高精度、低粗糙度細長軸磨削工藝的探討

張振離

摘要：本文介紹一種在普通外圓磨床上高效磨削高精度，低粗糙度細長軸的工藝，這種工藝非常適用于長徑比大于20的細長軸磨削。

關鍵詞：磨削 ?細長軸 ?高效 ?高精度

一般情況下，在普通外圓磨床上加工出的工件其精度等級為7級，Ra的最大允許值為0.8μm，但是有時中小企業(yè)也需要加工一些精度更高的工件，又面臨著沒有精密設備的現(xiàn)狀。為此，探討用普通外圓磨床加工出高精度，低粗糙度的工件方法。

細長軸零件剛性差，在加工中極容易變形， 使零件的誤差增大， 不易保證零件的加工質(zhì)量;中心孔只要有一點異常，工件就會發(fā)生變形，兩頂尖連線與縱向行程稍不平行就會產(chǎn)生錐形等。

1 加工過程中，細長軸的主要質(zhì)量缺陷

1.1 工件表面產(chǎn)生多角形波紋和螺旋形波紋

導致工件表面出現(xiàn)螺旋形波紋的原因有很多，比如砂輪工作表面凸凹不平;磨削深度太大，縱向進給量太大;機床剛性影響;砂輪主軸有軸向竄動等。另外造成這種現(xiàn)象的原因還有工作臺導軌潤滑油壓過大，致使工作臺縱向移動產(chǎn)生漂浮和擺動導致的。

1.2 工件圓柱度超差

造成工件的圓柱度超差的原因主要有工件受熱變形、伸長，磨削中頂尖頂?shù)眠^緊、磨削用量過大，磨削后產(chǎn)生的各種變形，比如鞍形、錐度、鼓形、彎曲等。

1.3 工件圓度超差

造成工件圓度超差的原因主要有工件頂?shù)锰o或太松;工件中心孔內(nèi)有污垢或已磨損，其形狀不正確;砂輪主軸或頭架主軸的徑向跳動過大等。

因此，磨削細長軸的關鍵是解決加工工件的彎曲變形問題。主要抓住中心架和跟刀架的使用方法、解決工件熱變形伸長以及合理選擇刀具幾何形狀等三個關鍵技術(shù)。

2 控制細長軸磨削質(zhì)量的措施

經(jīng)過長時間的研究，對細長軸磨削質(zhì)量采取了以下幾種有效的控制措施。

2.1 磨削前準備工作

①校直：校直后的工件彎曲度應控制在0.15/1000mm

以內(nèi)。熱校和冷校是細長軸校直方法的兩種方法，其中熱校比冷校效果好。

②中心孔：細長軸的基準就是中心孔，該中心孔在熱處理細長軸后會出現(xiàn)變形，此時應對其采取必要措施，使其達到相關規(guī)范標準。

③檢修機床：檢修機床不僅對磨床有著很高的要求，對砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度也有著很高的要求，盡量保證工作臺換向的平穩(wěn)性，同時要求工作臺的低速運動具有良好的穩(wěn)定性，最大程度的減少爬行和振動現(xiàn)象的出現(xiàn)，力爭檢修后的機床各項精度都是符合相關規(guī)范要求的。

④調(diào)整機床：調(diào)整機床是控制細長軸磨削質(zhì)量的一個重要措施，檢驗的方法是把工件頂在兩頂尖間，用手旋轉(zhuǎn)工件，如果覺得松緊適當，那么機床的各項參數(shù)就是合理的，如果發(fā)現(xiàn)尾架頂尖是彈簧式的，最好把彈簧頂尖壓縮0.5～2mm，再頂住工件中心孔。

⑤檢查工件：兩頂尖頂住工件，首先檢查細長軸的全長作徑向跳動，采用的是百分表的方法，尤其是一些彎曲度比較大的地方，應該對其進行更加詳細的檢查，之后檢查工件磨削余量，保證其各項指標都是符合相關規(guī)范標準的。

2.2 合理的選擇砂輪

由于細長軸材料有很多種，相應的砂輪也因磨料、硬度、粒度的不同而有著很多的區(qū)別。應選用粒度較粗、硬度較軟的砂輪。

要想減少砂輪與工件的接觸面積和細長軸在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的自激振動，最好把砂輪的形狀設計成中間呈凹形。

以磨削材質(zhì)為GCr15的細長軸為例，磨料應選擇MA或PA，硬度應選擇J、K級，粒度以46～70為宜。

2.3 砂輪平衡與修整

在磨削過程中由于很多客觀因素的影響，比如砂輪的損耗、砂輪安裝誤差、磨削液的吸附等，都有可能導致砂輪的平衡狀態(tài)一直處于變化之中。要想得到比較高的加工精度， 應將砂輪的平衡狀態(tài)控制在一個允許的范圍內(nèi)。

