超精空氣靜壓軸承體加工工藝設(shè)計(jì)

郭忠華 劉 威

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 065201)

高速空氣靜壓電主軸是一種直接依賴于靜壓氣體軸承技術(shù)、電機(jī)設(shè)計(jì)制造與高速驅(qū)動(dòng)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)控制技術(shù)的機(jī)電一體化功能部件，其原理主要是電主軸采用靜壓氣體軸承支撐，止推軸承承受軸向載荷，軸徑軸承承受徑向載荷，由變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸系統(tǒng)的零傳動(dòng)。由此可見，空氣靜壓軸承是空氣靜壓電主軸的關(guān)鍵核心零件，其加工精度直接影響電主軸的運(yùn)行功能與效率。本文就靜壓軸承的加工制造工藝進(jìn)行了詳細(xì)的分析與闡述，希望為今后類似零件的加工工藝提出參考依據(jù)。

1 軸承體圖紙分析

如圖1 所示，該軸承體材料為H68 黃銅材料，全長(zhǎng)為320 mm，整體結(jié)構(gòu)大體為空心軸類，主要精度指標(biāo):中間內(nèi)孔為Φ20 ±0.001 5 mm，其粗糙度要求0.1 μm、圓柱度要求0.002 5;外圓為，其粗糙度為0.8 μm，與內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm 的同軸度為0.005。

2 工藝流程的制定及難點(diǎn)分析

2.1 工藝流程的制定

零件材料H68 為應(yīng)用最為廣泛的普通黃銅，有良好的塑性和較高的強(qiáng)度，切削加工性能好，易焊接，但易產(chǎn)生開裂，因此毛坯采用Φ65 mm 型材棒料，先粗車外圓至尺寸Φ62 mm，車內(nèi)孔至尺寸Φ18 mm，外圓及內(nèi)孔均留有余量，再粗磨外圓，并銑削兩端45 mm×45 mm 四方及28 mm ×5 mm 槽，經(jīng)油煮定性處理后，加熱至120～140 ℃保溫12 h，以釋放粗加工所產(chǎn)生的加工應(yīng)力，處理后，半精車內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm 留研磨余量，穿心軸精車外圓留精磨余量，研磨內(nèi)孔及精磨外圓以前，穿心軸上分度頭，鉆徑向4 組8×Φ2 mm 孔并滿足技術(shù)條件，最后研磨內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm 內(nèi)孔保證粗糙度要求0.1 mm 及圓柱度要求0.001 5 mm，以內(nèi)孔為基準(zhǔn)穿心軸精磨外圓mm，保證粗糙度0.8 μm 及與內(nèi)孔Φ20±0.001 5 mm 的同軸度0.005 mm。工藝流程如圖2 所示。

2.2 加工難點(diǎn)分析

(1)該件中間內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm 尺寸公差等級(jí)為IT2 級(jí)，而且長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)320 mm，長(zhǎng)徑比為16，已屬于深孔加工系列;粗糙度僅為0.1 μm，屬于只能通過超精加工方法才能達(dá)到的暗光澤面;圓柱度要求0.002 5 mm，為形狀公差5 級(jí)。如果精加工采用磨削加工，由于深孔磨削時(shí)，砂輪與工件的接觸面積大，發(fā)熱量大，冷卻條件差，工件易產(chǎn)生熱變形，特別是磨削深孔的砂輪軸細(xì)長(zhǎng)，剛性極差，很容易彎曲變形，造成內(nèi)圓錐形誤差，而且還由于工件材料為有色金屬，易堵塞砂輪，加工較為困難，且不易達(dá)到精度要求，所以該內(nèi)孔采用金剛石高速精車留研磨余量，再通過設(shè)計(jì)的專用工裝進(jìn)行內(nèi)孔研磨，以達(dá)到內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm、粗糙度0.1 μm 及圓柱度0.002 5 mm。

3 專用工裝卡具的設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm 研磨工裝設(shè)計(jì)

