超細長軸錠桿的磨削加工

■衡陽紡織機械有限公司 （湖南 421007） 焦賢煒

超細長軸錠桿的磨削加工

■衡陽紡織機械有限公司 （湖南 421007） 焦賢煒

通常軸的長度L與直徑d之比＞7叫長軸，L/d≥25的軸為超細長軸。超細長軸剛性較差，在車削加工過程中就會因機床及刀具等影響而易產生熱變形出現如彎曲腰鼓形、多棱形、糖糊蘆形等缺陷。對于硬度高或經過熱處理的超細長軸，因尺寸、形位公差和表面粗糙度值要求必須進行磨削，而磨削時產生的磨削力和磨削熱更容易引起工件變形，導致彎曲度、棱圓度、尺寸以及表面粗糙度值難以達到要求。因此如何解決好上述問題，便成了超細長軸磨削加工的關鍵。

1. 零件結構

圖1所示是公司高速旋轉體錠子產品中的一個關鍵零件——錠桿，相當于軸承中的軸類零件。該超細長軸材料采用GCr15，熱處理硬度62～65HRC，整根超細長軸形狀屬于對稱體，兩頭錐度方向相反，類似紡錘形。零件最大直徑為φ10.6mm，長度為327.5mm，L/d ≈ 30，是一種比較典型的超細長軸；尺寸公差最小0.008mm，圓度公差0.003mm，全長跳動0.01mm，表面粗糙度值

超細長軸錠桿的幾何形狀比較特殊，采用外圓磨削方式很難實施加工，而采用無心磨床導輪和砂輪靠模磨削成形是磨削加工錠桿的最佳方式。通過調整工件與砂輪的中心高度及調整雙靠模形狀控制細長軸錠桿的棱圓度、尺寸及表面粗糙度值等幾何參數；而磨削過程的熱變形通過砂輪、冷卻液及磨削余量等來保證超細長軸錠桿的內應力釋放以達到使用要求。Ra=0.16μm，精度要求非常高，采用通磨或外圓磨床加工難度比較大，最好采用無心磨床通過砂輪靠模和導輪靠模成形進行切入磨削。

2. 超細長軸錠桿磨削加工過程

錠桿在磨削過程中由砂輪進給→磨削→光磨三個過程組成，磨削時間在20s左右，光磨時間控制在5s左右。實質上是工件磨削的金屬表層在無數磨粒瞬間的擠壓、摩擦作用下產生變形，而后轉為磨屑，并形成光潔表面的過程。磨屑過程可分為三個階段：砂輪表面的磨粒與錠桿接觸，錠桿彈性變形的第一階段；磨粒繼續切入錠桿，錠桿進入塑性變形的第二階段；錠桿材料晶粒發生滑移，使塑性變形不斷增大，當力達到錠桿強度極限時，被磨削層產生擠裂，即進入第三階段并最后被切離。整個磨削的全過程主要表現為磨削力和磨削熱的作用，磨削時砂輪與工件間發生切削作用和摩擦作用，在砂輪和工件上分別作用著大小相等、方向相反的力，這種相互作用的力就是磨削力。磨削過程中便會因磨削力而產生磨削熱，磨削熱是磨削時產生的熱量，較車削、銑削產生的熱量大得多，當熱量轉入砂輪后便被磨削冷卻液帶走。由于砂輪是熱的不良導體，因此磨削熱量的80%轉入工件和磨屑。磨削區域的高溫瞬間可燒傷工件的表層，因此磨削時要特別注意對工件的冷卻。

3. 超細長軸錠桿磨削要素

圖1 超細長軸錠桿示意圖

磨削超細長軸錠桿零件主要由進口設備瑞典無心磨床N46/u磨削，該磨床磨削輪主軸采用雙支承滾動軸承承載負荷。由于錠桿磨削會產生磨削熱，使錠桿產生熱變形，為控制錠桿熱變形量，對超細長軸進行三道磨削即粗磨、半精磨、精磨。粗磨控制磨削量為0.2mm，半精磨控制磨削量為0.1mm，精磨控制磨削量為0.05mm來保證每磨削一次工件的內應力釋放一次，達到精磨削后應力釋放完全。而磨削要素主要有砂輪、砂輪靠模、導輪及導輪靠模、托片、送料架及冷卻液等。