砂輪至少要經(jīng)過2次精細的平衡。要求平衡后振幅小于0.002～0.005mm。

砂輪一般用鋒利金剛石修整。磨削高精度的細長軸，應分粗磨和精磨。在粗磨前應修整砂輪，砂輪應修整粗一些，提高磨削效率，修整時，工作臺縱向速度以1～1.5m/min，橫向切削深度0.07～0.1mm為宜;在精磨前應進行一次砂輪修整，目的是要磨出大量的等高微刃。修整時，先是用鋒利的金剛石筆以很小而均勻的進給量精密地修整砂輪，工作臺縱向速度為0.3～0.8m/min，橫向切削深度0.03～0.01mm，最后，橫向不進刀，光修一次。

2.4 合理的磨削用量

合理的磨削用量是實現(xiàn)精密磨削的關鍵。對于高精度的細長軸磨削，應分粗磨和精磨。粗磨時，工件線速度以2.5～8m/min，工作臺縱向速度1～1.5m/min，橫向切削深度（單行程）0.03～0.07mm為宜;精磨時，工件線速度以2～5m/min，工作臺縱向速度0.5～0.8m/min，橫向切削深度（單行程）0.01～0.03mm為宜;接近要求尺寸時，橫向不進刀，光磨數(shù)次，保證尺寸精度。

為了有效減少細長軸因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的振蕩，應該保持磨削工件的低轉(zhuǎn)速，要求精磨時轉(zhuǎn)速更低，如此就可以把一部分切向力轉(zhuǎn)化為軸向力，有效減少徑向力。

磨削時切深t用雙行程來達到。由于工件轉(zhuǎn)速不高，在一定的時間和范圍內(nèi)，工件表面與砂輪表面之間接觸的機會就會相應的減少，為了保證符合相關規(guī)范要求，應該往復一次或數(shù)次來彌補。

2.5 對系統(tǒng)進行充分冷卻

選用切削液時，不但要考慮其他切削加工的條件，而且還得考慮磨削加工本身的特點：冷卻液建議采用噴射法供給冷卻液， 利用噴嘴上擋板將高速氣流隔開， 保證磨削液順利注入磨削區(qū)， 同時還可以防止磨削液飛濺。切削液過濾凈化，可以提高工件表面粗糙度，降低廢品率。

2.6 合理使用和改進中心架

細長軸的精度主要是由彎曲度、圓度、粗糙度等決定，因此，合理選擇中心架的數(shù)量，在磨削過程中合理地調(diào)整中心架的兩個支片，是保證加工精度的關鍵。

由于調(diào)整細長軸磨削的中心架時很難得到有效控制，所以要想得到磨削高精度、低粗糙度的細長軸，必須懂得如何控制砂輪徑向壓力。所以，測量工件與支片接觸情況是很有必要的，通過應用萬能表中的A電流通與不通的測量原理可以實現(xiàn)上述目的。

首先改進中心支架的兩支片，把導電的銅塊安裝在支片前端，然后用萬能表和電線一端接負極，另一端接正極，負極與尾架相通，正極與中心架相連。把萬能表的旋轉(zhuǎn)開關撥至100kΩ，如果支片和工件相接時，指針馬上就開始轉(zhuǎn)動，說明這個電路是相通的，具有很高的靈敏度，指針從0到最大值之間的擺動值為中心架支片上移動量4m，當萬能表調(diào)整到10kΩ時，指針的擺動值為0.001mm。通過利用這種方法來控制支片與工件的接觸，能夠及時了解切削力、擠壓力的大小，大大提高磨削精度，降低粗糙度。

3 工藝總結(jié)

①經(jīng)熱校在磨削細長軸時，必須保證其彎曲度在0.15 mm/m以內(nèi)。

②精修、研磨中心孔，調(diào)整好工件在頂尖間的松緊，檢查工件跳動。

③選擇中軟砂輪，并修整好砂輪，選擇磨削用量。

④調(diào)整好中心架是磨削的必要條件，如果中心架托得很松，工件易被磨成腰鼓形，如果中心架支片托得過緊，中間易磨成凹形，導致母線直線度不受控，磨削時，中心架下支片以輕輕帶到工件為準，上支片按磨削量不停地調(diào)整，否則很容易出現(xiàn)不符合相關規(guī)范標準的情況。

⑤在磨削過程中，需要時刻觀察測量工件的彎曲度，發(fā)現(xiàn)不符合相關規(guī)范標準的情況，應立即采取必要措施進行調(diào)整，同時減少磨削用量及放慢工作臺行程。

通過以上工藝改進，在普通磨床加工的細長軸可以達到超精密磨床加工的加工精度、低粗糙度，且生產(chǎn)效率較高。

參考文獻：

[1]磨工技師培訓教材[M].北京：機械工業(yè)出版社出版，2004.

[2]陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[3]傅杰才.磨削原理與工藝[M].長沙：湖南大學出版社，1986.