薄壁碳纖維筒精密磨削技術(shù)

李虎，朱文

薄壁碳纖維筒精密磨削技術(shù)

李虎，朱文

（中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

薄壁套類(lèi)零件由于其弱剛性、易變形，一直是精密加工領(lǐng)域的難題。尤其碳纖維筒類(lèi)薄壁件，存在顯著各向異性，更增加精密加工的難度。在傳統(tǒng)裝夾工藝基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)微錐芯軸脹緊裝夾工裝，實(shí)現(xiàn)碳纖維筒的精密磨削加工，加工效率高，適應(yīng)性好。

磨削；碳纖維；薄壁套

碳纖維是一種輕質(zhì)高強(qiáng)度的新興材料，近年來(lái)廣泛用于機(jī)械工程領(lǐng)域。某碳纖維薄壁套零件（圖1）壁厚僅1.5 mm，具有較高的尺寸及形位精度，加工裝夾易變形。同時(shí)由于碳纖維材料制造過(guò)程中的繞制工藝導(dǎo)致其存在明顯的各向異性，對(duì)加工過(guò)程的穩(wěn)定性造成不良影響。王青成[1]設(shè)計(jì)了用于磨削薄壁套的錐度芯軸，但沒(méi)有說(shuō)明錐度的計(jì)算方法。楊久書(shū)等[2]設(shè)計(jì)了基于軸向壓裝方式的工裝，避免了徑向裝夾變形。本文參考文獻(xiàn)[3-4]的工藝參數(shù)，通過(guò)長(zhǎng)期的工藝試驗(yàn)，獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)和裝夾方式，取得較好的加工效果，對(duì)同類(lèi)薄壁套類(lèi)零件的精密加工具有很好的借鑒意義。

圖1 碳纖維薄壁套零件簡(jiǎn)圖

1 碳纖維薄壁套精密磨削加工

最初，該碳纖維薄壁套采用車(chē)削完成。但車(chē)削中的刀尖與零件形成點(diǎn)接觸，極易導(dǎo)致材料分層和脫絲。最終選擇磨削加工。

1.1 內(nèi)孔磨削

基于軸向高剛度裝夾原理，設(shè)計(jì)了鼓筒內(nèi)孔磨削胎具（圖2），以鼓筒端面為基準(zhǔn)，外圓粗定位，使用螺帽備緊，能夠充分利用鼓筒軸向上的高剛度減小裝夾變形。同時(shí)設(shè)計(jì)莫氏錐度芯軸與磨床主軸直接連接，除提高裝夾剛度外，還減小重復(fù)裝夾的定位誤差，顯著提高裝夾找正效率。

圖2 內(nèi)孔磨削裝夾示意圖

1.2 外圓磨削

常規(guī)工藝流程是在完成內(nèi)孔精密加工后，與內(nèi)孔配磨芯軸外圓，上螺帽備緊裝夾磨外圓（圖3）。由于內(nèi)孔精加工后的尺寸一致性很難保證，導(dǎo)致同一根芯軸裝夾不同零件時(shí)配合間隙大小不一，直接影響了外圓與內(nèi)孔的同軸度。同時(shí)由于徑向配合間隙不均勻?qū)е峦鈭A精磨時(shí)去量不均勻，影響外圓圓柱度誤差。

圖3 外圓磨削裝夾示意圖

2 微錐芯軸設(shè)計(jì)

為解決外圓精密磨削難題，提出微錐芯軸裝夾工藝。利用微錐芯軸的微小錐度脹緊工件內(nèi)孔實(shí)現(xiàn)裝夾（圖4），關(guān)鍵在于使芯軸錐度足夠小，避免薄壁套零件出現(xiàn)一端已脹緊、另一端還殘余較大間隙，導(dǎo)致磨削過(guò)程失穩(wěn)。在保證微小的錐度的同時(shí)，還必須兼顧在有限長(zhǎng)度范圍內(nèi)所有工件都能順利裝夾。

為保證同軸度和圓柱度要求，設(shè)計(jì)在薄壁套長(zhǎng)度范圍內(nèi)單邊晃動(dòng)量不超過(guò)0.01 mm、即直徑差不超過(guò)0.02 mm、錐度不超過(guò)0.02:51（1:2550）。由于內(nèi)孔公差為48+0.02 0 mm，為保證鼓筒能順利裝進(jìn)微錐芯軸，要求芯軸小端距離小端面51 mm尺寸處直徑小于孔徑下差，設(shè)計(jì)為48-0.01 -0.03 mm，為保證碳纖維薄壁筒順利脹緊、不會(huì)由大端脫開(kāi)，要求芯軸大端直徑大于孔徑上偏差，因此設(shè)計(jì)芯軸大端直徑48+0.05 +0.03 mm。微錐芯軸大、小端直徑最大差值0.08，根據(jù)錐度1:2550推算得到芯軸長(zhǎng)度為(0.08/1)×2550＋51＝255 mm，最終設(shè)計(jì)微錐芯軸長(zhǎng)度為260 mm，錐度1:2550，大端直徑48+0.05 +0.03 mm。

圖4 微錐芯軸設(shè)計(jì)原理

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)幾個(gè)批次鼓筒加工證實(shí)：裝夾方式合理可行，加工效果穩(wěn)定，合格率有了較大提升（表1）。而且裝夾快速可靠，縮短了加工輔助時(shí)間，提高了產(chǎn)品加工效率。

表1 鼓筒內(nèi)孔外圓加工改進(jìn)前后的效果對(duì)比

[1]王青成. 一種薄壁襯套加工及其夾具設(shè)計(jì)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2001（5）：97-98.

[2]楊久書(shū)，李大新，等. 薄壁軸套加工工藝及工裝分析[J]. 新技術(shù)新工藝，2013（5）：18-19.

[3]徐倩，星建民. 磨削參數(shù)對(duì)航空炭纖維復(fù)合材料磨削力的影響[J]. 機(jī)械工程材料，2013，37（6）：52-54，60.

[4]李偉，張超，等. 碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料磨削溫度的實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2012（6）：187-188.

[5]王大偉. 薄壁軸套的加工方法探討[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（6）：53.

Thin-Walled Carbon Fiber Drum Precision Grinding Technology

LI Hu，ZHU Wen

( Institute of Machinery Manufacturing Technology, CAEP, Mianyang 621900, China )

Because of its weak rigidity and easy deformation, thin-walled sleeve parts have always been a problem in the field of precision machining. Especially for thin-walled parts such as carbon fiber cartridges, there is significant anisotropy, which increases the difficulty of precision machining. This article based on the traditional clamping process, innovative design of the micro-cone core expansion clamping fixture tooling, to achieve a precision grinding of carbon fiber tube, high processing efficiency, good adaptability.

grinding；carbon fiber；thin wall sleeve

TG58

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.021

1006－0316 (2018) 12－0079－02

2018－05－02

李虎（1976－），男，四川綿陽(yáng)人，高級(jí)技師，主要從事精密磨削工作。