高精度臺階軸端面磨削的工藝分析與研究

趙興龍，徐　敏，岳劍龍，賴文峰

(西安航空動力控制科技有限公司，陜西 西安 710077)

高精度臺階軸端面磨削的工藝分析與研究

趙興龍，徐敏，岳劍龍，賴文峰

(西安航空動力控制科技有限公司，陜西 西安 710077)

摘要：磨削作為一種精密加工方法，主要用于保證工件尺寸和形狀所要求的精度及表面完整性。以某高精度臺階軸零件端面的磨削為例，介紹了外圓磨床中直軸磨床與斜軸磨床的區(qū)別，分析了2種磨削機床的磨削方式；對高精度臺階軸端面在不同切削工況下磨削得到的零件表面質量、磨削產(chǎn)生的花紋和端面的凹凸變化進行了研究，總結了在外圓磨床和端面外圓磨床上，采用縱向磨削與切入磨削的磨削方式磨削端面的過程及出現(xiàn)內凹的情況，認為在外圓磨床上使用縱向磨削將砂輪架偏轉一定的角度，或在端面外圓磨床上將砂輪水平方向的磨削母線修整為與工件端面有適當?shù)膴A角，都可以加工出零件端面的內凹，并可滿足產(chǎn)品的圖樣要求。

關鍵詞：外圓磨床；內凹端面；切削試驗；切入進給；表面花紋

隨著科學技術的發(fā)展，對機械零件的精度和表面質量要求也越來越高，零部件加工都將磨削作為最終工序，以保證圖樣要求。在外圓磨床或端面外圓磨床上，磨削端面會出現(xiàn)內凸或內凹的現(xiàn)象，而在一般情況下，適量的內凹是允許或被要求的，內凸則是不允許出現(xiàn)的[1]。

國內外學者對零件的磨削進行了多方面的研究，包括研究了磨削產(chǎn)生的殘余應力、表面粗糙度和磨削的表面完整性，得到了采用較小的進給量和切削深度，可以使表面粗糙度、殘余應力和加工硬化減小的結論，但是針對零件端面磨削卻鮮有研究；因此，本文運用切削試驗的方法，對某一加工產(chǎn)品在不同工況切削試驗中的切削參數(shù)和砂輪架角度進行了對比分析，通過合理選擇和優(yōu)化，得到的數(shù)據(jù)可為工程中零件端面磨削工藝的選擇提供參考和依據(jù)。

1產(chǎn)品零件及材料分析

隨著航空發(fā)動機技術的不斷更新和提升，對零件的要求也越來越高，齒輪類零件作為傳遞運動和動力的機械元件，支承轉動零件并與之一起回轉，以傳遞運動、轉矩或彎矩，在整個傳動系統(tǒng)中占據(jù)著重要位置。磨削加工常作為產(chǎn)品的最終加工工序，其加工效果的好壞直接影響到成品的質量、生產(chǎn)效率和加工成本等。38CrMoAlA是一種高級氮化鋼，主要用于具有高耐磨性、高疲勞強度和熱處理后尺寸精確的氮化零件，或各種受沖擊載荷不大而耐磨性高的氮化零件。本文所要加工的零件如圖1所示，材料為38CrMoAlA，已進行了氮化熱處理，氮化層厚度為0.35～0.5 mm，氮化后表面硬度為58～65 HRC，中心硬度為38～42 HRC，氮化熱處理前以零件中心孔定位已對零件進行了磨削加工，氮化后進行精磨削加工，磨削余量為0.05～0.08 mm，最終應保證圖樣要求。

圖1　產(chǎn)品圖樣要求加工的零件

2外圓磨床與端面外圓磨床的加工方式

在外圓磨削過程中，工件安裝在2個頂尖的中心之間，砂輪旋轉是引起切削旋轉的主要原因[2]。外圓磨床是加工工件為圓柱形、圓錐形或其他形狀素線展成的外表面和軸肩端面的設備，用于成批軸類零件的端面、外圓及圓錐面的精密磨削(見圖2a)；而端面外圓磨床是外圓磨床的一種變形機床，是斜砂輪架斜向切入進給的磨床，砂輪軸線與工件軸線成一定夾角，主要用于磨削帶肩胛的軸類零件的端面和外圓(見圖2b)，宜于大批量磨削帶肩的軸類工件，有較高的生產(chǎn)效率。

