趙興龍，徐　敏，岳劍龍，賴文峰

(西安航空動(dòng)力控制科技有限公司，陜西 西安 710077)

高精度臺(tái)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(dòng)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(tái)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(jī)床的磨削方式；對(duì)高精度臺(tái)階軸端面在不同切削工況下磨削得到的零件表面質(zhì)量、磨削產(chǎn)生的花紋和端面的凹凸變化進(jìn)行了研究，總結(jié)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(guò)程及出現(xiàn)內(nèi)凹的情況，認(rèn)為在外圓磨床上使用縱向磨削將砂輪架偏轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)膴A角，都可以加工出零件端面的內(nèi)凹，并可滿足產(chǎn)品的圖樣要求。

關(guān)鍵詞：外圓磨床；內(nèi)凹端面；切削試驗(yàn)；切入進(jìn)給；表面花紋

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械零件的精度和表面質(zhì)量要求也越來(lái)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(huì)出現(xiàn)內(nèi)凸或內(nèi)凹的現(xiàn)象，而在一般情況下，適量的內(nèi)凹是允許或被要求的，內(nèi)凸則是不允許出現(xiàn)的[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)零件的磨削進(jìn)行了多方面的研究，包括研究了磨削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、表面粗糙度和磨削的表面完整性，得到了采用較小的進(jìn)給量和切削深度，可以使表面粗糙度、殘余應(yīng)力和加工硬化減小的結(jié)論，但是針對(duì)零件端面磨削卻鮮有研究；因此，本文運(yùn)用切削試驗(yàn)的方法，對(duì)某一加工產(chǎn)品在不同工況切削試驗(yàn)中的切削參數(shù)和砂輪架角度進(jìn)行了對(duì)比分析，通過(guò)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(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷更新和提升，對(duì)零件的要求也越來(lái)越高，齒輪類零件作為傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械元件，支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件并與之一起回轉(zhuǎn)，以傳遞運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)矩或彎矩，在整個(gè)傳動(dòng)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(zhì)量、生產(chǎn)效率和加工成本等。38CrMoAlA是一種高級(jí)氮化鋼，主要用于具有高耐磨性、高疲勞強(qiáng)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(jìn)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(duì)零件進(jìn)行了磨削加工，氮化后進(jìn)行精磨削加工，磨削余量為0.05～0.08 mm，最終應(yīng)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(guò)程中，工件安裝在2個(gè)頂尖的中心之間，砂輪旋轉(zhuǎn)是引起切削旋轉(zhuǎn)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(shè)備，用于成批軸類零件的端面、外圓及圓錐面的精密磨削(見(jiàn)圖2a)；而端面外圓磨床是外圓磨床的一種變形機(jī)床，是斜砂輪架斜向切入進(jìn)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(jiàn)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(shí)際坐標(biāo)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(jī)械結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別是端面外圓磨床砂輪架與工作臺(tái)導(dǎo)軌構(gòu)成一定的角度，其作用是在磨削工件端面時(shí)，砂輪主軸系統(tǒng)能夠受力[3]。這種磨床的布局形成和運(yùn)動(dòng)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(shí)際坐標(biāo)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(tái)絲杠Z軸方向垂直。而斜軸磨床的實(shí)際坐標(biāo)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(tái)絲杠V(Z)軸方向不垂直，而形成一個(gè)夾角θ。當(dāng)砂輪架沿U軸運(yùn)動(dòng)一段距離A后，就相當(dāng)于砂輪架沿X軸運(yùn)動(dòng)了Acosθ，沿V(Z)軸運(yùn)動(dòng)了Asinθ。

