高精度、低粗糙度细长轴磨削工艺的探讨

张振离

摘要：本文介绍一种在普通外圆磨床上高效磨削高精度，低粗糙度细长轴的工艺，这种工艺非常适用于长径比大于20的细长轴磨削。

关键词：磨削  细长轴  高效  高精度

一般情况下，在普通外圆磨床上加工出的工件其精度等级为7级，Ra的最大允许值为0.8μm，但是有时中小企业也需要加工一些精度更高的工件，又面临着没有精密设备的现状。为此，探讨用普通外圆磨床加工出高精度，低粗糙度的工件方法。

细长轴零件刚性差，在加工中极容易变形， 使零件的误差增大， 不易保证零件的加工质量;中心孔只要有一点异常，工件就会发生变形，两顶尖连线与纵向行程稍不平行就会产生锥形等。

1 加工过程中，细长轴的主要质量缺陷

1.1 工件表面产生多角形波纹和螺旋形波纹

导致工件表面出现螺旋形波纹的原因有很多，比如砂轮工作表面凸凹不平;磨削深度太大，纵向进给量太大;机床刚性影响;砂轮主轴有轴向窜动等。另外造成这种现象的原因还有工作台导轨润滑油压过大，致使工作台纵向移动产生漂浮和摆动导致的。

1.2 工件圆柱度超差

造成工件的圆柱度超差的原因主要有工件受热变形、伸长，磨削中顶尖顶得过紧、磨削用量过大，磨削后产生的各种变形，比如鞍形、锥度、鼓形、弯曲等。

1.3 工件圆度超差

造成工件圆度超差的原因主要有工件顶得太紧或太松;工件中心孔内有污垢或已磨损，其形状不正确;砂轮主轴或头架主轴的径向跳动过大等。

因此，磨削细长轴的关键是解决加工工件的弯曲变形问题。主要抓住中心架和跟刀架的使用方法、解决工件热变形伸长以及合理选择刀具几何形状等三个关键技术。

2 控制细长轴磨削质量的措施

经过长时间的研究，对细长轴磨削质量采取了以下几种有效的控制措施。

2.1 磨削前准备工作

①校直：校直后的工件弯曲度应控制在0.15/1000mm

以内。热校和冷校是细长轴校直方法的两种方法，其中热校比冷校效果好。

②中心孔：细长轴的基准就是中心孔，该中心孔在热处理细长轴后会出现变形，此时应对其采取必要措施，使其达到相关规范标准。

③检修机床：检修机床不仅对磨床有着很高的要求，对砂轮主轴的回转精度也有着很高的要求，尽量保证工作台换向的平稳性，同时要求工作台的低速运动具有良好的稳定性，最大程度的减少爬行和振动现象的出现，力争检修后的机床各项精度都是符合相关规范要求的。

④调整机床：调整机床是控制细长轴磨削质量的一个重要措施，检验的方法是把工件顶在两顶尖间，用手旋转工件，如果觉得松紧适当，那么机床的各项参数就是合理的，如果发现尾架顶尖是弹簧式的，最好把弹簧顶尖压缩0.5～2mm，再顶住工件中心孔。

⑤检查工件：两顶尖顶住工件，首先检查细长轴的全长作径向跳动，采用的是百分表的方法，尤其是一些弯曲度比较大的地方，应该对其进行更加详细的检查，之后检查工件磨削余量，保证其各项指标都是符合相关规范标准的。

2.2 合理的选择砂轮

由于细长轴材料有很多种，相应的砂轮也因磨料、硬度、粒度的不同而有着很多的区别。应选用粒度较粗、硬度较软的砂轮。

要想减少砂轮与工件的接触面积和细长轴在旋转中产生的自激振动，最好把砂轮的形状设计成中间呈凹形。

以磨削材质为GCr15的细长轴为例，磨料应选择MA或PA，硬度应选择J、K级，粒度以46～70为宜。

2.3 砂轮平衡与修整

在磨削过程中由于很多客观因素的影响，比如砂轮的损耗、砂轮安装误差、磨削液的吸附等，都有可能导致砂轮的平衡状态一直处于变化之中。要想得到比较高的加工精度， 应将砂轮的平衡状态控制在一个允许的范围内。

