精確程度，降低生產(chǎn)誤差，同時(shí)也替代了重復(fù)的人體勞動，減輕了基礎(chǔ)操作人員的生產(chǎn)壓力。第二，要支持原有員工對新技術(shù)的學(xué)習(xí)，多做指導(dǎo)。第三，要積極引進(jìn)復(fù)合型高新人才，協(xié)助完成機(jī)械設(shè)備的整體更新?lián)Q代。

③嚴(yán)格執(zhí)行各類生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。通常一件細(xì)小零件都會需要許多的生產(chǎn)工藝流程，而一個(gè)步驟都會有它特定的生產(chǎn)要求與細(xì)則。雖然在某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，細(xì)小的誤差不會引起整體的工藝差別，但總的來說，正是這些小誤差，在不斷積累之后引起了大的質(zhì)變，最終導(dǎo)致了加工失敗。因此，要從每一個(gè)小環(huán)節(jié)去嚴(yán)格管控加工要求，嚴(yán)格按照生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)去嚴(yán)苛執(zhí)行。

④建立完備的自檢程序。即使對整個(gè)生產(chǎn)流程管控的再嚴(yán)格，一些生產(chǎn)誤差也是不可避免的。因此，需要對生產(chǎn)產(chǎn)品做定期、定階段的自我檢查，按周期評控每一個(gè)生產(chǎn)階段的出錯率、生產(chǎn)效率等等，并從這些數(shù)據(jù)中找出現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝流程還存在那些問題，并積極改正。

放眼未來，任何一個(gè)企業(yè)或單位都是要向信息化、數(shù)據(jù)化看齊的。機(jī)械精加工作為大多數(shù)加工制造業(yè)最基礎(chǔ)的工藝流程之一，也必然要向這方面發(fā)展。通過數(shù)據(jù)模擬來預(yù)知加工結(jié)果，往往能夠更好地提供方案改進(jìn)思路，降低成本。只有這樣，企業(yè)才能走可持續(xù)發(fā)展的道路，并一直向前發(fā)展。

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