细长轴磨削加工工艺

■中航工业金城南京机电液压工程研究中心十三分厂 （江苏 211106） 唐玉洁

细长轴磨削加工工艺

■中航工业金城南京机电液压工程研究中心十三分厂 （江苏 211106） 唐玉洁

摘要：分析细长轴零件磨削加工中出现的问题及其加工工艺方案，从控制零件变形、定位基准修复、检查调整机床、砂轮及磨削参数选择等方面阐述了细长轴零件加工问题的具体解决方法和提高零件加工质量的措施，保证了零件的加工精度，提高了零件的加工质量。

细长轴是指长度与直径之比L/D≥20的轴类零件。这类零件在航空产品中应用广泛，零件的加工质量直接影响到整台产品的性能。该类零件刚性差，加工时易出现弯曲、锥度、椭圆等质量问题。现以我分厂加工的轴为例，介绍细长轴零件的磨削加工工艺以及提高其加工质量的一些措施。

1. 零件工艺性分析

我分厂加工的某产品零件轴的结构形式如图1所示，零件各配合表面尺寸精度、形位公差精度要求高，表面粗糙度值Ra=0.4mm。要满足零件技术要求，只有采取磨削加工。

零件材料为3Cr13马氏体不锈钢，这种材料韧性大、导热性差，其伸长率、断面收缩率比一般的碳钢、合金钢高。因此，不锈钢细长轴零件的磨削加工具有以下特点与困难：

（1）磨削细长轴时，由于其刚性差，产生的径向切削力和工件自重会使工件弯曲，磨出的工件呈现腰鼓形状。同时，磨削时易产生振动，出现纵向振痕，影响加工精度和质量。

（2）不锈钢的膨胀系数大，在磨削热的作用下，工件尺寸不易控制，会在圆周方向产生较大的变形，而且变形量是不均匀的。工件的形位公差很难达到要求。

（3）磨削不锈钢时的塑性变

形力和磨削力均大，产生大量的磨削热，而不锈钢低的热导率使磨削区的热量不易传出，造成磨削温度可高达1 000～1 500℃。高温使工件表面容易发生磨削烧伤、退火等现象，并形成较大的残余拉应力，甚至产生裂纹。

（4）工件在低表面粗糙度值精密磨削时，会存在表面划伤这种缺陷。主要是由于砂轮工作表面上有突出的磨粒、掉在砂轮与工件间的脱落磨粒碎屑，或磨削液中混有磨粒碎屑等杂物，以及磨削液冲刷能力不足而造成的。

图1

2. 零件加工工艺方案

根据工艺性分析，零件的加工以两端中心孔为定位基准，采用对顶磨削的方法保证零件技术要求。由于该零件刚性差，加工中易产生变形，所以在粗加工后安排时效工序，尽量消除切削力、夹紧力产生的应力和零件本身的残余应力，避免磨削时由于内应力的影响而使工件产生变形。

工艺流程为：粗车→预热处理→车加工（各面留磨削余量0.6mm）→铣两端六方→淬火、冰冷处理→研中心孔→粗磨（各面留磨削余量0.2mm）→时效处理→探伤→研中心孔→半精磨（各面留磨削余量0.1mm）→数控车加工（两处R面）→表面处理→研中心孔→精磨→检验。

3. 磨削前的准备工作

（1）校直：磨削前，工件的弯曲度应控制在0.1mm以内，否则，须进行校直。工件的校直方法有冷校直和热校直两种。冷校直后工件有内应力，后续加工中易发生变形；热校直后工件内部组织稳定，后续加工不易变形。因此，采用热校直比较理想。工件加热时一定要垂直吊挂，且缓慢加热，这样可防止因加热过快产生内应力而引起翘曲。

（2）中心孔：中心孔是磨外圆时的定位基准，它的精度直接影响加工质量，而热处理后零件的中心孔会产生变形。中心孔必须进行修研，不得有毛刺、碰伤等缺陷，表面粗糙度值Ra=0.2mm。用标准顶尖涂色检查接触面大于80%且有一连续不间断圆周，同时要求两中心孔在同一轴线上，圆跳动控制在0.001mm以内，采用高精度硬质合金顶尖。这样工件受力均匀，不易发生加工变形。

