空氣靜壓電主軸系統(tǒng)中前套筒磨削工裝設(shè)計

郭忠華

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 065201）

前套筒作為空氣靜壓軸承的支撐定位零件，是空氣靜壓電主軸系統(tǒng)的關(guān)鍵核心零件之一。磨削精度是零件能否合格的關(guān)鍵[1]。由于該零件磨削內(nèi)孔的裝夾基準屬于不規(guī)則的非完整圓，無法用通用的三爪或四爪卡盤裝夾，因此設(shè)計了一套磨削內(nèi)孔和外圓的專業(yè)夾具，成功解決了問題。

1 前套筒圖紙分析

該前套筒材料為2Cr13 馬氏體不銹鋼，全長為 211 mm。如圖1 所示，它的整體結(jié)構(gòu)大體為一帶臺階的空心軸類，軸的外圓表面為非完整圓。它的主要精度指標包括兩個方面：一方面，中間內(nèi)孔Φ360+0.01mm、 Φ390+0.01mm 尺寸公差，粗糙度要求Ra0.4 μm，圓柱度要求0.004 mm；另一方面，外圓尺寸公差，粗糙度Ra0.8 μm，與內(nèi)孔的同軸度為Φ0.008 mm。

2 工藝流程的制定及難點分析

2.1 工藝流程的制定

零件材料為2Cr13 馬氏體不銹鋼，有極為良好的塑性和較高的強度[2]。切削時，加工硬化嚴重，切削抗力大，溫度升高快，刀具磨損嚴重，因此增加了停機時間和機床調(diào)整時間，降低了生產(chǎn)效率。該材料容易粘刀，產(chǎn)生積屑瘤，引起工件尺寸變化，導(dǎo)致工件尺寸精度和形位公差不易保證。切屑不易折斷和彎曲，易損傷工件已加工表面，影響表面粗糙度，使工件表面質(zhì)量不易保證。綜上分析，為達到工件的精度要求，必須粗、精加工分開，中間穿插熱處理工序，以磨削達到要求的工件精度。

具體大致工藝流程如圖2 所示[3]。采用Φ85 mm 型材棒料先粗車外圓及內(nèi)孔且均留精車余量，然后進行調(diào)質(zhì)處理增強工件的綜合機械性能，并進行外圓及內(nèi)孔精車留磨削余量。經(jīng)立式加工中心加工外表面螺紋孔后進行油煮定性處理，加熱到120 ～140 ℃時保溫12 h，以釋放粗加工所產(chǎn)生的加工應(yīng)力。處理后，設(shè)計專用工裝磨削內(nèi)孔基準，保證孔的尺寸、圓度及粗糙度要求，再以孔為基準設(shè)計工裝芯軸，精磨外圓保證該外圓與內(nèi)孔的同軸度要求Φ0.008 mm。

2.2 加工難點分析

（1）該件中間內(nèi)孔Φ360+0.01mm、Φ390+0.01mm 尺寸公差等級為IT5 級，長度達211 mm，長徑比為6，屬于深孔加工系列。粗糙度僅為Ra0.4 μm，屬于只能超精加工方法才能達到的鏡面。圓柱度要求0.004 mm， 為形狀公差6 級。如此高的精度，只能采用磨削完成。但是，由于該工件材料為馬氏體不銹鋼，加工硬化嚴重，積屑易堵塞砂輪，且深孔磨削時砂輪與工件的接觸面積大、發(fā)熱量大、冷卻條件差、工件易產(chǎn)生熱變形，特別是磨削深孔的砂輪軸細長，剛性極差，很容易彎曲變形，造成內(nèi)圓錐形誤差，難以保證工件精度。更重要的是，該件生產(chǎn)批量大，外圓為非完整圓，不易裝夾找正。如果采用常規(guī)磨削工藝，每件都靠通用夾具裝夾找正工件，孔一端磨削完畢后再掉頭，找正磨削另一端，不但費時費力，加工效率低下，而且難以保證工件精度。為了解決這一難題，必須設(shè)計一套高效率、高質(zhì)量專用夾具來磨削Φ360+0.01mm、 Φ390+0.01mm 內(nèi)孔，以達到零件精度要求。

3 專用工裝卡具的設(shè)計

3.1 內(nèi)孔Φ360+0.01 mm、Φ390+0.01 mm 專用磨削工裝設(shè)計

由于內(nèi)孔Φ360+0.01mm、Φ390+0.01mm 的粗糙度要求Ra0.4 μm 和圓柱度要求0.004 mm，是該工件的工藝及加工基準，也是該工件最關(guān)鍵的工藝加工難點。它的精度能否達到要求，直接關(guān)系整個零件的安裝、加工及定位基準。但是，如此高的尺寸公差、形狀公差及粗糙度要求，只能通過精磨來完成[4]?？紤]到加工精度、裝夾及加工效率，設(shè)計專用夾具工裝完成內(nèi)孔Φ360+0.01mm、臺階孔Φ390+0.01mm 的最終加工。