（1）砂輪大小為P500mm× 315mm×605mm，材料A80P3V35，主要由磨料和結合劑粘結而成特殊的多刃磨具。在砂輪表面每cm2上約有80～1 400顆磨料，每顆磨粒相當于一個刀齒。磨粒是一種高硬度的非金屬晶體，砂輪具有較高的線速度，約35m/s左右，砂輪在磨削時除了對工件表面有切削作用外，還有強烈的擠壓和摩擦作用，在磨削區域瞬時溫度高達1 000℃左右。砂輪在磨削時，部分磨鈍的磨粒能自動落或崩碎，從而使砂輪保持良好的磨削性能。因此必須嚴格控制錠桿的磨削余量和磨削數量，保證磨削后的錠桿達到工藝技術要求。

（2）砂輪靠模是調整錠桿尺寸的關鍵。砂輪靠模由多塊成形的錐度靠模和直靠模組合而成。將砂輪靠模拼接成與錠桿形狀一致，安裝在靠模座上，然后通過修整靠模來修整砂輪并試磨錠桿，確保磨削后的錠桿尺寸與工藝尺寸相差0.1～0.2mm左右再進行精心細致的調整。由于是砂輪對超細長軸錠桿表面進行磨削，砂輪的成形好壞對錠桿的尺寸錐度要求尤為重要。因此要嚴格控制錠桿的磨削余量和磨削數量，粗磨控制在0.15～0.20mm，精磨控制在0.05～0.07mm，一次磨削200根錠桿必須修整砂輪一次。當磨削過程中錠桿尺寸發生變化時，須對砂輪靠模進行微調并修整砂輪，保證錠桿符合尺寸精度要求。

（3）導輪主要是帶動錠桿旋轉，其旋轉速度要比砂輪速度慢得多，大約200r/min。導輪的成形是由一塊整體式導輪靠模修整而成，調整要比砂輪成形簡單很多。

（4）托片是支撐錠桿并保持與錠桿成形一致的重要工裝。托片采用高速鋼W18Cr4V材料精密磨削成形，托片上兩個掛鉤槽作為料架送料夾料的空間。托片成形不好會導致錠桿在磨削中彎曲變形，因此必須在安裝前用塞尺檢測托片與標準錠桿的成形保證密貼。托片的高低有嚴格的要求，如圖2所示要求保證︱H1－H2︱≤0.3mm，以確保錠桿在磨削過程中不出現竄動現象。

（5）送料架用來上料和下料。送料架裝有定位裝置和上、下料掛鉤。當夾持好錠桿的料架送入托片后，在托片的支承下掛鉤與錠桿分離，保證定位好的錠桿在砂輪、導輪和托片的共同作用下完成磨削加工。

（6）冷卻液是保證超細長軸錠桿在磨削中熱變形釋放的重要因素。冷卻液通過大功率AB－200容量為200L/min的水泵供給，把冷卻液直接澆注在砂輪和工件接觸的地方，帶走大量的磨削熱來降低磨削區的溫度。冷卻液還具有潤滑作用，能減少工件與砂輪、導輪、托片間的摩擦，降低磨削力和磨削熱。因此冷卻液是提高加工表面質量、保證加工精度和生產效率、降低動力消耗、增加砂輪耐用度必不可少的措施。使用的冷卻液主要有金屬水劑磨削液或乳化液，金屬水劑磨削液在冷卻、潤滑、清洗、防銹、對機床床身的清潔和對操作人員的皮膚刺激等方面優于乳化液。

4. 超細長軸磨削加工的特點

該超細長軸錠桿零件由不同的錐度組合而成，在磨削過程中如何保證各部分的尺寸尤為重要。采用送料架定位方式夾持錠桿，當砂輪退刀時送入機床的托片座上（見圖3），當錠桿送到托片錐面上時，料架上的掛鉤落入托片座的掛鉤槽內與錠桿松開，導輪帶動錠桿旋轉等待砂輪的進給磨削。導輪的外形由整體式導輪靠模修整而成，砂輪的外形由與錠桿形狀一致的多塊砂輪靠模拼接修整而成，在試磨第一根錠桿時，測量對比要求的尺寸和技術要求，對砂輪靠模進行調整，達到所需要求方可進行磨削，因此導輪靠模和砂輪靠模的成形直接影響錠桿的最終成形。

