薄壁磨盤關(guān)鍵加工工藝研究

陳曉強(qiáng) 張 毅 牛俊凱 時(shí)云鵬 李國(guó)偉 閆道恒（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州450001）

在對(duì)薄壁磨盤類工件進(jìn)行加工時(shí)，基體端面易因?yàn)榧庸?yīng)力釋放、及砂輪塊和基體結(jié)合面的應(yīng)力釋放導(dǎo)致薄壁磨盤發(fā)生變形，造成產(chǎn)品的形位公差、形狀公差等不能夠滿足圖紙要求，亦不能夠滿足客戶使用情況。薄壁磨盤若出現(xiàn)端面不平的情況，客戶上機(jī)磨削工件會(huì)出現(xiàn)平面度超差、粗糙度超差等問題。薄壁磨盤的形位公差、形狀公差是否合格是薄壁磨盤質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵因素之一，同時(shí)也是薄壁磨盤加工的難點(diǎn)之一。

1 薄壁磨盤工藝分析

圖1 所示為薄壁磨盤，屬于薄壁類產(chǎn)品，薄壁磨盤基體厚度3mm，基體材質(zhì)為65Mn,要求硬度HRB30-32，平面度要求0.03mm，平行度要求0.04mm，基體要求粗糙度Ra1.6，基體上面布局著180 個(gè)金屬結(jié)合劑砂輪塊，砂輪塊直徑φ10，厚度5.3，結(jié)合劑型號(hào)為H，金剛石粒度為120#。

圖1 工件圖紙

表1 原材料屬性

65Mn 一般熱處理工藝為：淬火處理，溫度830℃，淬火劑:油，回火溫度540℃，力學(xué)性能優(yōu)良。

難點(diǎn)分析：

直徑厚度比大，直徑φ300：3=100:1，端面布置180 個(gè)砂輪塊，亦基體需要開180 個(gè)槽，基體端面開槽一般采用銑削的方式進(jìn)行，鑒于基體壁薄，銑削會(huì)導(dǎo)致在基體應(yīng)力集中、變形，槽內(nèi)部還需粘接砂輪塊，也使得一定的粘接應(yīng)力造成基體存在內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致基體無法保證平面度砂輪，最終無法滿足薄壁的平行度。

結(jié)合磨盤特點(diǎn)，采用逆向思維的方式，運(yùn)用自頂向下的方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工情況，以磨盤基體內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生和消除為線索，對(duì)磨盤的加工工藝進(jìn)行分析優(yōu)化。

擬定制工藝：

擬定工藝路線：下料→調(diào)質(zhì)處理→粗車→磨削→熱處理→銑→鉗→磨削→熱處理→檢測(cè)→粘接→鉗→磨削→檢測(cè)

以內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生、消除、轉(zhuǎn)換等作為工作的重點(diǎn)。最終以消除內(nèi)應(yīng)力為目的，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。論文主要針對(duì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力較突出的工序進(jìn)行分析、優(yōu)化。

為在加工中檢測(cè)薄壁基體的變形情況，論文將薄壁磨盤劃分為縱向劃分成外、中、內(nèi)分別是A、B、C 三個(gè)區(qū)域；按照坐標(biāo)象限劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)區(qū)域。

如下圖所示：

圖2 磨盤區(qū)域劃分圖

2 車削應(yīng)力分析

傳統(tǒng)車削加工主要采用三爪卡盤、四爪卡盤進(jìn)行加持，以三爪卡盤為例，當(dāng)基體貼平卡爪并加緊時(shí)，基體相對(duì)于卡盤有三個(gè)支撐點(diǎn)，同時(shí)受到F1、F2、F3 三個(gè)法向力，車削受力情況如圖2、3 所示。

圖3 車削受力圖

圖4 工件加持受力圖

圖5 工件受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)作用在刀具上的切削合力F 分解為相互垂直的切削力Fc、進(jìn)給力Ff、背向力Fp，結(jié)合作用力是相互的原理，如圖1 所示，分析可得，作用到工件上的合力為F'。在實(shí)際加工過程中，因薄壁基體強(qiáng)度低，支撐點(diǎn)少，切削點(diǎn)相對(duì)三個(gè)支撐點(diǎn)的力臂在一直改變，如圖3 所示，對(duì)于薄壁工件，車削處于不穩(wěn)定狀態(tài)，車削產(chǎn)生振動(dòng)，車削熱不易散去，導(dǎo)致基體變形嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)將無法進(jìn)行正常車削。

根據(jù)以上分析可知，為實(shí)現(xiàn)車削的穩(wěn)定進(jìn)行、減少內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，需從增加工件的支撐面、減少車削振動(dòng)、降低車削熱等方面進(jìn)行改善。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工情況，采用電磁吸盤吸持的方式來增加工件加工時(shí)的支撐面，對(duì)比分析，采用吸盤吸持加工后，降低了加工時(shí)的振動(dòng)，通過薄壁基體和吸盤貼合面的增加，工件在加工時(shí)候的散熱能夠快速通過吸盤帶走一部分，實(shí)現(xiàn)了工件的穩(wěn)定加工。

