典型非對(duì)稱零件仿形精磨研究與應(yīng)用

張博威 孟 鑫 楊 斌 呂文靜 蘭 洋 隋會(huì)源 袁 婭

典型非對(duì)稱零件仿形精磨研究與應(yīng)用

張博威1,2孟 鑫1,2楊 斌2呂文靜1,2蘭 洋2隋會(huì)源1,2袁 婭1,2

（1. 天津市緊固連接技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300；2. 航天精工股份有限公司，天津 300300）

磨削加工因加工精度高、表面質(zhì)量好，加工質(zhì)量穩(wěn)定并適合大批量生產(chǎn),被廣大制造企業(yè)長(zhǎng)期使用。磨削采用零件或砂輪回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的形式使用砂輪的端面或者圓周面進(jìn)行磨削工作。而非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的零件由于自身的偏心作用，在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)或者離心，對(duì)磨削加工的精度和質(zhì)量有很大的影響，也是一直以來(lái)制約磨削加工精度的重要因素。本文選取了典型的非對(duì)稱產(chǎn)品，通過(guò)分析零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)專用的裝夾方案，并改造專用機(jī)床，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加工用量的調(diào)整，最終加工出高質(zhì)量的合格產(chǎn)品。

帶桿端軸承外圈；非對(duì)稱零件；仿形磨削；12CrNi3A；精度等級(jí)

1 引言

隨著航空航天行業(yè)的飛速發(fā)展，高質(zhì)量、高效率、高效益的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。專用的機(jī)床配合合理適當(dāng)?shù)膴A具不僅能夠大大提高產(chǎn)品加工的質(zhì)量，而且能夠有效地提升產(chǎn)品加工的效率，進(jìn)而對(duì)企業(yè)的效益有很大的促進(jìn)作用。非對(duì)稱零件的高精度磨削難題一直作為精密制造領(lǐng)域的難點(diǎn)備受關(guān)注，尤其是尺寸較大工件的高速磨削，如果處理不當(dāng)不僅造成被加工工件的精度嚴(yán)重超差[1]，長(zhǎng)時(shí)間的偏振離心運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)精度等也會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的影響，甚至導(dǎo)致機(jī)床主軸軸承旋轉(zhuǎn)精度過(guò)大而報(bào)廢。本文選取了一種典型的飛機(jī)機(jī)體零件—帶桿端軸承外圈滾道磨削作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)專用的機(jī)床夾具，對(duì)機(jī)床的裝夾方法進(jìn)行改進(jìn)，以高速削減磨削非對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的危害，實(shí)現(xiàn)該零件快速高精度的磨削。

2 被加工產(chǎn)品材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性分析

圖1 帶桿端軸承外圈整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 帶桿端軸承外圈零件結(jié)構(gòu)示意圖

帶桿端軸承外圈零件實(shí)物如圖1所示，零件是由12CrNi3A結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)加工，該材質(zhì)屬于航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，相比較普通的軸承鋼、軍甲鋼或不銹鋼，其具有良好的綜合性能，易于滲碳調(diào)質(zhì)并具有優(yōu)良的冷熱加工性能，適合用來(lái)制作某些特殊使用要求的高品質(zhì)產(chǎn)品。帶桿端軸承外圈的套圈外徑為32mm而非對(duì)稱的桿部突出2約60mm，突出處直徑為14mm，并有M14的細(xì)牙螺紋，不對(duì)稱的質(zhì)量約為70g，超過(guò)總質(zhì)量的50%，屬于較為明顯的非對(duì)稱產(chǎn)品。對(duì)于磨削后的圓度要求0.003粗糙度R0.2，輪廓度0.005并且對(duì)外表面及螺紋桿部的位置度要求0.04。如圖2所示，如此高的形位公差及表面質(zhì)量采用高速磨削比較容易實(shí)現(xiàn)。但是由于被磨削部位屬于內(nèi)圓表面，入口尺寸只有24.5mm，其加工難點(diǎn)相對(duì)較大，因此加工過(guò)程中的裝夾方式與加工參數(shù)的選擇尤為重要。

