珩孔砂條應力分析和壽命提升

■ 一汽轎車發傳中心 （吉林長春 130013） 孫銀軍 沈洪洋

我廠使用Gehring珩孔機床加工DCT變速箱從動齒輪內孔，在珩孔加工過程中，珩磨砂條邊緣會出現不同程度的破損，如圖1所示，其四周邊緣破碎明顯，且圓周一側較另一側破碎嚴重。不完整的刀具刃口影響產品質量穩定性和砂條使用壽命，目前刀具壽命約1 500件，單件加工成本較高。由于珩磨余量較小，在珩磨初始過程中，砂條不可能得到充分的修整。同時切入和切出時的磨損不同，引起砂條形狀的不對稱性，局部的凸起易引起應力集中。完整的切削刃在零件孔壁均勻去除一定量的金屬材料，形成一定角度的網紋和良好的內孔表面質量；不完整的切削刃容易引起應力突變和應力集中，引起裂紋萌生和長大，極端情況發生破碎以釋放應力。

圖1顯示了砂條破碎的情況，圖1b和1c分別為砂條圓周邊界的放大圖，圖1b可見明顯的連續斷裂缺口和表面縱向裂紋，同時有清晰的圓周方向的加工紋理；圖1c可見微小的斷裂缺口，無表面裂紋，同時有清晰的軸向方向加工紋理。其加工紋理的差異表明，在珩磨過程中砂條磨損的差異性和不均勻性。由于砂條邊緣破碎嚴重影響連續加工和刀具壽命，鑒于圖示圓周方向砂條破碎嚴重，此文對砂條圓周方向的破碎進行分析和驗證。

圖1 砂條邊緣破碎的照片

為改善砂條破損的情況，筆者從珩磨頭砂條貼靠零件孔壁和磨削孔壁過程分析砂條曲面和其邊緣過渡邊界應力分布情況，建立砂條三維模型。按曲面網格化模型，模擬各工況分析其應力分布情況，通過加密有限元網格來使分析結果向正確解逼近。依據分析數據找到合理的砂條模型和修整策略，避免應力集中引起珩孔砂條失效。

1. 珩磨砂條受力情況

在貼靠過程中，砂條受靜態的徑向力作用，如圖2a所示；珩孔機在加工零件的過程中，珩磨砂條做徑向運動、軸向往復運動和圓周旋轉運動的疊加運動，砂條受軸向動態交替的力、徑向力和切向力等復合力共同作用，如圖2b所示。

圖2 珩磨頭貼靠和加工時其受力示意

2. 珩磨砂條的建模和應力分析

由于砂條規格尺寸一致，且在圓周均布，所以只對一條砂條建模分析其應力分布。按圖3所示規格建立三維模型，按曲率網格化模型，加載作用力得到應力應變模型。

分別在砂條模型曲面邊緣圓弧過渡端面邊界L1沿軸向建立感應器，在模型曲面邊緣圓弧過渡曲面邊界L2沿軸向建立傳感器；分別按砂條在貼靠與加工過程中的受力狀態和砂條邊緣修形圓角R（R分別取0.1mm、0.2mm和0.3mm），在復合力作用下，砂條的各傳感器的數據匯總如圖4、圖5所示。

圖3 珩孔砂條三維模型和應力云圖

圖4 顯示了砂條受徑向貼靠力時，砂條圓周方向兩側邊緣應力曲線的變化。隨著圓周方向邊界修形圓弧半徑的增加，圖4a顯示，端面邊界的應力突變減小，曲線逐漸平穩，波峰和波谷差值收窄，峰值減小約70%，平均值減小約50%；圖4b顯示，曲面邊界應力較平穩，未現明顯峰值，波峰和波谷差值收窄，平均值減小約10%。砂條邊界曲率越平滑，其受徑向力作用后，其邊界應力分布越均勻一致，說明邊界圓滑過渡能明顯減小應力突變和應力集中。

圖5顯示在珩磨過程中，砂條切入位置應力大于切出位置應力，曲面邊界應力降低37%，端面邊界應力降低20%；所有曲面邊界應力都隨著過渡圓弧的增加而降低，在切入位置的砂條邊緣應力最大，當圓弧半徑R＝0.2mm時的應力比圓弧半徑R＝0.3mm時的應力高約80%，當圓弧半徑R＝0.1mm時的應力比圓弧半徑R＝0.3mm時的應力高約500%；圖5a和圖5b顯示切入位置的應力曲線，應力隨圓弧變化明顯，表明大圓弧過渡有利于減小應力集中和應力突變。圖5c和圖5d顯示切出位置的應力曲線，應力隨圓弧變化不明顯，表面切出位置應力較小，無應力集中的情況。

3. 試驗數據和結論

圖4 在貼靠過程中砂條曲面圓弧過渡邊界應力分布

圖5 在磨削過程中砂條曲面圓弧過渡邊界應力分布

綜上數據分析發現，隨著砂條邊緣過渡圓角大小的差異，珩磨砂條在貼靠和磨削過程中，砂條邊界應力分布呈現如下規律：

1）在貼靠過程中，砂條圓周邊界應力隨過渡圓弧增大而減小，應力分布均勻，應力突變和應力集中情況減小。

2）在珩磨過程中，砂條圓周邊界應力隨過渡圓弧增大而減小；砂條切入位置應力明顯大于切出位置應力。

結合以上規律，珩孔砂條曲面珩磨零件孔壁過程中，砂條邊緣逐漸銳化，砂條尖銳的過渡容易產生應力集中，所以需要人工修整砂條邊緣，邊緣圓滑過渡可以有效減少砂條邊緣處的應力集中和突變，防止砂條邊緣擠壓開裂和破碎的風險。同時單一的順時針旋轉珩磨引起砂條不均勻磨損，不對稱的輪廓在貼靠和珩磨過程中受力不均勻，凸起的局部位置容易產生應力集中，所以需要周期性切換珩磨旋轉方向，利于砂條均勻磨損。

我廠按如上分析結果，用油石修整砂條邊緣R0.2mm，連續加工過程中，1 000件修整一次砂條邊緣，同時10件換一次珩磨旋轉方向。應用新工藝后，砂條邊緣破碎情況明顯改善，砂條脫落情況不再發生，一組砂條加工約1萬件產品且內孔質量穩定，和以前相比刀具壽命明顯提高。此次改善降低單件珩磨成本，提高設備可動率，綜合效益明顯。