采用同樣的車削參數(shù)，用三爪卡盤和吸盤做為加持工裝進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)用平面度儀檢測(cè)基體的平面度的各處的最大值結(jié)果，如表2、3。

圖6 應(yīng)力最大值1

圖7 應(yīng)力最大值2

由試驗(yàn)效果可知，采用吸盤做為車削薄壁基體的支撐，整體變形變小，殘余內(nèi)應(yīng)力明顯減少，分析主要優(yōu)點(diǎn)：有助于散熱，提高工件的導(dǎo)熱率，切削溫度下降快，降低切削溫度、減少切削熱，提高刀具耐用度，降低因切削熱引起內(nèi)應(yīng)力及變形。

3 銑削路徑分析

在銑削過程中，借鑒車削增加支撐面的方式，采用吸盤對(duì)工件吸持后進(jìn)行銑削加工，基體端面布局著180 個(gè)槽，將180 個(gè)槽簡(jiǎn)化為180 個(gè)應(yīng)力產(chǎn)生點(diǎn)，控制180 個(gè)應(yīng)力點(diǎn)的出現(xiàn)順序，通過應(yīng)力點(diǎn)相互作用，實(shí)現(xiàn)降低銑削過程對(duì)基體的應(yīng)力集中。

在銑削前熱處理工序中，已將前道工序中車削、磨削的殘余應(yīng)力消除大部分，經(jīng)銑削后，通過平面度儀檢測(cè)基體的平面度各處的最大值。

從檢測(cè)圖表分析可知，軌跡2 變形量最小，因此，工藝采用軌跡2 進(jìn)行加工，優(yōu)點(diǎn)分析：采用內(nèi)外整圈交替銑削，在加工過程中，工件散熱較好，且加工點(diǎn)的交替受力，降低了殘余應(yīng)力。

4 粘接優(yōu)化分析

圖8 三種銑削軌跡

圖9 應(yīng)力最大值3

圖10 應(yīng)力最大值4

薄壁基體經(jīng)熱處理后，前面加工工序產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力消除殆盡，為避免在粘接過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力或者盡量小的產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此需要對(duì)膠黏劑的選擇及粘接工藝進(jìn)行研究。

磨盤主要用于粉末冶金件的端面磨削，長(zhǎng)期浸泡在磨削液環(huán)境中，同時(shí)在磨削中產(chǎn)生一定的熱量。粘接對(duì)象為65Mn 和金屬結(jié)合劑砂輪塊，金屬結(jié)合劑砂輪塊主要為銅錫燒結(jié)而成，可以借鑒金屬- 金屬粘接進(jìn)行膠黏劑。磨盤采用圓形塊和淺槽配合的嵌接形式；受力主要受工件的壓應(yīng)力和磨削應(yīng)力，粘接面為直徑φ10mm 的圓形。

表2 膠黏劑特征表

綜合分析膠黏劑的特點(diǎn)，結(jié)合無機(jī)膠黏劑有不收縮、可室溫固化的特點(diǎn)，從粘接應(yīng)力的方向出發(fā)，擬采用無機(jī)膠黏劑對(duì)砂輪進(jìn)行粘接固化。但在加工過程中，齒的高度有一定的誤差，且槽深亦有區(qū)別，需對(duì)塊進(jìn)行加壓固化，對(duì)比薄壁基體加壓不均勻也會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，因此，需對(duì)加壓過程進(jìn)行分析優(yōu)化。

采用大理石平板做為載體，將磨盤底部放置到平臺(tái)上，在保證粘接強(qiáng)度的情況下，同時(shí)保證薄壁基體槽在受壓均勻，避免因?yàn)槭芰Σ痪鶆虍a(chǎn)生翹曲、變形的情況，擬采用在加壓蓋板與砂輪塊中間墊介質(zhì)的方法。主要選用的介質(zhì)為：5mm 硅膠墊、5mm 聚氨酯、5mm 橡膠皮。分布采用介質(zhì)進(jìn)行加壓固化，同時(shí)分布采用5KG、10KG、20KG 加壓固化，測(cè)量固化后最大變形量。

表3 應(yīng)力最大值

經(jīng)對(duì)比分析可知，采用硅膠墊，加壓20KG 固化，薄壁砂輪的變形量最小，能夠達(dá)到薄壁砂輪平面要求。

5 結(jié)論

薄壁磨盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但加工變形大，通過分析加工工序，采用自頂向下的思路，以內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生和消除為突破口，重點(diǎn)分析并優(yōu)化了車削、銑削、粘接環(huán)節(jié)的工藝，降低了工序中內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)，保證了薄壁磨盤的產(chǎn)品質(zhì)量，為同類型產(chǎn)品的加工提供了思路，具有很好的示范作用。