（3）调整机床：调整机床消除振源，精细平衡砂轮，隔离外来振源，以消除外界的强迫振动对细长轴的不利影响。

调整工件的预紧力，头架与尾架的距离决定了工件安装时的顶紧力。顶紧力过小，工件易产生轴向窜动，过大易使工件产生弯曲变形，可使弹簧顶尖压缩1～2mm为佳。拨盘和鸡心夹头等用双爪拨盘和双爪鸡心夹头，使工件旋转时的传动力较为平衡，从而避免了单爪传动造成工件的圆柱度误差。

（4）检查工作：检查磨床的头架与尾架的等高精度，由于头架与尾架的作用是支撑工件，所以要求两者必须等高，否则加工的工件易出现圆柱度误差。

在磨床上用两顶尖顶住工件，用百分表对工件的全长作径向跳动检查，特别对中间弯曲度最大的地方，观察其跳动量方向是否一致，然后再用千分尺检查工件的磨削余量和各项尺寸，以便在磨削过程中随时了解磨削情况。

4. 提高零件加工质量的措施

为了提高零件加工质量，可采取以下措施：

（1）砂轮的选择：我分厂在哈挺U600外圆磨床上磨削该工件。磨料选用具有较好切削性能和自锐性的陶瓷结合剂白刚玉砂轮；磨削不锈钢工件，选用中等粒度号60#的砂轮；为使砂轮具有良好的自锐性，砂轮硬度为中软1；为避免磨削时砂轮堵塞，砂轮组织选较为疏松的5～8号；砂轮与工件的接触面过大，磨削过程

中会使磨削径向力增加，导致工件弯曲变形，因此，砂轮的形状如图2所示，中间是凹形。凹形砂轮不但可以减少砂轮与工件的接触面积，且砂轮整体宽度不变，可减少细长轴在旋转中产生自激振动。

（2）切削用量的选择：从附表中可以看出细长轴磨削的几个特点。①修整砂轮的进给速度v1、切深ap均比一般磨削大，可使砂轮的表面比较粗糙，以增强切削性能。②磨削时工件的转速较低，精磨时更低，是为了减少细长轴因旋转而产生的振动。而走刀量较大，以便将一部分切向力转化为轴向力，减少径向力。③磨削切深t用双行程来达到。因工件转速低，工件表面与砂轮表面在单位时间内和单位面积上的接触就相应减少，可用往复次数来弥补。

（3）合理修整砂轮：钝化的砂轮磨削时径向力增大，易使工件产生弯曲变形，故需经常修整砂轮，使砂轮经常保持锋利和正确的几何形状，以减少径向分力。

（4）注意充分冷却：工件磨削过程中必须充分冷却，以带走大量的磨削热和进行冲刷，防止砂轮堵塞和工件表面烧伤。磨削液必须清洁，不能混入磨屑或磨粒，以免拉毛工件表面。并且需要停止砂轮时，应先关掉磨削液后再停止砂轮，使积存在砂轮内部的磨削液甩出，避免砂轮因积水而造成不平衡,从而导致工件表面出现直波纹。

（5）减少工件装夹时间：应尽量减少工件装夹在两顶尖上的时间，从而减少工件因自重产生的弯曲变形，完成磨削后，应垂直吊挂放置。

图2

5. 结语

采用以上加工工艺方法及措施，我分厂加工出的零件达到了精度要求。在细长轴的磨削加工中，首先要安排合理的加工工艺过程；其次，在磨削细长轴时要调整好机床设备，做好磨削前的准备工作，选用合理的砂轮形状及特性，及时正确地修整砂轮，再合理地选择磨削参数，可以保证零件的技术要求。

切削用量的合理选择表

参考文献：

[1] 郑文虎. 难切削材料加工技术问题[M]. 北京：北京出版社，2001.

[2] 李伯民. 实用磨削技术[M]. 北京：机械工业出版社，1996.

[3] 李洪. 机械加工工艺手册[M]. 北京：北京出版社，1990.

专家点评

该文分析了细长轴零件磨削的加工难点及工艺过程，给出了提高零件加工质量的措施。文章的优点在于合理安排工艺过程并注重加工细节，工件校直、顶尖孔研磨及机床调整等一些容易疏忽的环节都做了细致入微的准备工作，后面的磨削过程也分析得很具体，尤其是砂轮修正和切削用量的选择，最终保证了零件的技术要求。

收稿日期：（20141028）