磨削內(nèi)孔工裝夾具的組成如圖3 所示，包括底座（夾具體）、套筒、前后軸承、前后軸承壓蓋及頂絲共8 個零件。底座（夾具體）由內(nèi)六角螺釘通過底部平板固定在內(nèi)圓磨床床身導(dǎo)軌上，如圖4 所示。

3.1.1 磨削內(nèi)孔工裝夾具的工作原理

夾具體（底座）兩端軸承孔與底面的中心距設(shè)計為內(nèi)圓磨床主軸中心距磨床導(dǎo)軌面的標高，兩孔分別與兩個精密滾珠軸承的外圈過渡配合，兩個精密軸承的內(nèi)圈與中間套筒的兩端臺階圓外徑及端面過盈配合。整個裝夾具體（底座）由內(nèi)六角螺釘通過底部平板固定在內(nèi)圓磨床床身導(dǎo)軌上。磨床主軸通過雞心卡箍帶動夾具中的套筒旋轉(zhuǎn)，工件靠3 個頂絲壓緊在套筒內(nèi)壁上隨主軸一起轉(zhuǎn)動。兩端軸承壓蓋密封軸承作用，防止磨削過程中的鐵屑等雜物進入滾珠軸承。

具體使用時，先將夾具體（底座）兩端軸承孔的孔徑與選好的精密滾珠軸承的外圈配磨使之進行過渡配合，過盈量為0.002 mm，再將支持套筒的兩端臺階圓外徑及端面與選好的精密滾珠軸承的內(nèi)圈配磨，過盈量為0.005 mm，最后兩端安裝軸承壓蓋，用螺釘緊固。將裝配好的工裝夾具放在內(nèi)圓磨床導(dǎo)軌上，用千分表調(diào)整好套筒中間孔中心高與內(nèi)圓磨床主軸中心距磨床導(dǎo)軌面的標高偏差在0.01 mm 以內(nèi)，同時找正套筒中間孔母線使套筒中間孔中心與磨床主軸中心偏差在0.01 mm 以內(nèi)，用內(nèi)六角螺釘將夾具體固定在床身導(dǎo)軌上，將套筒的內(nèi)孔與工件的定位外圓配磨，間隙在0.02 mm 以內(nèi)。最后，將工件外圓插入套筒內(nèi)孔，用工件臺階圓端面軸向定位，用3 個頂絲螺釘緊固。這樣可以一次裝夾磨削零件兩端帶形位公差內(nèi)孔Φ360+0.01mm、臺階孔Φ390+0.01mm 及端面，保證圖紙各處形位公差。

3.1.2 磨削內(nèi)孔工裝夾具的特點及實施效果

本套工裝夾具僅有5 種零件，加工簡便，成本低。每次裝卸零件只需要擰兩個頂絲即可，在批量生產(chǎn)中大大減少了操作者的裝夾找正等輔助工作時間，工作效率提高30%。經(jīng)現(xiàn)場檢驗，廢品率降低了15%。此外，磨削同一類型尺寸不同的工件時，僅需更換兩端軸承，調(diào)整夾具體兩端軸承孔和套筒內(nèi)孔即可。綜上所述，本套工裝夾具是一套低成本、高效率且具有一定通用性的專用工裝。內(nèi)孔磨削工裝夾具工裝現(xiàn)場，如圖5 所示。

3.2 內(nèi)孔Φ360+0.01 mm、Φ390+0.01 mm 內(nèi)孔兩側(cè)錐堵工裝設(shè)計

錐堵工裝由螺母、墊圈、左錐堵、工件及右錐堵5 個零件組成[5]。工件與兩側(cè)錐堵靠1 ∶2 500 小錐度過盈接觸定位，磨削外圓時螺母和墊圈暫不組裝（螺母1 和墊圈2 為拆卸裝置），只將左錐堵與右錐堵緩慢壓入工件Φ360+0.01mm 內(nèi)孔兩側(cè)，兩頂尖裝夾磨削外圓。由于工件與兩側(cè)錐堵1 ∶2 500 的小錐度過盈接觸配合沒有間隙，因此磨削后有效保證了內(nèi)孔mm 與外圓mm 同軸度Φ0.008 mm。加工完成后拆卸錐堵時，將墊圈、螺母組裝，旋入螺母將錐堵帶出，再用塑料棒將右錐堵頂出。

4 結(jié)語

針對前套筒零件的材料、結(jié)構(gòu)特點及精度要求制定合理的加工工藝流程，設(shè)計了一套高效、簡單、實用的磨削內(nèi)孔及外圓的夾具。該夾具效果顯著，大大減少了操作者的裝夾找正等輔助工作時間，提高了工作效率，降低了產(chǎn)品不合格率。