基于在線測量改進(jìn)深盲孔軸承座內(nèi)孔磨削加工工藝

靳國棟，馬磊，李福全，韓紅雨，盧陽

1. 洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471039

2. 洛陽北方企業(yè)集團(tuán)有限公司 河南洛陽 471039

1 序言

高精密深盲孔的加工一直是機(jī)械加工行業(yè)的技術(shù)難題，本文以某深盲孔零件為研究對象，通過工藝試驗(yàn)，為深盲孔磨削加工提供一種新方法，并進(jìn)行加工應(yīng)用。

2 產(chǎn)品特性及加工難點(diǎn)

本文介紹的精密深盲孔軸承座為某型號長壽命電動機(jī)內(nèi)重要部件，主要作用是固定內(nèi)部零件。電動機(jī)芯軸轉(zhuǎn)速極高，對軸承座的內(nèi)孔尺寸、幾何公差加工要求較高，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 深盲孔軸承座結(jié)構(gòu)

該軸承座材料為9Cr18Mo，熱處理硬度48～53HRC，為型腔結(jié)構(gòu)，形狀規(guī)則，壁薄，端面為基準(zhǔn)面。其加工精度和表面質(zhì)量要求高，難點(diǎn)在于內(nèi)孔的加工，要求端面與內(nèi)孔垂直度≤0.002mm，內(nèi)孔圓度≤0.002mm，內(nèi)孔直線度≤0.002mm。盲孔深70mm，退刀槽寬2.6mm。

3 加工工藝及存在問題

內(nèi)孔磨削加工原工藝：以外徑為定位支承，采用電磁無心夾具裝夾工件→粗磨內(nèi)孔→靠底面精磨內(nèi)孔→靠底面研磨內(nèi)孔。

該工藝加工內(nèi)孔無法通過常規(guī)設(shè)備一次加工合格，只能通過后期研磨保證內(nèi)孔精度要求。存在加工問題如下。

1）深盲孔磨削時(shí)內(nèi)孔精度檢測難度大，檢測頻繁。采用常規(guī)模擬量規(guī)無法對盲孔進(jìn)行測量；三坐標(biāo)儀需采用加長測頭離線檢測，檢測效率低；由于內(nèi)孔精度高，檢測時(shí)受溫度影響較大，不適合工序間的檢測。

2）孔深度大，磨削時(shí)易產(chǎn)生錐度、尺寸超差。盲孔較深，采用內(nèi)圓磨床加工內(nèi)孔，砂輪軸向移動時(shí)易造成砂輪前端比后端損耗大。砂輪接桿受徑向切削力彎曲變形等因素影響，使內(nèi)孔產(chǎn)生錐度，且錐度≥0.01，導(dǎo)致尺寸精度、幾何公差無法滿足要求。

3）內(nèi)孔精度靠手工研磨保證，產(chǎn)品一致性差，易出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象。采用研磨棒對內(nèi)孔研磨，留研磨量0.02mm，研磨時(shí)易出現(xiàn)喇叭口，內(nèi)孔直線度要求0.002mm，研磨難度較高，需反復(fù)研磨、檢測。單件研磨時(shí)間約2h，研磨成品需恒溫4h檢測，效率較低且極易出現(xiàn)研磨劃傷現(xiàn)象。

4 工藝改進(jìn)

為解決根據(jù)原工藝進(jìn)行內(nèi)孔加工時(shí)存在的問題，需對該軸承座的內(nèi)孔加工工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4.1 設(shè)備選擇

為滿足軸承座內(nèi)孔表面粗糙度及幾何公差的精度要求，擬采用高速（最高轉(zhuǎn)速20000r/min）五軸加工中心進(jìn)行加工。固定工件后在線測量找正，并調(diào)整內(nèi)孔軸線與端面垂直。采用厚度＜2.6mm的CBN砂輪，將砂輪接桿安裝在刀座上，進(jìn)行圓柱面磨削加工。

在線測量和智能修正技術(shù)可自動探測加工基準(zhǔn)面，并動態(tài)重建加工坐標(biāo)系，消除由基準(zhǔn)傳遞引起的誤差，自動檢測加工余量，減少夾具使用數(shù)量，縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本。

4.2 加工原理

通過編制加工程序，調(diào)用在線檢測宏程序，控制流程如圖2所示。將感應(yīng)探頭安裝在刀座上，運(yùn)行在線檢測宏程序，移動感應(yīng)探頭，當(dāng)探頭與工件接觸時(shí)，自動記錄探頭的坐標(biāo)值。通過多點(diǎn)接觸重建工件的檢測輪廓，將數(shù)據(jù)提取到加工程序中進(jìn)行自動補(bǔ)償修正，在線檢測如圖3所示。

圖2 在線檢測控制流程

圖3 在線檢測

同理，自動找正水平面方法為：根據(jù)三點(diǎn)定面原理，通過提取探頭與平面接觸點(diǎn)的坐標(biāo)值，驅(qū)動各軸轉(zhuǎn)動，使三點(diǎn)Z軸坐標(biāo)相同，保證測量平面與刀具主軸垂直。

