高精度大跨距同軸孔的精密研磨加工

□ 馬順剛 □ 陳智明 □ 郭 進 □ 余 倫

中國科學院 光電技術研究所 成都 610209

1 高精度大跨距同軸孔加工現狀

高精度大跨距同軸孔的加工精度直接影響設備或部件的裝配質量,進而影響整機的性能和壽命。對于高精度大跨距同軸孔的加工,在精密鏜床上通常采用鏜模鏜孔法、調頭鏜孔法、同軸孔研磨、懸伸鏜孔法和支撐鏜孔法等。

1.1 鏜模鏜孔法

王克武[1]在箱體大跨距等直徑同軸孔系的精密加工中,采用鏜模鏜孔法對跨距為305 mm、孔徑為100 mm的同軸孔進行加工,軸承孔尺寸精度達到H6級,同軸度為0.02 mm,生產效率較高,比較適合孔數較多的零件,能滿足精度等級IT6、表面粗糙度Ra為3.2 μm的要求。鏜模鏜孔法如圖1所示。

1.2 調頭鏜孔法

王禮美等[2]在主軸箱高同軸孔系加工中,從零件材質與精鏜余量、精鏜前道工序內孔尺寸形狀控制、夾緊力與熱變形影響、鏜軸對孔影響等方面，對大跨距同軸孔加工精度進行了分析與工藝優化,采用調頭鏜孔法對各跨距同軸孔進行加工,能滿足精度等級IT5、表面粗糙度Ra為3.2 μm的要求。調頭鏜孔法如圖2所示。

▲圖1 鏜模鏜孔法▲圖2 調頭鏜孔法

1.3 同軸孔研磨

王樹芝[3]在軸向柱塞泵變量機構殼體的同軸孔加工中,采用了自脹式同軸孔研磨工具進行研磨。同軸孔加工后，表面粗糙度Ra可達到0.2 μm，同軸度小于0.005 mm，內孔錐度在0.003～0.005 mm之間。對于分離式研磨套,可通過彈簧調節其與零件內孔的松緊,但無法對研磨套外表面的形狀進行精確修研。

1.4 懸伸鏜孔法和支撐鏜孔法

懸伸鏜孔法和支撐鏜孔法[4-5]所采用的鏜刀刀桿較長,導致鏜桿剛度低、易振動,很難保證鏜孔精度。

2 典型零件

軸承座零件如圖3所示，這一軸承座零件具有兩個明顯的特點。軸承座采用2A14鋁合金,對同軸度要求高的φ100 mm內孔，采用GCr15軸承鋼襯套,與鋁合金基體采用過盈配合,過盈量達到0.02～0.025 mm。兩內孔間距約為300 mm,兩孔圓柱度要求為0.003 mm,孔單基準同軸度要求為0.003 mm,其精度等級已經達到IT1級,表面粗糙度Ra要求為0.1 μm,要求極高。

▲圖3 軸承座零件

裝配前,鋼套各表面在MG1432A精密磨床上加工完成,內外圓圓柱度、同軸度均小于0.003 mm。軸承座上的同軸孔在DiXi1200精密鏜床上加工,兩孔同軸度小于0.005 mm。

鋼套與軸承座裝配后效果如圖4所示。采用文獻[6]方法,對軸承座和鋼套進行過盈量分析和過盈變形ANSYS有限元分析，發現由于軸承座和襯套結構剛度的各向異性,裝配后內孔產生橢圓和錐度變形,圓柱度降低至0.02～0.03 mm。軸承座和襯套的實際裝配結果也驗證了這一點。由于襯套淬火后洛氏硬度(HRC)達到55～58,采用前述五種加工方法無法同時滿足形位精度和表面粗糙度要求。對此,在分析零件精度特征的基礎上,通過精密研磨兩內孔,滿足圓柱度、同軸度均小于0.003 mm,表面粗糙度Ra為0.1 μm的要求。

▲圖4 鋼套與軸承座裝配效果

3 精密研磨加工

3.1 理論基礎

零件內孔在精密磨削后,會存在多種諧波成分。通過對諧波成分進行分析,可以有目的地消除或減小某些較大的諧波分量對圓度誤差的影響,進而提高內孔圓度。

R(θ)=R0+R1cos(θ+θ1)+R2cos(2θ+θ2)

+…+Rncos(nθ+θn)+…

(1)

式中:θ為任意一點半徑方向與水平方向的夾角；R0為平均半徑；Rn為n次諧波分量的幅值；θn為n次諧波的相角。

▲圖5 零件內孔截面輪廓曲線

假設圖5中存在這樣一個O點,當以O點為極坐標的零點時,式(1)可以簡化為：

(2)

此時,R1cos(θ+θ1)=0,O點即為圓度輪廓的中心。以O為中心,R0為半徑的圓為參考圓,則圓度誤差值ΔK(θ)為:

(3)

圓度誤差ΔK(θ)同時可表示為:

ΔK(θ)=ΔK(θ)max-ΔK(θ)min

(4)