由于帶桿端軸承外圈磨削加工的精度要求極高、離心質(zhì)量較大，并且零件的裝夾部位壁厚較薄，相對(duì)剛性比較差，該材質(zhì)的零件容易產(chǎn)生較大形變[2]，產(chǎn)品磨削時(shí)會(huì)出現(xiàn)磨削質(zhì)量偏低、表面質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此該產(chǎn)品屬于相對(duì)典型的精度高、要求多、加工難度大的產(chǎn)品。

3 專用工裝方案設(shè)計(jì)與仿真分析

根據(jù)帶桿端軸承外圈零件產(chǎn)品材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特性與精度要求，對(duì)磨削工藝流程和裝夾方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，以滿足產(chǎn)品最終性能的要求。

3.1 磨削方式的選擇

由于外圈的內(nèi)孔較小，被磨削面為內(nèi)球面，并且粗糙度和形位公差要求較高，采用機(jī)床主軸正常旋轉(zhuǎn)，磨削砂輪使用70000r/min的高速電主軸，電主軸配合伺服電機(jī)進(jìn)行軸向和徑向進(jìn)給的方式進(jìn)行仿形磨削。磨削砂輪使用專用的金剛筆進(jìn)行修整，金剛筆將砂輪磨削面修整為固定直徑的規(guī)則外球面。將修整后的砂輪按照上述方式進(jìn)行仿形磨削加工。最終確定為仿形磨削，因?yàn)榉滦文ハ骶哂屑庸ぞ雀?，易于尺寸控制，表面質(zhì)量好且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 偏心的控制方法

鑒于零件的偏心較大，在磨削時(shí)零件旋轉(zhuǎn)的情況下，旋轉(zhuǎn)在帶螺紋桿的底部采用彈性支撐的方式，根據(jù)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速與偏心質(zhì)量調(diào)整彈簧的支撐力，使工件在磨削時(shí)偏心部位產(chǎn)生的離心力與彈簧彈力相等，以達(dá)到等值抵消的目的。而在零件安裝在磨削工裝時(shí)，將零件安裝后配合銷軸定位，定位完畢后移除銷軸再啟動(dòng)設(shè)備主軸，以確保零件在工裝上徑向安裝的位置度要求。

3.3 軸向和徑向定位方式的選擇

零件的軸向采用套圈端面支撐靠緊后壓板施壓的方法，將零件的軸向進(jìn)行定位壓緊，然后擰緊軸向螺栓進(jìn)行緊固。零件的徑向采用3.2章節(jié)中彈性支撐的方法進(jìn)行徑向平面內(nèi)一個(gè)方向定位，另一個(gè)方向依靠軸向施加的壓力產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行定位，軸向徑向全部定位后移除定位芯軸。

3.4 對(duì)初步方案設(shè)計(jì)進(jìn)行分析

根據(jù)磨削工裝的設(shè)計(jì)構(gòu)思的方法，將設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)化為模塊化的三維模型。圖紙簡(jiǎn)化了螺釘、彈性支撐等機(jī)構(gòu)，初步將抽象的設(shè)計(jì)思路具體地體現(xiàn)出來(lái)，如圖3所示。將模塊化后的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示，并根據(jù)零件在工裝上的整體工況進(jìn)行有限元分析，得到在磨削工況下應(yīng)力和應(yīng)變的云圖，如圖5、圖6所示。通過(guò)有限元分析的云圖，可以了解到整個(gè)工裝裝夾工件后在機(jī)床上的運(yùn)轉(zhuǎn)情況下應(yīng)力與應(yīng)變情況。即在機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)的作用下，該工裝在裝夾零件之后，產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變最大和最小位置集中在壓板與工件的接觸處；高速旋轉(zhuǎn)下的最大位移集中在螺紋桿部對(duì)應(yīng)的孔的另一側(cè)，有限元分析的位置與實(shí)踐常識(shí)認(rèn)知相符合。

