燃汽輪機(jī)機(jī)匣外殼二氧化鋯涂層磨削加工研究

陽建軍 譚萬斌

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

機(jī)匣外殼為圓柱、桶狀零件，外形類似子彈頭，工件外圓直徑為?500h7，工件一端為R500球面，如圖1所示。產(chǎn)品外圓及球面按照設(shè)計要求，間隔噴涂數(shù)圈二氧化鋯環(huán)帶涂層，涂層待加工余量約為0.2 mm，金屬本體余量為0.1 mm，加工后跳動要求0.01 mm，粗糙度要求達(dá)Ra0.8 μm。

圖1 機(jī)匣外殼Figure 1 Casing shell

產(chǎn)品屬于空心薄壁件，壁厚在10～20 mm之間，產(chǎn)品剛性差，加工及裝夾過程中極易產(chǎn)生變形。外圓面噴涂的二氧化鋯涂層硬度高，屬于難加工材料，且工件整體加工過程屬于金屬與非金屬材料的混合切削，對加工刀具的綜合切削性能要求極高。

1 加工方案設(shè)計

外圓輪廓的加工一般有兩種方式：一是采用車床進(jìn)行車削加工，二是采用磨床進(jìn)行磨削。車削加工一般用于軸類產(chǎn)品的粗精加工，磨削一般用于產(chǎn)品最終精加工，可以有效提高工件表面光潔度?？紤]產(chǎn)品外圓二氧化鋯涂層硬度高，若采用傳統(tǒng)機(jī)夾刀片進(jìn)行車削加工，加工時切削力大，容易造成涂層開裂或剝落，采用車削加工產(chǎn)品難以保證表面粗糙度，加工中金屬鐵屑也會影響已加工的二氧化鋯涂層表面質(zhì)量。綜上考慮，采用磨床磨削的方式對工件外圓輪廓進(jìn)行精加工。

2 加工設(shè)備選用

選用?1.8 m×8 m數(shù)控軋輥磨床。該磨床同時具備磨削和車削功能，磨削部分采用直徑?915 mm、厚度80 mm的碳化硅砂輪，可以磨削外圓，但是無法磨削軋輥圓弧面?？梢酝ㄟ^在機(jī)床上加裝車刀架，以及磨床自帶的車削系統(tǒng)進(jìn)行編程，實現(xiàn)圓弧面的精車，但無法滿足高精度二氧化鋯涂層的精車。根據(jù)以上情況，考慮采用“以車代磨”的方式精加工，即在車削刀架位置安裝專用磨頭，利用磨床的車削系統(tǒng)進(jìn)行編程，帶動磨頭，實現(xiàn)圓弧走刀進(jìn)行磨削。

3 工裝輔具設(shè)計

3.1 芯軸及卡爪套的設(shè)計

采用磨床加工首先需要解決工件的裝夾問題。磨床常用的裝夾方式有兩種：一是雙頂裝夾方式，即在工件兩端各加工一個與機(jī)床頂尖度數(shù)一致的頂尖孔，通過機(jī)床頂尖頂工件兩端頂尖孔的方式進(jìn)行裝夾；二是利用機(jī)床中心架進(jìn)行裝夾，即在工件外圓上加工一托瓦架口，采用中心架托工件架口，機(jī)床撥盤帶動工件轉(zhuǎn)動的方式進(jìn)行加工。因機(jī)匣外殼薄壁空心，長度短，且外圓面有待加工的二氧化鋯涂層，無法采用托架方式進(jìn)行加工，只能采用雙頂?shù)姆绞窖b夾。根據(jù)工件狀態(tài)，利用工件中心通孔，設(shè)計相應(yīng)芯軸，采用穿芯軸的方式進(jìn)行精加工。芯軸與機(jī)匣外殼通過兩端止口部位的錐套進(jìn)行脹緊固定，這樣可以減小芯軸裝配時機(jī)匣外殼產(chǎn)生較大變形，同時又解決了的機(jī)匣外殼在芯軸上的固定問題，如圖2所示。

