微小球頭類零件的加工

馬磊，張作超，韓紅雨，盧陽，張風琴

洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471039

1 序言

球可以看作是一個圓弧繞其軸線旋轉(zhuǎn)而成的曲面。由于球頭類零件存在復雜曲面，所以通常采用數(shù)控加工，以滿足尺寸、位置精度和表面質(zhì)量要求。隨著機床性能及刀具材料、性能的不斷提升，對于球頭直徑≥8mm、材料硬度≤64HRC的球頭類零件，可采用傳統(tǒng)方法加工，包括：①采用全向車刀或擺線刀的數(shù)控車床加工。②采用對刀具位置調(diào)整要求極高的旋風銑加工。③采用專用砂輪修整裝置的成形磨削加工。④采用定制杯形砂輪的展成法磨削加工。⑤采用專用磨塊進行批量生產(chǎn)的銼削加工（只能進行形狀規(guī)則的半球軸端加工）。

綜上所述，結合微小球頭類零件的結構特點分析，認為采用傳統(tǒng)加工方法較難實現(xiàn)微小球頭類零件的精密成形加工。

2 微小球頭類零件的特點

微小球頭類零件的特點：①在軸端具有曲面球頭結構，分為小半球面、半球面和大半球面結構等(見圖1），硬度60HRC左右。②球頭直徑較小，一般球頭直徑≤3.5mm。③加工時球頭過渡段受徑向力而易折斷。④零件尺寸較小，刀具結構對工件加工影響較大。⑤成形砂輪的修整難度較大。

圖1 球頭類零件結構示意

由微小球頭類零件的特點可知，采用傳統(tǒng)加工方法進行軸端微小球頭的成形加工顯得力不從心。

對于少量精度要求一般的微小球頭類零件，可采用軟態(tài)下雕銑粗加工、熱處理后進行拋光處理的方法。但對于精度要求較高的微小球頭類零件，仍需尋找更適合的加工方法。

由于微小球頭類零件實現(xiàn)精密硬加工的難度較大，不易實現(xiàn)批量加工，因此根據(jù)軸端球頭的形成機理（讓棒料高速旋轉(zhuǎn)，以圓弧包絡線的形式形成球頭）以及設備的加工原理，提出一種微小軸端大半球類球頭零件的加工方法：制作專用工裝，讓桿件高速旋轉(zhuǎn)，配合光學曲線磨床集點成線的加工原理，以包絡線的形式進行球頭的精密成形加工。

3 光學曲線磨床加工方式

光學曲線磨床主要由床身、坐標工作臺、砂輪臺和投影系統(tǒng)組成，工作臺可做縱向、橫向和垂直方向運動；砂輪可做旋轉(zhuǎn)主運動，同時在砂輪臺的導軌上做直線運動；砂輪臺可做縱向和橫向進給運動以及繞X/Y/Z軸的轉(zhuǎn)動?？蓪崿F(xiàn)多圓弧面、對數(shù)曲面或阿基米德螺旋曲面的磨削加工。

光學曲線磨床加工是利用光學投影放大系統(tǒng)將工件放大投影到屏幕上，與屏幕上的工件放大圖相對照，加工時操作砂輪對工件進行磨削，將超過放大圖輪廓線部分的多余材料磨掉，直至物像的輪廓與放大圖全部重合為止?？煞糯?5倍、50倍比對。光學曲線磨床使用的金剛石砂輪結構類型有平砂輪、尖砂輪等，如圖2所示。

圖2 金剛石砂輪結構類型

根據(jù)設備使用的砂輪結構可知，使用尖砂輪配合數(shù)字控制系統(tǒng)可實現(xiàn)直徑≥0.2mm的曲面磨削加工。如果配合工件的旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)相應曲線回轉(zhuǎn)面的成形加工。