式中:ΔK(θ)max為最大圓度誤差值；ΔK(θ)min為最小圓度誤差值。

式(1)中，R(θ)的各項諧波分量并不都是圓度成分。零次項為圓度曲線的參考圓半徑,一次諧波分量為圓度輪廓曲線的偏心量,二次及以上諧波分量才屬于圓度誤差成分。

根據目前所積累的資料,采用端面定位磨削內孔后,在內孔截面圓度誤差成分中,15次及以下諧波分量占90%以上。由于研磨時研磨工具外圓與零件內孔接觸良好,因此研磨后諧波成分幅值顯著下降,從而減小了圓度誤差。

3.2 傳統研磨工具

對于同軸孔的研磨[7-9],一般采用如圖6所示傳統可調式研磨工具研磨內孔。使用這一工具，最重要的一點是保證研磨套內錐面與芯軸外錐面的有效配合。采用傳統可調式研磨工具研磨同軸孔簡圖如圖7所示。

▲圖6 傳統可調式研磨工具▲圖7 傳統可調式研磨工具研磨同軸孔

采用傳統可調式研磨工具研磨軸承座的同軸孔時,存在一些問題。錐套壁厚一般為5～10 mm，壁厚太厚會導致調節余量不足,壁厚太薄會導致剛度不足。當錐套長度與錐套外圓的比值大于2時,因錐套內錐面的母線直線度、圓度較差,會使錐套與芯軸的相對接觸面積遠小于90%。調節螺母增大或縮小錐套外圓直徑時,由于錐套外圓會產生不規則變形,因此無法提高錐套外圓的圓柱度,也就無法滿足孔距與孔徑比大于2的同軸孔的精密研磨。此外，兩孔尺寸差較大時,無法分別修正兩孔的尺寸精度。

3.3 研磨工具改進

針對傳統可調式研磨工具無法提高軸承座大跨距同軸孔精度，兩孔尺寸精度也較難保證的問題，筆者對傳統可調式研磨工具進行了改進,如圖8所示。

▲圖8 改進后研磨工具

改進后的研磨工具由兩個可調式研磨工具串聯而成,其連接處采用大過盈裝配。采用改進后的研磨工具對內孔進行研磨時需要注意三點。因內孔調節需要,研磨套須在內錐面磨削加工后,進行軸向開槽。芯軸與研磨套配合的內錐面在精密內外圓磨床上配磨,達到80%接觸,再配合研磨,保證與研磨套內錐面的相對接觸面積大于90%。錐套的內錐面采用1∶30錐度,可兼顧工具調節的分辨率與脹大或縮小的均勻性[10]。

由于研磨套內錐面與芯軸外錐面的緊密貼合,以及錐套調節結構與跨距無關,使調節螺母脹大研磨套外圓后,研磨工具兩端外圓仍能保證0.002 mm的同軸度。研磨套脹大后與外圓圓度的橢圓長軸方向保持一致,使同軸孔在研磨加工時的研磨量一致,進而保證大跨距同軸孔的同軸精度。改進后研磨工具研磨軸承座同軸孔簡圖如圖9所示。

▲圖9 改進后研磨工具研磨軸承座同軸孔簡圖

3.4 注意事項

(1) 研磨劑。研磨劑由金剛砂、煤油、石蠟油、硬脂酸、動物油按一定比例配合而成,可減小內孔表面粗糙度值，防止研磨工具發熱后劃傷表面。其中,金剛砂的粒度對表面質量起至關重要的作用。

(2) 研磨工具的修研。修研研磨工具外圓時,實測機座尺寸,再調整研磨工具的外圓尺寸,保證其與機座內孔間隙在0.005～0.007 mm之間。修研后研磨工具兩端外圓錐度小于0.001 mm,圓度小于0.002 mm。將研磨工具裝入機座內孔時,調節工裝外圓尺寸,使研磨工具的外圓與零件內孔的間隙在0.05～0.07 mm之間,便于輕松裝入工件。

(3) 研磨工藝參數。研磨工具裝入機座內孔后,在工具外圓上均勻涂抹M3.5研磨砂,并擰緊工具。擰緊力度以偏緊為宜,且根據內孔長短軸的誤差方向,相應調整內孔的受力。未加研磨劑前,用表測量研磨工具外圓尺寸和零件內孔尺寸,使研磨工具內孔和零件外圓之間的間隙控制在0.005 mm左右。將機床轉速控制在30 r/min左右,使研磨零件左右竄動,速度適中即可。研磨時間根據內孔直徑、內孔長度、溫度、材質、松緊度等各因素綜合考慮。

(4) 防止喇叭口產生。研磨時,根據零件內孔錐度誤差值的大小,將零件整體掉頭,改變方向,均勻涂抹研磨劑,并及時擦除工具外圓研磨面兩端多余的研磨劑,防止產生喇叭口。

(5) 一端孔不去量時的研磨。同軸孔加工中,當其中一個孔尺寸滿足要求,另一端還需繼續加工時,可將不加工的內孔與研磨工具外圓的間隙控制在0.005 mm以內,并均勻涂抹潤滑脂,保護內孔,另一端內孔加研磨劑進行研磨。

4 結束語

大跨距同軸孔采用改進后的兩端可調式研磨工具進行精密研磨后,圓度可達到0.001～0.003 mm，圓柱度可達到0.003 mm，同軸度可達到0.001～0.002 mm，表面粗糙度Ra小于0.1 μm。

采用精密研磨的工藝方法,可以獲得優良的形位精度、尺寸精度和粗糙度,在孔距為200～1 000 mm的同軸孔精密加工中,獲得了成功的應用。