3在外圓磨床上進(jìn)行內(nèi)凹端面的磨削

在外圓磨床上進(jìn)行端面的磨削一般采用縱磨法，即磨削時(shí)，砂輪的高速旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、工作臺(tái)的往復(fù)縱向運(yùn)動(dòng)和砂輪的橫向周期性間歇進(jìn)給為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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(jìn)給，外圓上的磨削余量經(jīng)多次橫向進(jìn)給后被磨去。在外圓磨床上，當(dāng)砂輪的旋轉(zhuǎn)軸線與工件的旋轉(zhuǎn)軸線為水平相交狀態(tài)時(shí)，會(huì)磨出內(nèi)凹端面，在加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)3種情況：1)工件的旋轉(zhuǎn)軸線逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定的角度(見(jiàn)圖4a)，砂輪保持水平；2)砂輪架順時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定的角度(見(jiàn)圖4b)，工件保持水平；3)二者同時(shí)偏轉(zhuǎn)一定的角度(見(jiàn)圖4c)。

圖4　外圓磨床磨削內(nèi)凹面的加工方法

3.1工件的旋轉(zhuǎn)軸線偏轉(zhuǎn)

為了保證設(shè)計(jì)圖樣的內(nèi)凹要求，當(dāng)工件的旋轉(zhuǎn)軸線逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定的角度(見(jiàn)圖5a)，砂輪保持水平時(shí)，應(yīng)將砂輪端面修整至碗狀，零件通過(guò)兩端中心孔安裝在2個(gè)頂尖的中心之間，工件端面內(nèi)緣的任意一點(diǎn)a與砂輪接觸時(shí)，由于工件的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)砂輪軸線存在偏轉(zhuǎn)角度α，所以工件外緣任意一點(diǎn)b旋轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)于砂輪有軸向偏移，外緣b點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至b′點(diǎn)時(shí)離砂輪最近(見(jiàn)圖5b)，偏移了距離L，但仍與砂輪有長(zhǎng)度L1的距離。隨著工作臺(tái)的縱向進(jìn)給，當(dāng)b′點(diǎn)與砂輪接觸時(shí)，a點(diǎn)處已被磨削了一定的深度，所以磨削出的端面是內(nèi)凹面(見(jiàn)圖5c)。若磨削出現(xiàn)的花紋為逆時(shí)針紋，說(shuō)明頭架高于尾架；若磨削出現(xiàn)的花紋為順時(shí)針，說(shuō)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(shí)針花紋，因?yàn)樵谕瑯拥哪ハ鳁l件下，順時(shí)針花紋的表面粗糙度值高于逆時(shí)針花紋[4]。在外圓磨床上使用此種方法磨削內(nèi)凹面，調(diào)整機(jī)床操作簡(jiǎn)單，能夠保證零件端面的表面粗糙度滿足要求；但所調(diào)整的內(nèi)凹量較少，內(nèi)凹量為0～0.01 mm，當(dāng)零件端面較大時(shí)，內(nèi)凹量可有所增加。

圖5　工件偏轉(zhuǎn)砂輪水平磨削內(nèi)凹面

3.2砂輪架順時(shí)針偏轉(zhuǎn)

為了保證設(shè)計(jì)圖樣的內(nèi)凹要求，砂輪架順時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定的角度(見(jiàn)圖6a)，工件保持水平，砂輪無(wú)須將砂輪端面修整至碗狀[5]，零件通過(guò)兩端中心孔安裝在2個(gè)頂尖的中心之間，點(diǎn)a在工件端面的外緣線處，點(diǎn)b在工件端面內(nèi)緣線處(見(jiàn)圖6b)。當(dāng)a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至b點(diǎn)的位置時(shí)，砂輪圓周上任意點(diǎn)旋轉(zhuǎn)形成的平面與工件的旋轉(zhuǎn)軸線不垂直(存在夾角α)，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6b所示。運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)，相對(duì)XbY平面在Z軸方向上有一個(gè)偏移量n，當(dāng)工作臺(tái)橫向進(jìn)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(nèi)凹面。應(yīng)盡量保證頭架與尾架兩頭一樣高，此時(shí)零件的端面應(yīng)為射線狀花紋。在外圓磨床上使用此種方法磨削內(nèi)凹面，機(jī)床的砂輪架需有可調(diào)整角度的功能，且機(jī)床操作較為復(fù)雜，需進(jìn)行多次調(diào)整，且調(diào)整的內(nèi)凹量較大(為0～0.03 mm)。