1—零件本體；2—開縫漲套；3—頂緊軸套；4—芯軸；5—頂緊螺帽。圖2 芯軸裝配示意圖Figure 2 Mandrel assembly

受機(jī)匣外殼結(jié)構(gòu)限制影響，其中心通孔較小，所能穿過的芯軸直徑較小，中心芯軸剛性差，磨床雙頂裝夾，因尾座頂尖頂緊力較大，若采用機(jī)床頂尖直接頂芯軸裝夾，容易使芯軸產(chǎn)生彎曲變形，從而影響加工精度及產(chǎn)品質(zhì)量?？紤]以上因素，根據(jù)實際情況，設(shè)計制作專用卡爪套，如圖3所示，利用機(jī)床頂尖接口將卡爪套把合固定在機(jī)床上，卡爪套外圓四周設(shè)置4處螺釘作為卡爪，實現(xiàn)對工件的夾緊及找正調(diào)節(jié)作用，采用卡爪套進(jìn)行裝夾，可以有效避免采用機(jī)床頂尖進(jìn)行裝夾給工件帶來的軸向力。

圖3 卡爪套示意圖Figure 3 Jaw set

3.2 專用磨頭及刀架設(shè)計

采用磨床車刀架安裝專用磨頭進(jìn)行磨削，需考慮磨頭的安裝空間，應(yīng)在滿足使用需要的前提下磨頭尺寸盡量設(shè)計得小一些，電機(jī)選用UM-Kl90/2-12.1交流電機(jī)，該電機(jī)外形尺寸?180 mm×670 mm，小巧方便，便于裝卸，轉(zhuǎn)速2840～3340 r/min，可以滿足磨削加工需要。結(jié)合電機(jī)實測尺寸，設(shè)計相應(yīng)的安裝刀架，通過該刀架將電機(jī)固定在磨床上，需同時保證固定后的磨頭與機(jī)床軸線(待加工工件軸線)成一定夾角，實現(xiàn)磨頭在一次裝夾過程中，同時完成球面及外圓柱面的磨削，節(jié)約裝夾及對刀次數(shù)，縮短加工輔助時間，提高加工效率。在設(shè)計刀架過程中需對機(jī)床原有車刀架位置及接口進(jìn)行測量，確保整套裝置最終安裝完成后砂輪的中心高與機(jī)床中心高一致。

3.3 磨削砂輪設(shè)計

因二氧化鋯涂層硬度高，砂輪材質(zhì)選用金剛石砂輪，因工件表面粗糙度要求Ra0.8 μm，砂輪粒度選用80#、120#兩種型號，80#砂輪粒度雖然較粗，但是成本低，加工效率高，適用于粗磨；120#砂輪粒度較細(xì)，用于精磨，可以保證表面光潔度，從而滿足圖紙要求。

砂輪直徑大小的確定：砂輪直徑的大小需根據(jù)電機(jī)及刀架的設(shè)計尺寸來確定，保證砂輪裝在電機(jī)及刀架上能有效磨削到工件待加工面，若砂輪直徑過小，在磨削時會出現(xiàn)砂輪還沒接觸工件，電機(jī)側(cè)面或刀架側(cè)面已經(jīng)接觸工件，但與此同時砂輪直徑也不宜過大，砂輪在高速轉(zhuǎn)動過程中，離心力較大，電機(jī)主軸小，砂輪直徑過大會造成轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定，影響磨削精度。輪砂頭部設(shè)計為R圓弧形，以實現(xiàn)砂輪在球面上的磨削。根據(jù)產(chǎn)品實際情況及現(xiàn)場工況，該金剛石砂輪設(shè)計為?300 mm，R10 mm的圓盤砂輪。

4 加工工藝方法

4.1 裝夾找正

工件按兩端已加工符圖的基準(zhǔn)外圓找正，粗找正采用劃針，低速轉(zhuǎn)動工件(轉(zhuǎn)速小于5 r/min)，轉(zhuǎn)動過程中觀察基準(zhǔn)圓與劃針之間的距離，確定工件回轉(zhuǎn)中心偏量，通過卡爪套上的螺釘，調(diào)整工件中心位置找正，粗找正外圓偏量控制在1 mm左右。粗找正后在基準(zhǔn)外圓側(cè)面壓千分表，進(jìn)行精找正，精找正時采用對稱調(diào)整方式找正，即先找正工件對稱兩點，再找正兩個螺釘卡爪之間的偏量，通過反復(fù)調(diào)整卡爪套螺釘，最終達(dá)到兩端基準(zhǔn)圓跳動偏差小于0.01 mm。

