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
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(guò)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(jiǎn)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(guó)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(wú)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)。
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(duì)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(guò)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。
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。
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。
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
滲氮處理后,經(jīng)過(guò)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(huì)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(guò)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(duì)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(duì)滾道曲面進(jìn)行研磨加工。磨料磨具對(duì)比見表1。經(jīng)過(guò)對(duì)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(huì)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(cè),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(duì)比如圖8所示。
圖8 滾道曲面研磨拋光前后對(duì)比
本文通過(guò)對(duì)球形滾道特征的分析界定,設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的加工流程,最終通過(guò)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(duì)光滾道表面進(jìn)行粗拋光后,使用液態(tài)浮動(dòng)研磨法對(duì)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(duì)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(duì)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。