圖3 零件仿形磨削裝夾示意圖

圖4 對(duì)設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分

圖5 零件在磨削旋轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力圖

圖6 零件在磨削旋轉(zhuǎn)工況下應(yīng)變圖

根據(jù)物理定律可以知道，通過(guò)不斷地調(diào)整支撐螺桿彈簧的支撐力，以達(dá)到抵消正常磨削轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生位移的離心力，使工件的理論磨削圓心與機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)中心重合的方案是可行的。

其中，正?；剞D(zhuǎn)體偏心部分的質(zhì)量1；偏心部分的質(zhì)心到機(jī)床主軸的徑向距離；機(jī)床主軸正常磨削時(shí)的轉(zhuǎn)速；支撐彈簧的彈性系數(shù)為；安裝零件后彈簧的變形量為Δ；因此，產(chǎn)生的離心力1=1?2/；而支撐彈簧的支撐力符合胡克定律，即支撐力2=-?Δ。只需滿足1=2即可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)磨削狀態(tài)下零件的動(dòng)平衡。

因此，只需要在實(shí)際生產(chǎn)中不斷調(diào)整支撐螺桿彈簧的位置以達(dá)到調(diào)整彈簧支撐力的大小，使其最終滿足1=2。

4 專用機(jī)床的實(shí)施與加工效果評(píng)估

4.1 機(jī)床工裝方案的確定

經(jīng)過(guò)對(duì)零件材質(zhì)和特性的分析和軸向徑向的安裝定位思路，結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)胡克定律調(diào)整彈簧的粗細(xì)與形變量之后，將理論工裝夾具進(jìn)行實(shí)施，最終得到了如圖7、圖8所示夾具。通過(guò)不斷對(duì)前期設(shè)計(jì)階段的方案優(yōu)化及參數(shù)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的平衡，成功將非對(duì)稱零件的磨削轉(zhuǎn)化為了與普通回轉(zhuǎn)體無(wú)差別的磨削方法。

圖7 工裝正視圖

圖8 工裝左視圖

4.2 機(jī)床加工用量的選擇

帶桿端軸承外圈零件材質(zhì)為航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼12CrNi3A，磨削前對(duì)磨削滾道進(jìn)行了滲碳-淬火-回火的熱處理，使其硬度達(dá)到58-62HRC，因此該磨削屬于較為典型的高硬度磨削。由于產(chǎn)品對(duì)磨削的表面質(zhì)量和精度要求較高，磨削工藝參數(shù)的選擇和磨削用量的選擇顯得尤為重要。不同的加工方法和磨削流程對(duì)于磨削效率、精度及表面質(zhì)量的影響較大，應(yīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)比和一系列的產(chǎn)品驗(yàn)證最終將加工流程進(jìn)行確定[3]。根據(jù)產(chǎn)品的外形特征，采用不同的加工方法進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試，最終決定采用粗磨和精磨兩個(gè)工步進(jìn)行磨削。為了不破壞零件的對(duì)稱度等其他指標(biāo)要求，需要采取一次裝夾，配合數(shù)控程序改變磨削用量的方式進(jìn)行加工。磨削用量如表1所示。

表1 磨削用量表

在不同規(guī)格產(chǎn)品實(shí)際磨削過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)觀察工件加工余量情況調(diào)整磨削參數(shù)，特別是磨削余量較小的首件調(diào)整的情況下，隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)采用超精加工以提高加工精度與表面質(zhì)量[4]。

4.3 仿形磨削部位精度檢測(cè)與加工效果的評(píng)價(jià)