由于內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5mm 的粗糙度要求0.1 μm 及圓柱度要求0.002 5 mm，是該工件的設(shè)計(jì)及加工基準(zhǔn)，同時(shí)也是其最為關(guān)鍵的工藝加工難點(diǎn)，它的精度能否達(dá)到要求，直接關(guān)系到整個(gè)零件的安裝、加工及定位基準(zhǔn)。但如此高的尺寸公差、形狀公差及超高的粗糙度要求，只能用研磨來最終完成?？紤]到加工精度、裝夾及加工效率，設(shè)計(jì)出專用可調(diào)研磨棒來完成內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm 的最終加工，原理如圖3 所示。

該工裝芯軸6 與研磨套3 靠1∶50 的小錐度接觸定位，使用時(shí)，可調(diào)節(jié)左右螺母1 和5，由螺紋的旋緊力對(duì)左右墊套2 和4 產(chǎn)生推力，依靠心軸6 的1∶50 的小錐度配合在研磨套3 上產(chǎn)生漲力。如圖4 所示，由于研磨套3 上開有直槽，因此，可調(diào)節(jié)研磨套3 的外徑大小。操作時(shí)，先調(diào)節(jié)可調(diào)研磨棒，使研磨套3 的外徑大小調(diào)到Φ20 ±0.001 5 mm，然后將可調(diào)研磨棒裝卡在精密車床上，操作者手持工件內(nèi)孔套在研磨套3 的外徑上，沿長(zhǎng)度方向反復(fù)研磨，最終達(dá)到內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm、粗糙度0.1 μm 及圓柱度0.002 5 mm 的要求。

3.2 內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm 兩側(cè)錐堵工裝設(shè)計(jì)

圖5 為錐堵工裝裝配示意圖，工件4 與兩側(cè)錐堵3和5 靠1∶ 2 500 小錐度過盈接觸定位，磨削外圓時(shí)螺母1 和墊圈2 暫不組裝(螺母1 和墊圈2 為拆卸裝置)，只將左錐堵3 與右錐堵5 緩慢壓入工件Φ20 ±0.001 5 mm 內(nèi)孔兩側(cè)，兩頂尖裝夾磨削外圓。由于工件與兩側(cè)錐堵1∶ 2 500 的小錐度過盈接觸配合沒有間隙，因此，磨削后有效地保證了內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm 與外圓同軸度0.005 mm。加工完成后拆卸錐堵時(shí)將墊圈2、螺母1 組裝，旋入螺母將左錐堵3 帶出，再用塑料棒將右錐堵5 頂出。

在加工兩端錐堵時(shí)為了保證錐堵兩頂尖孔與工件內(nèi)孔軸心線同軸，采用了下6 圖所示的加工辦法。即，圖6 為左右錐堵組合加工圖，組合加工是為了保證兩頂尖孔與左右錐墻1∶ 2 500 圓鐵錐軸心線同軸共線。兩側(cè)錐度組合磨削完成后，在B 指示處用線切割切斷，形成兩個(gè)一致的左右錐堵。

4 結(jié)語

綜上所述，在空氣靜壓軸承體的工藝設(shè)計(jì)方案中，作為設(shè)計(jì)、工藝及安裝基準(zhǔn)的Φ20 ±0.001 5 mm 孔的加工精度在整個(gè)工藝流程中起著關(guān)鍵的作用，我們通過設(shè)計(jì)的可調(diào)研磨裝置，最終取得了很好的效果，同時(shí)，研磨裝置的主要零件心軸及研磨套的加工也異常重要;在外圓磨削中，兩側(cè)對(duì)稱小錐度錐堵的設(shè)計(jì)有效地保證了內(nèi)孔Φ20 ±0.001 5 mm 與外圓同軸度0.005 mm。本文從毛坯的選擇、工藝路線的制定、難點(diǎn)分析到工裝的設(shè)計(jì)、加工設(shè)備及刀具的選擇做了簡(jiǎn)要闡述，其中可調(diào)研磨裝置還有待進(jìn)一步改進(jìn)，希望此加工工藝方法對(duì)于類似的軸承體的工藝設(shè)計(jì)方案具有一定的借鑒作用。

［1］陳家芳.典型零件機(jī)械加工工藝與實(shí)例［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［2］孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(cè)(第二卷)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［3］刑建東.工程材料基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］王明權(quán)，李戰(zhàn)偉，賈月明.高速空氣靜壓電主軸的震動(dòng)及控制策略［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2011，11:46 -51.