加工時(shí)首先通過標(biāo)定檢測，確定實(shí)際尺寸偏差，修正在線檢測數(shù)據(jù)，為下一工序中吃刀量的設(shè)置提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。過程中通過宏程序自動實(shí)現(xiàn)測量補(bǔ)償加工，無需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品一次裝夾，合格下機(jī)。

4.3 裝夾方式

若采用常規(guī)裝夾方式，裝夾力對內(nèi)孔加工影響較大?？紤]到工件尺寸精度和幾何公差要求，根據(jù)外圈結(jié)構(gòu)，擬采用臺階固定的方式裝夾工件，裝夾方式如圖4所示，此種方式可避免零件因裝夾變形導(dǎo)致加工超差。

圖4 裝夾方式

4.4 工藝過程

優(yōu)化后加工工藝：以外徑為定位支承，粗磨內(nèi)孔→靠底面精磨內(nèi)孔→靠底面以臺階固定方式裝夾工件→粗修內(nèi)孔→精修內(nèi)孔。

精磨內(nèi)孔工序采用內(nèi)圓磨床，留修磨量0.03mm，控制錐度≤0.01。修磨內(nèi)孔采用五軸加工中心，依靠機(jī)床在線檢測進(jìn)行自動調(diào)整，使基準(zhǔn)面處于水平位置，砂輪軸在小范圍內(nèi)振蕩往復(fù)磨削，提高表面粗糙度。由于精磨內(nèi)孔時(shí)錐度較大，為避免砂輪前端損耗過大，修磨時(shí)分粗修和精修加工。粗修時(shí)使用粒度較小的砂輪，增大進(jìn)給量，提高切削效率，降低內(nèi)孔錐度；精修時(shí)使用粒度較大的砂輪，保證內(nèi)孔尺寸精度、表面粗糙度，并進(jìn)一步降低錐度。加工過程如圖5所示，采用厚度為2mm的CBN砂輪，磨頭高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，上下運(yùn)動一個行程（砂輪完全移開加工面），主軸繞工件軸線偏轉(zhuǎn)一定角度，擬合成一個正圓軌跡。

圖5 加工過程示意

加工過程中結(jié)合在線測量技術(shù)監(jiān)控加工余量，對磨削工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。粗、精修磨加工參數(shù)見表1。

表1 粗、精修磨加工參數(shù)

根據(jù)機(jī)床加工能力，3遍粗修+1遍在線檢測，以及1遍精修+1遍在線檢測，理論修磨時(shí)間約95min，遠(yuǎn)小于研磨0.02mm余量和恒溫檢測所用時(shí)間。

5 效果對比

原工藝與新工藝的加工效果如圖6、圖7所示。圖6a為原工藝加工內(nèi)孔表面情況，內(nèi)孔有軸向和周向研磨痕跡，在40倍放大鏡下可見加工紋路較細(xì)（見圖6b），方向不規(guī)則；圖7a為新工藝加工內(nèi)孔表面情況，加工痕跡為沿軸向的斑紋，紋路較明顯（見圖7b），表面一致性較好。

圖6 原工藝加工效果

圖7 新工藝加工效果

內(nèi)孔不同深度處直徑檢測數(shù)據(jù)見表2。由表2可知：在線檢測和三坐標(biāo)檢測數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求，在線檢測與三坐標(biāo)檢測圓柱度偏差僅0.0002mm，在恒溫間加工、檢測時(shí)，在機(jī)對零件尺寸和圓柱度的檢測數(shù)據(jù)可作為評價(jià)依據(jù)。

表2 內(nèi)孔直徑檢測數(shù)據(jù) （單位：mm）

表面粗糙度檢測數(shù)據(jù)見表3。由表3可知：原工藝采用研磨方法，內(nèi)孔表面粗糙度優(yōu)于新工藝，兩種工藝加工的表面質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 內(nèi)孔表面粗糙度檢測數(shù)據(jù) （單位：μm）

綜上所述，新加工工藝在尺寸精度、幾何公差和表面質(zhì)量方面均滿足設(shè)計(jì)要求；加工效率高；對尺寸精度、幾何公差和表面質(zhì)量可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格控制，降低人為因素對內(nèi)孔質(zhì)量一致性的影響，可靠性高；可實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔精加工一次裝夾、自動檢測并合格下機(jī)的自動化加工。

6 結(jié)束語

本文通過分析精密深盲孔軸承座內(nèi)孔原工藝存在的問題，提出了工藝改進(jìn)方法，通過工藝試驗(yàn)及對比分析得出以下結(jié)論。

1）新工藝可實(shí)現(xiàn)精密深盲孔軸承座內(nèi)孔的磨削加工，加工方案合理可行。

2）新工藝在尺寸精度和幾何公差方面較原工藝更穩(wěn)定可靠。

3）新工藝采用在線檢測、精修成形加工，實(shí)現(xiàn)一次裝夾加工出合格產(chǎn)品，提高了內(nèi)孔加工效率。

4）消除了人工研磨內(nèi)孔時(shí)人為因素對產(chǎn)品一致性的影響，提高了內(nèi)孔表面一致性。