圖2　外圓磨床與端面外圓磨床的加工方式

圖3　直軸磨床和斜軸磨床　實際坐標軸示意圖

端面外圓磨床是外圓磨床的一種，它與普通外圓磨床在機械結構上的最大區(qū)別是端面外圓磨床砂輪架與工作臺導軌構成一定的角度，其作用是在磨削工件端面時，砂輪主軸系統(tǒng)能夠受力[3]。這種磨床的布局形成和運動聯(lián)系與外圓磨床相似，只是砂輪架與頭架、尾架的中心連線傾斜一角度(通常為10°、15°、23°、26°、30°和45°)，數(shù)控端面外圓磨床CNC S21尾架中心連線傾斜30°。為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。端面外圓磨床是斜軸磨床，普通外圓磨床是直軸磨床。直軸磨床和斜軸磨床實際坐標軸如圖3所示，直軸磨床的砂輪架絲杠沿X軸方向，與工作臺絲杠Z軸方向垂直。而斜軸磨床的實際坐標軸是U軸和V軸(與Z軸重合)，砂輪架絲杠沿U軸方向，與工作臺絲杠V(Z)軸方向不垂直，而形成一個夾角θ。當砂輪架沿U軸運動一段距離A后，就相當于砂輪架沿X軸運動了Acosθ，沿V(Z)軸運動了Asinθ。

3在外圓磨床上進行內凹端面的磨削

在外圓磨床上進行端面的磨削一般采用縱磨法，即磨削時，砂輪的高速旋轉為主運動，工件的旋轉運動、工作臺的往復縱向運動和砂輪的橫向周期性間歇進給為進給運動，每次縱向走一定的磨削量用于磨削端面后，砂輪作一次橫向進給，外圓上的磨削余量經(jīng)多次橫向進給后被磨去。在外圓磨床上，當砂輪的旋轉軸線與工件的旋轉軸線為水平相交狀態(tài)時，會磨出內凹端面，在加工時會出現(xiàn)3種情況：1)工件的旋轉軸線逆時針偏轉一定的角度(見圖4a)，砂輪保持水平；2)砂輪架順時針偏轉一定的角度(見圖4b)，工件保持水平；3)二者同時偏轉一定的角度(見圖4c)。

圖4　外圓磨床磨削內凹面的加工方法

3.1工件的旋轉軸線偏轉

為了保證設計圖樣的內凹要求，當工件的旋轉軸線逆時針偏轉一定的角度(見圖5a)，砂輪保持水平時，應將砂輪端面修整至碗狀，零件通過兩端中心孔安裝在2個頂尖的中心之間，工件端面內緣的任意一點a與砂輪接觸時，由于工件的旋轉軸線相對砂輪軸線存在偏轉角度α，所以工件外緣任意一點b旋轉時相對于砂輪有軸向偏移，外緣b點運動至b′點時離砂輪最近(見圖5b)，偏移了距離L，但仍與砂輪有長度L1的距離。隨著工作臺的縱向進給，當b′點與砂輪接觸時，a點處已被磨削了一定的深度，所以磨削出的端面是內凹面(見圖5c)。若磨削出現(xiàn)的花紋為逆時針紋，說明頭架高于尾架；若磨削出現(xiàn)的花紋為順時針，說明尾架高于頭架。為了保證零件端面的表面粗糙度滿足要求，盡量不要出現(xiàn)順時針花紋，因為在同樣的磨削條件下，順時針花紋的表面粗糙度值高于逆時針花紋[4]。在外圓磨床上使用此種方法磨削內凹面，調整機床操作簡單，能夠保證零件端面的表面粗糙度滿足要求；但所調整的內凹量較少，內凹量為0～0.01 mm，當零件端面較大時，內凹量可有所增加。

圖5　工件偏轉砂輪水平磨削內凹面

3.2砂輪架順時針偏轉

為了保證設計圖樣的內凹要求，砂輪架順時針偏轉一定的角度(見圖6a)，工件保持水平，砂輪無須將砂輪端面修整至碗狀[5]，零件通過兩端中心孔安裝在2個頂尖的中心之間，點a在工件端面的外緣線處，點b在工件端面內緣線處(見圖6b)。當a點運動至b點的位置時，砂輪圓周上任意點旋轉形成的平面與工件的旋轉軸線不垂直(存在夾角α)，運動軌跡如圖6b所示。運動軌跡坐標分析如圖6c所示，XbY平面與工件軸線垂直，Z軸與工件軸線平行。XbZ平面為水平面，從a點運動到b點，相對XbY平面在Z軸方向上有一個偏移量n，當工作臺橫向進給距離n后，工件端面的外緣才與砂輪接觸，所以工件端面被磨成內凹面。應盡量保證頭架與尾架兩頭一樣高，此時零件的端面應為射線狀花紋。在外圓磨床上使用此種方法磨削內凹面，機床的砂輪架需有可調整角度的功能，且機床操作較為復雜，需進行多次調整，且調整的內凹量較大(為0～0.03 mm)。

圖6　砂輪架偏轉工件水平磨削內凹面

3.3砂輪架與工件同時偏轉

綜合上述2種情況，可在砂輪架與工件同時偏轉一定角度時磨削內凹面，但是以砂輪架與工件同時偏轉的方法磨削內凹面，機床調整找正困難，使用不方便，在生產(chǎn)現(xiàn)場很少應用。