圖 2

5. 超細長軸錠桿磨削加工的調整

對于超細長軸錠桿來說，磨削質量好壞主要表現在整根超細長軸的彎曲度、圓度、表面粗糙度值及尺寸要求。因此調整各加工參數是保證超細長軸錠桿質量的重要環節。主要通過以下幾方面進行調整。

（1）磨削工件中心高的選擇。工件的安裝中心高（見圖4）對磨削后工件的幾何形狀精度有很大影響，為了提高磨削工件的成圓度（縮小三棱、五棱的誤差），磨削時一般應將工件的中心高盡可能裝置高一些。但工件中心抬得過高，就會引起工件的跳動，產生軸向振紋，因此，工件的中心高度要按實際情況不致使工件在磨削時產生跳動為宜。

工件中心高可根據下列公式進行計算

式中，D導為導輪直徑（mm）；D砂為磨削輪直徑（mm）；D工為工件磨削表面直徑（mm）；γ為工件與導輪和砂輪之間的夾角，按實際經驗γ取6°～8°。

（2）根據工件中心高調整導輪修整器金剛刀位移量。金剛刀位移量可用以下公式計算

h=RH/（R＋r）

式中，h為金剛尖位移量；H為工件中心高；R為導輪半徑；r為工件半徑。

（3）修整砂輪對表面粗糙度值的影響。修整參數包括修整量μ、修整速度ν。①修整量μ：粗修μ為0.020～0.050mm，錠桿的表面粗糙度值Ra=0.32～0.63μm；細修μ取0.002～0.005mm，錠桿的表面粗糙度值Ra=0.16～0.25μm。②修整往返速度ν：粗修ν為100mm/min，細修ν為50mm/min，高精度修ν為15～25mm/min。

6. 調整與操作不當使超細長軸錠桿產生的缺陷

在磨削過程中，如果工件中心太低，則工件會產生棱圓度超差；如果工件中心太高，則工件跳動會產生小棱形，工件出口火花太強，工件易燒傷，圓度、表面粗糙度值難以達到要求，而且工件表面有螺旋紋及其他缺陷，必須進行導輪校正或將導輪架水平回轉校正；砂輪傳動皮帶跳動，工件易產生棱度，需將皮帶拉緊調試；砂輪磨損，會造成工件跳動，圓度不良、表面粗糙，嚴重時出現燒傷，磨鈍時工件會產生尖叫聲；砂輪振動大，工件表面有小棱，表面質量不佳，嚴重時工件有跳動；導輪母線與工件接觸不良，會產生錐度或工件母線不平直、工件兩端有小棱或其他缺陷，需進行導輪的校正修整；托架與導輪連接處有偏差，會產生錐度、腰鼓形或馬鞍形表面不一致。如果托片與工件不密貼，還容易造成錠桿兩頭彎的現象，俗稱“麻花”狀，就會造成細長軸錠桿的母線不直，達不到使用要求。這些問題需要在實踐過程中長期摸索才能找到解決問題的有效辦法。

圖 41.工件 2.金剛鉆 3.導輪 4.托片 5.砂輪

7. 結語

由于超細長軸在磨削加工中很容易產生熱變形，同時對機床設備和技術調整有嚴格的要求,零件幾何精度要求非常高，即使采用無心磨床切入磨削帶有錐度的超細長軸，在機械加工中也是非常難加工的。我公司在該錠子類產品核心零件超細長軸錠桿的實際生產加工中積累了寶貴的經驗。

[1] 王韜. 細長軸的車削加工[J]. 機

械工程師，1998（3）：63-64. [2] 瑞典LIDKOPING公司.LIDKOPING瑞典無心磨床機床使用說明書[E]. 瑞典：LIDKOPING公司，1989.

20141211）