每批次零件通過(guò)首件調(diào)整后進(jìn)行批量加工，零件加工完畢后的效果是否能夠滿足產(chǎn)品要求需要對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)。為了更加直觀地表現(xiàn)磨削后零件的表面質(zhì)量與精度檢測(cè)情況，本次采用泰勒公司高精度的輪廓儀和圓度儀進(jìn)行檢測(cè)[5]。經(jīng)過(guò)對(duì)不同批次的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)該工裝仿形磨削后的零件的各項(xiàng)尺寸及精度指標(biāo)均滿足圖紙的要求。其中，零件磨削后滾道橢圓度檢測(cè)結(jié)果為橢圓度(RONt值)2.79μm，如圖9所示；零件磨削后滾道粗糙度檢測(cè)結(jié)果粗糙度值R約為0.1μm，如圖10所示；零件磨削后滾道輪廓度檢測(cè)結(jié)果的輪廓度（pt值）約為1μm，如圖11所示。從以上橢圓度、輪廓度和表面質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比產(chǎn)品的精度要求可知，均滿足產(chǎn)品的加工精度要求。

圖9 零件磨削后滾道橢圓度檢測(cè)結(jié)果

圖10 零件磨削后滾道粗糙度檢測(cè)結(jié)果

圖11 零件磨削后滾道輪廓度檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)非對(duì)稱產(chǎn)品的磨削專用工裝夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及精度要求進(jìn)行分析，原有機(jī)床床身進(jìn)行專用化改進(jìn)。從軸向和徑向定位的控制，到各個(gè)方向質(zhì)心分布的均衡，再通過(guò)有限元模擬在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下各個(gè)方向的位移、應(yīng)力和應(yīng)變的情況，最終保證了產(chǎn)品在機(jī)床上的正常安裝及成功達(dá)到了圖紙的各項(xiàng)尺寸及精度要求。本次以成功改進(jìn)工裝夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為案例，為航空航天制造業(yè)的大批量生產(chǎn)中的非對(duì)稱磨削加工和非對(duì)稱車削加工提供了參考范例。

1 劉福，劉孟奇，蘇怡然，等. 曲線磨削受力模型建模研究[J]. 機(jī)械制造，2021(59)：69～74

2 張博威，楊斌，單壟壟，等. 航空航天高精密法蘭盤的加工[J]. 金屬加工，2023(4)：38～41

3 周功兵，謝萍，王清標(biāo). 砂輪主軸磨削參數(shù)正交試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械制造，2017(55)：6～9

4 黃云，李少川，肖貴堅(jiān). 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料及抗疲勞磨削技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 航空材料學(xué)報(bào)，2018(11)：154～156

5 張博威，肖琪，楊斌，等. 軸承套圈的球化組織對(duì)切削性能的影響[J]. 金屬加工，2022(12)：82～85

Research and Application of Profile Modeling Fine Grinding for Typical Asymmetrical Parts

ZhangBowei1,2MengXin1,2YangBin1,2Lv Wenjing1,2Lan Yang1,2Sui Huiyuan1,2Yuan Ya1,2

(1. Tianjin Key Enterprise Laboratory of Fastening Connection Technology, Tianjin 300300; 2. Aerospace Precision Products Corporation, Tianjin 300300)

Because of its high machining precision and good surface quality, grinding, as a processing quality way, is stable and suitable for mass production long-term use by the vast number of manufacturing enterprises. Grinding uses the end face or the circumference face of the grinding wheel to grind the part or wheel in the form of rotary motion. Because of the eccentric effect, the parts with asymmetrical structure produce vibration or centrifugal when they rotate, which has a great influence on the precision and quality of grinding, it is also an important factor that restricts the precision of grinding. In this paper, the typical asymmetrical products are selected, and the special clamping scheme is designed by analyzing the structural characteristics of the parts, the final processing of high-quality products.

bearing outer ring with rod end；asymmetrical parts；profiling grinding；12CrNi3A；accuracy class

TH161+.1；V464

A

高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用開(kāi)放基金（201908）。

張博威(1989),工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：航空航天精密軸承制造技術(shù)、工藝管理。

2023-06-27