4在端面外圓磨床上進行內凹端面的磨削

端面外圓磨床結構本身就是砂輪軸心線與工作臺成一斜角，修整砂輪與圖6a所示形式相同后，磨削端面時，采用縱磨法和斜向切入法都可進行內凹端面的磨削。磨削與圖6所示原理相同，所以磨削出的也是內凹面；但是使用該種方法需要進行大量的修砂工作，磨削的過程中，砂輪磨損快，需多次重復對刀，不適合高精度或批量生產(chǎn)[6]。

對于端面外圓磨床，實際加工中往往將砂輪修整出一個小端面(見圖7b)，小端面的寬度B為1～2 mm，這個小端面水平方向上的磨削母線與工件旋轉軸線垂直時，磨出的端面是平面，不會產(chǎn)生內凹，這是因為雖然砂輪磨削面上任意點從工件端面外緣線位置運動到水平位置的過程中會使工件端面產(chǎn)生內凹外凸；但是隨著工件的旋轉，這些外凸點運動到水平位置上時又都被磨削母線上的砂輪點所磨去，磨削面的凹凸是由砂輪端面水平磨削母線相對與工件旋轉軸的偏轉角度所決定的，水平磨削母線與工件旋轉軸線垂直，磨削出的平面就是垂直于工件旋轉軸線的平面[7]。因此，要實現(xiàn)工件端面內凹，需將砂輪的水平磨削母線修整為與工件旋轉軸線有適當?shù)膴A角β，此時通過三角函數(shù)可得工件端面的內凹量n=w·tan(90-β)。首件加工完成后，經(jīng)過測量再進行微量的調整，此方法在端面外圓磨床上應用方便，機床調整容易操作。

圖7　端面外圓磨床磨削內凹面

5結語

綜上所述，可以得出如下結論。

1)在外圓磨床上采用縱磨法磨削端面時，將工件的旋轉軸線逆時針偏轉一定的角度，將砂輪修成碗狀，可磨削出內凹端面。應按測量結果多次調整機床，其操作容易，磨削花紋為網(wǎng)紋狀，該種方法應用較為廣泛。

2)在外圓磨床上采用縱磨法磨削端面時，將砂輪架順時針偏轉一定角度，可磨削出內凹端面；但有些設備不支持此種功能，并且操作困難。

3)在外圓磨床上采用縱磨法磨削端面時，將工件的旋轉軸線與砂輪架同時偏轉一定角度，也可以磨削出內凹端面，該種情況應用較少。

4)在端面外圓磨床上磨削端面時，將砂輪水平方向的磨削母線修整為與工件端面有適當?shù)膴A角，可使端面產(chǎn)生內凹，該種方法應用也較為廣泛。

參考文獻

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[2] 鐘建琳，沈山山，米潔. 外圓磨削過程穩(wěn)定性預測研究[J].制造業(yè)自動化，2014(13)：48-51.

[3] 于鳳麗. 細長軸磨削加工的關鍵技術研究[J]. 機械設計與制造，2014(10)：240-242.

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[5] 韓榮第，于啟勛. 難加工材料切削加工[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[6] 李廈，李郝林. 切入磨削與縱向磨削的磨削力分析與比較[J]. 中國機械工程，2012(3)：269-272.

[7] 陳智平，譚弘瑞，王清標，等. 數(shù)控端面外圓磨床成形砂輪的修整方法[J]. 新技術新工藝，2012(11)：4-6.

責任編輯鄭練

Process Analysis and Research High-precision Surface Grinding Stepped Shaft

ZHAO Xinglong, XU Min, YUE Jianlong, LAI Wenfeng

(Xi′an Aero-Engine Controls Co., Ltd., Xi′an 710077, China)

Abstract：As a kind of precision grinding machining method, it is mainly used to ensure the accuracy of the workpiece in size and shape and surface integrity. Through the high precision step shaft parts grinding, cylindrical grinding machine are introduced including the difference between the shaft grinding machine and inclined shaft frinding machine, then analyze the two kinds of grinding method. For high precision step shaft end face grinding process under different cutting conditions for surface quality of parts, we can get grinding result in a change to the decorative pattern, concave and convex. Present the outer grinder to use the longitudinal and transverse cylindrical grinder, grinding wheel dressing for horizontal grinding busbar with the workpiece end facing a proper angle. It can process the end face of the concave part to ensure the product design requirements.

Key words:cylindrical grinder, concave end face, cutting test, cut feed, surface patterns

收稿日期：2015-01-21

作者簡介：趙興龍(1982-)，男，工程師，主要從事難加工材料車削、磨削及齒輪等方面的研究。

中圖分類號：V 26

文獻標志碼:A