4.2 砂輪修磨

因金剛石砂輪外形R圓弧面精度無法滿足直接磨削產(chǎn)品表面的精度要求，正式加工前需對金剛石砂輪進(jìn)行重新修磨。磨床通用的砂輪修磨方式為采用金剛石進(jìn)行修磨，該方法適用于碳化硅等低硬度砂輪的修磨。金剛石砂輪因其本身硬度高，砂輪待修磨面積大，若采用人造金剛石進(jìn)行修磨，其修磨效率低，且因兩者硬度接近，人造金剛石磨損快，消耗量大，成本高。綜合考慮各方面因素，采用專用工具，利用兩個砂輪對磨的方式進(jìn)行修磨，即機(jī)床編程帶動磨頭刀架走圓弧程序，通過兩個砂輪的對磨，相互修磨，修磨后需對修磨面進(jìn)行檢測，最終使砂輪達(dá)到要求。對砂輪圓弧R半徑進(jìn)行測量，以達(dá)到最終精加工要求。

4.3 對刀及編程方法

對刀即確定刀具與工件的相對位置關(guān)系，建立加工坐標(biāo)系，對該成品X方向選擇在工件本體金屬外圓面進(jìn)行對刀，結(jié)合外圓實測直徑確定刀具X數(shù)值。軸向Z值可以通過在產(chǎn)品外端基準(zhǔn)端面上對刀，但受空間限制及砂輪實際修磨圓弧R面長度限制，無法在端面直接對刀。只能采取間接方式確定刀具軸向位置。

間接對刀方式：由于工件兩端基準(zhǔn)外圓及兩端端面均已經(jīng)加工符圖，且上工序加工本體R500 mm球面、?500 mm外圓時采用數(shù)控車床編程加工，加工面直徑方向留有磨削余量，軸向方向以端面為基準(zhǔn)確定R500 mm球面位置，即留量的R500 mm球面圓心軸向位置與圖紙要求一致，軸向無加工余量，此時可以通過實測外圓余量，在R500 mm球面上對刀，再進(jìn)行計算確定基準(zhǔn)端面位置。如圖4所示，實測本體外圓直徑，確定本體余量，利用Auto CAD軟件對零件輪廓沿直徑方向進(jìn)行平移，畫出工件實際輪廓，如圖中虛線所示，砂輪在工件本體外圓上對刀，根據(jù)砂輪半徑r，將編程坐標(biāo)中心定在工件軸線上，將砂輪開至R500 mm球面前面，距離軸線為X=a值處，保持X值不動，沿軸向移動砂輪，靠近R500 mm圓弧面，通過畫圖可以確定砂輪靠上R500 mm圓弧面時，距離基準(zhǔn)端面的距離值為b，當(dāng)砂輪在圓弧面上對上刀后，在機(jī)床顯示的軸向尺寸上調(diào)整一個b值，即是工件端面基準(zhǔn)位置。

圖4 對刀示意圖Figure 4 Tool setting

為實現(xiàn)砂輪對圓弧面的磨削，砂輪磨削面設(shè)計成圓弧r，即加工刀具有圓角半徑，對于車床加工時，在程序編制中加入相應(yīng)刀補參數(shù)即可實現(xiàn)正常加工，但軋輥磨床自帶的車削數(shù)控子系統(tǒng)不具備添加刀補編程功能，為實現(xiàn)無刀補的編程加工，加工時將砂輪圓弧中心點作為假想刀尖，將機(jī)匣外殼本體輪廓偏移砂輪半徑r值，確定砂輪中心移動軌跡，利用砂輪中心軌跡進(jìn)行編程，解決軋輥磨床車削數(shù)控子系統(tǒng)無法進(jìn)行刀補編程的問題。

4.4 磨削加工

正式加工前，先檢測待磨削本體外圓及涂層表面實際加工余量，滿足要求后，選擇余量較大的涂層部位進(jìn)行試磨，測量試磨外圓的圓度及粗糙度，圓度需滿足<0.01 mm，粗糙度需達(dá)Ra0.8 μm以下。若試磨結(jié)果不滿足要求，則需根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，通過實踐發(fā)現(xiàn)，若試磨后表面粗糙度低，磨削面有震紋，則需重新修磨砂輪，提高砂輪R圓弧精度，若試磨后工件圓度差，則需檢查工件裝夾精度，同時調(diào)整磨削參數(shù)。通過以上方式反復(fù)多次試磨，直至試磨結(jié)果滿足加工要求后再進(jìn)行正式加工。正式磨削時采用粗、精磨分開加工，磨削過程中需避開機(jī)匣外殼圓弧上的榫槽，先粗精磨圓錐端外側(cè)R500 mm圓弧外圓，再磨削?500h7直圓段符圖。