砂轮至少要经过2次精细的平衡。要求平衡后振幅小于0.002～0.005mm。

砂轮一般用锋利金刚石修整。磨削高精度的细长轴，应分粗磨和精磨。在粗磨前应修整砂轮，砂轮应修整粗一些，提高磨削效率，修整时，工作台纵向速度以1～1.5m/min，横向切削深度0.07～0.1mm为宜;在精磨前应进行一次砂轮修整，目的是要磨出大量的等高微刃。修整时，先是用锋利的金刚石笔以很小而均匀的进给量精密地修整砂轮，工作台纵向速度为0.3～0.8m/min，横向切削深度0.03～0.01mm，最后，横向不进刀，光修一次。

2.4 合理的磨削用量

合理的磨削用量是实现精密磨削的关键。对于高精度的细长轴磨削，应分粗磨和精磨。粗磨时，工件线速度以2.5～8m/min，工作台纵向速度1～1.5m/min，横向切削深度（单行程）0.03～0.07mm为宜;精磨时，工件线速度以2～5m/min，工作台纵向速度0.5～0.8m/min，横向切削深度（单行程）0.01～0.03mm为宜;接近要求尺寸时，横向不进刀，光磨数次，保证尺寸精度。

为了有效减少细长轴因旋转而产生的振荡，应该保持磨削工件的低转速，要求精磨时转速更低，如此就可以把一部分切向力转化为轴向力，有效减少径向力。

磨削时切深t用双行程来达到。由于工件转速不高，在一定的时间和范围内，工件表面与砂轮表面之间接触的机会就会相应的减少，为了保证符合相关规范要求，应该往复一次或数次来弥补。

2.5 对系统进行充分冷却

选用切削液时，不但要考虑其他切削加工的条件，而且还得考虑磨削加工本身的特点：冷却液建议采用喷射法供给冷却液， 利用喷嘴上挡板将高速气流隔开， 保证磨削液顺利注入磨削区， 同时还可以防止磨削液飞溅。切削液过滤净化，可以提高工件表面粗糙度，降低废品率。

2.6 合理使用和改进中心架

细长轴的精度主要是由弯曲度、圆度、粗糙度等决定，因此，合理选择中心架的数量，在磨削过程中合理地调整中心架的两个支片，是保证加工精度的关键。

由于调整细长轴磨削的中心架时很难得到有效控制，所以要想得到磨削高精度、低粗糙度的细长轴，必须懂得如何控制砂轮径向压力。所以，测量工件与支片接触情况是很有必要的，通过应用万能表中的A电流通与不通的测量原理可以实现上述目的。

首先改进中心支架的两支片，把导电的铜块安装在支片前端，然后用万能表和电线一端接负极，另一端接正极，负极与尾架相通，正极与中心架相连。把万能表的旋转开关拨至100kΩ，如果支片和工件相接时，指针马上就开始转动，说明这个电路是相通的，具有很高的灵敏度，指针从0到最大值之间的摆动值为中心架支片上移动量4m，当万能表调整到10kΩ时，指针的摆动值为0.001mm。通过利用这种方法来控制支片与工件的接触，能够及时了解切削力、挤压力的大小，大大提高磨削精度，降低粗糙度。

3 工艺总结

①经热校在磨削细长轴时，必须保证其弯曲度在0.15 mm/m以内。

②精修、研磨中心孔，调整好工件在顶尖间的松紧，检查工件跳动。

③选择中软砂轮，并修整好砂轮，选择磨削用量。

④调整好中心架是磨削的必要条件，如果中心架托得很松，工件易被磨成腰鼓形，如果中心架支片托得过紧，中间易磨成凹形，导致母线直线度不受控，磨削时，中心架下支片以轻轻带到工件为准，上支片按磨削量不停地调整，否则很容易出现不符合相关规范标准的情况。

⑤在磨削过程中，需要时刻观察测量工件的弯曲度，发现不符合相关规范标准的情况，应立即采取必要措施进行调整，同时减少磨削用量及放慢工作台行程。

通过以上工艺改进，在普通磨床加工的细长轴可以达到超精密磨床加工的加工精度、低粗糙度，且生产效率较高。

参考文献：

[1]磨工技师培训教材[M].北京：机械工业出版社出版，2004.

[2]陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3]傅杰才.磨削原理与工艺[M].长沙：湖南大学出版社，1986.