圖6　砂輪架偏轉(zhuǎn)工件水平磨削內(nèi)凹面

3.3砂輪架與工件同時(shí)偏轉(zhuǎn)

綜合上述2種情況，可在砂輪架與工件同時(shí)偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí)磨削內(nèi)凹面，但是以砂輪架與工件同時(shí)偏轉(zhuǎn)的方法磨削內(nèi)凹面，機(jī)床調(diào)整找正困難，使用不方便，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)很少應(yīng)用。

4在端面外圓磨床上進(jìn)行內(nèi)凹端面的磨削

端面外圓磨床結(jié)構(gòu)本身就是砂輪軸心線與工作臺(tái)成一斜角，修整砂輪與圖6a所示形式相同后，磨削端面時(shí)，采用縱磨法和斜向切入法都可進(jìn)行內(nèi)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(nèi)凹面；但是使用該種方法需要進(jìn)行大量的修砂工作，磨削的過(guò)程中，砂輪磨損快，需多次重復(fù)對(duì)刀，不適合高精度或批量生產(chǎn)[6]。

對(duì)于端面外圓磨床，實(shí)際加工中往往將砂輪修整出一個(gè)小端面(見(jiàn)圖7b)，小端面的寬度B為1～2 mm，這個(gè)小端面水平方向上的磨削母線與工件旋轉(zhuǎn)軸線垂直時(shí)，磨出的端面是平面，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)凹，這是因?yàn)殡m然砂輪磨削面上任意點(diǎn)從工件端面外緣線位置運(yùn)動(dòng)到水平位置的過(guò)程中會(huì)使工件端面產(chǎn)生內(nèi)凹外凸；但是隨著工件的旋轉(zhuǎn)，這些外凸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到水平位置上時(shí)又都被磨削母線上的砂輪點(diǎn)所磨去，磨削面的凹凸是由砂輪端面水平磨削母線相對(duì)與工件旋轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)角度所決定的，水平磨削母線與工件旋轉(zhuǎn)軸線垂直，磨削出的平面就是垂直于工件旋轉(zhuǎn)軸線的平面[7]。因此，要實(shí)現(xiàn)工件端面內(nèi)凹，需將砂輪的水平磨削母線修整為與工件旋轉(zhuǎn)軸線有適當(dāng)?shù)膴A角β，此時(shí)通過(guò)三角函數(shù)可得工件端面的內(nèi)凹量n=w·tan(90-β)。首件加工完成后，經(jīng)過(guò)測(cè)量再進(jìn)行微量的調(diào)整，此方法在端面外圓磨床上應(yīng)用方便，機(jī)床調(diào)整容易操作。

圖7　端面外圓磨床磨削內(nèi)凹面

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出如下結(jié)論。

1)在外圓磨床上采用縱磨法磨削端面時(shí)，將工件的旋轉(zhuǎn)軸線逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定的角度，將砂輪修成碗狀，可磨削出內(nèi)凹端面。應(yīng)按測(cè)量結(jié)果多次調(diào)整機(jī)床，其操作容易，磨削花紋為網(wǎng)紋狀，該種方法應(yīng)用較為廣泛。

2)在外圓磨床上采用縱磨法磨削端面時(shí)，將砂輪架順時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定角度，可磨削出內(nèi)凹端面；但有些設(shè)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(shí)，將工件的旋轉(zhuǎn)軸線與砂輪架同時(shí)偏轉(zhuǎn)一定角度，也可以磨削出內(nèi)凹端面，該種情況應(yīng)用較少。

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

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責(zé)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(jiǎn)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(hào)：V 26

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A