磨削加工中的注意事項：

(1)磨削前需利用專用工具對金剛石砂輪圓弧R進(jìn)行修磨，確保修磨后的金剛石砂輪圓弧R面的圓度及精度滿足加工要求，從而避免磨削加工時，因砂輪圓度差造成磨削表面有震紋，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。

(2)磨削時，應(yīng)采用低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給方式進(jìn)行磨削。因工件剛性差，轉(zhuǎn)速過高，受離心力作用，工件易產(chǎn)生擾動變形，影響加工精度。同時因二氧化鋯涂層硬度高，涂層厚度0.3 mm，涂層結(jié)合力大于15 MPa，涂層厚度0.6～0.8 mm時，涂層結(jié)合力5～10 MPa，進(jìn)給速度過快，容易導(dǎo)致涂層開裂或剝落。

(3)磨削需采用粗磨、精磨分開磨削。粗磨可以提高加工效率，同時可以根據(jù)產(chǎn)品實際情況進(jìn)行分段磨削。尤其是R500 mm球面圓弧段時，因中間有榫槽，不能一次將整個R500 mm圓弧球面磨完，需進(jìn)行分段磨削，但精磨時，需通過編程避讓榫槽，采用整體磨削，從而保證產(chǎn)品前后圓弧球面輪廓一致性，即保證前后兩段R500 mm球面大小一致，且圓心位置一致。

(4)因二氧化鋯涂層的特殊性，磨削過程中因避免涂層受到油污污染，磨削前需對乳化液進(jìn)行檢測，測量其濃度，確保乳化液的質(zhì)量滿足加工要求。工件的裝夾、起吊轉(zhuǎn)運過程中需注意保護(hù)涂層表面，防止磕碰劃傷等。

5 尺寸檢測

工件外圓直徑采用外徑千分尺進(jìn)行直接測量，可以利用磨床自帶的測量臂測量圓度，采用粗糙度儀檢測粗糙度，圓弧面R、尾部R及連斜面無法采用現(xiàn)有量具進(jìn)行直接測量，需設(shè)計專用工裝樣板進(jìn)行測量，根據(jù)圖紙要求，設(shè)計制造一個與圖紙尺寸一致的工裝，通過貼和對比工件加工面與工裝之間的區(qū)別，判定工件加工面與設(shè)計要求是否相符。為了使用方便，根據(jù)產(chǎn)品情況，設(shè)計制造兩塊專用樣板：R500 mm檢測樣板及尾部斜面連R特形面樣板。如圖5所示，R500 mm檢測樣板通過工件上已經(jīng)加工符圖的基準(zhǔn)外圓及基準(zhǔn)端面進(jìn)行定位，對比樣板上的R500 mm與磨削后的R500mm圓弧面之間的縫隙，確定磨削后的R500 mm圓弧面尺寸是否滿足圖紙要求。加工中可通過該樣板間接測量R500 mm圓弧面的余量情況。

圖5 R500 mm圓弧樣板Figure 5 R500 mm circle arc templet

產(chǎn)品磨削完后，經(jīng)用戶現(xiàn)場聯(lián)檢測量，機(jī)匣外殼本體及涂層粗糙度達(dá)Ra0.4～0.8 μm，全跳動達(dá)0.008 mm，采用專用樣板對磨削后的機(jī)匣外殼形線及球面進(jìn)行檢查，外形輪廓均滿足圖紙要求，圓滿完成了軋輥磨床磨削機(jī)匣外殼球面及軸身二氧化鋯涂層的加工要求。

6 結(jié)束語

通過以上加工方案，實現(xiàn)了普通軋輥外圓磨床對機(jī)匣外殼涂層的磨削加工，為今后機(jī)匣外殼二氧化鋯涂層磨削加工提供了參考。同時該加工方法簡單，實用性強，加工產(chǎn)品精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，加工通用性強，易于推廣。設(shè)計的專用磨頭工裝可以實現(xiàn)異形外圓面的磨削加工。