4 加工實例分析

某型號產(chǎn)品用球頭桿結構如圖3所示。工件材料為GCr15，硬度58～64HRC。球面表面粗糙度值Ra=0.4μm，球面不能有接刀痕等明顯刀削紋；球頭部分尺寸、位置精度和硬度要求較高，球頭與軸過渡段直徑僅1.2mm，加工數(shù)量500根。該零件的加工存在以下難點：①球頭尺寸精度要求較高，零件軸徑較小。②球頭過渡段直徑僅1.2mm，加工剛度低，受力易折斷。③加工余量大，對加工工藝，裝夾便捷性、穩(wěn)定性和棒料旋轉(zhuǎn)徑向圓跳動量等方面的要求較高。④對球頭表面質(zhì)量要求較高。

圖3 球頭桿結構

若采用光學曲線磨床實現(xiàn)球頭桿的精密成形加工，還需制作專用工裝，保證砂輪沿工件輪廓移動時，球頭桿繞軸線回轉(zhuǎn)形成球頭結構。由于球頭桿的尺寸較小，如果砂輪沿砂輪架上下往復運動，將減少砂輪與旋轉(zhuǎn)工件的有效接觸時間，因此為提高加工效率，需要在工件加工時調(diào)整固定好砂輪的高度位置，取消砂輪沿砂輪架的往復運動，使砂輪旋轉(zhuǎn)時始終與工件表面有效接觸，砂輪在高速回轉(zhuǎn)時只沿成形輪廓線移動。

5 工裝設計

采用小功率電動機（轉(zhuǎn)速1400r/min）和小車床夾頭，將夾頭固定在工作臺上，使用彈簧夾頭（可裝夾直徑10mm以內(nèi)的各種工件）裝夾工件。調(diào)整工作臺高度，使工件投影焦距在砂輪正常移動范圍內(nèi)。通過帶輪傳動，使夾頭轉(zhuǎn)速達到2000r/min，旋轉(zhuǎn)方向與砂輪旋轉(zhuǎn)方向相反。經(jīng)調(diào)試，工件徑向圓跳動≤0.005mm。自制工裝結構如圖4所示。

圖4 自制工裝結構

6 工藝設計

考慮到工件數(shù)量、球頭桿及砂輪結構，由于尖砂輪圓角較小，加工損耗大，所以為降低尖砂輪的損耗，提高加工效率，在去除大余量時采用平砂輪加工，分步加工過程如圖5所示。制定球頭桿加工工藝如下。

1）用平砂輪粗加工球頭桿，A、B段留加工余量0.02mm，C段留加工余量0.1mm，砂輪平移速度為3mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速為12000r/min。

2）用尖砂輪加工球頭桿輪廓，A、B段加工控制尺寸精度，C段留加工余量0.01mm，砂輪平移速度為1.5mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速為12000r/min。

3）用尖砂輪精修C段球頭，砂輪平移速度為0.5mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速為12000 r/min。

圖5 分步加工過程示意

7 加工效果檢測

球頭桿采用分步加工，由于平砂輪具有自動修磨功能，因此加工圓柱表面質(zhì)量較好；尖砂輪主要負責精加工，加工余量小，砂輪損耗小。在進行500根球頭桿加工的過程中，尖砂輪修整4次。加工的球頭桿零件實物如圖6所示，零件檢測數(shù)據(jù)見表1。由檢測結果可知，此方法加工的球頭桿滿足設計要求。

圖6 球頭桿實物

表1 球頭桿檢測數(shù)據(jù)

8 結束語

微小球頭類零件由于其自身結構特點，無法采用傳統(tǒng)軸端球頭類零件的加工方法。采用光學曲線磨床配合自制專用工裝，設計分步加工工藝，球頭桿加工時徑向受力小，過渡段不易折斷。該磨削加工方法很好地解決了小尺寸球頭類零件的加工難題，具有合格率高、操作簡單、加工精度可控及產(chǎn)品一致性好的優(yōu)點。

專家點評

文章針對微小球頭類零件無法采用傳統(tǒng)加工方法的難題，提出一種新的磨削加工方法：通過光學曲線磨床集點成線的加工原理，以包絡線的形式完成球頭的精密成形加工。

文章思路清晰，結構合理，論點突出，論據(jù)有力，能夠根據(jù)零件的特征制作專用工裝，利用光學曲線磨床的優(yōu)勢和特點，成功解決了微小球頭的加工難題，加工方法具有很好的應用前景。