浅析一种细长花键轴外圆磨削方法

赵德满，徐圣凯

（长沙中传航空传动有限公司，湖南 长沙 410200）

细长花键轴类零件广泛应用在航空发动机附件传动及直升机传动系统中，是非常关键的一个零件（图1），在工作过程中即到轴向拉力，又受径向扭力，其加工质量关系着传动系统性能的发挥。花键轴外圆的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度特别严格，是此类零件的主要技术要求，也是我们加工要解决的主要问题。该花键轴零件材料为9310 钢，热处理为氰化，外圆精加工加工采用磨削工艺，加工时支撑两端中心孔，加工过程中的变形控制是磨削的关键。

图1 花键轴三维模型

1 结构特点及技术要求分析

该零件长径比大于20，是典型的细长轴类零件，刚性较差，从该外圆磨削工序图（图2），可以看出左端为花键，两端中心孔为基准，φ10 外圆及两端转接圆弧R、30°斜面的尺寸公差、粗糙度和跳动要求是外圆磨削的难点所在，尤其是全跳动15μm，要想保证100%合格，难度极高。从以往此类零件的磨削研究结合此类零件的技术要求，要保证加工质量，需要解决以下几个问题。

（1）由于刚性差，外圆直径较细，且整个外圆都要加工，磨削时只能使用顶尖支承两端中心孔，顶尖力、加工过程中产生的径向切削力、零件自身重力下沉，工件极易产生变形出现腰鼓。同时磨削时极易产生振动，产生磨削纹路，加工表面很难保证0.4 的粗糙度。

图2 花键轴磨削工序图

（2）本工序加工部位较多，去除量大，在磨削过程中产生的热量和磨削力的作用下，工件会产生很大的内应力，易产生变形，加工精度难以保证。

（3）φ10.2 外圆处两端有转角圆弧及斜面相接，对砂轮的选用及修型有较高的要求。

2 技术方案及实施方式

磨削细长轴类零件的常用步骤就是：校直、分粗精工步、选用合理磨削参数，但针对本文所描述的花键轴，光上面几步还远远不够，通过对零件的技术要求及工艺性进行分析，结合现有的数控磨床，采用较为合理的磨削控制工艺方法。

2.1 工艺路线安排

本花键轴整个外圆几乎都要加工，为减少变形，需分多个工步多次加工，要求最严格的φ10.2 外圆放置最后面进行，详细工艺落线如下：粗磨φ10.2、φ14.5 外圆——精磨φ17、φ14.5、φ9.5 外圆——精磨转接圆弧及斜面、半精磨φ10.2 外圆——精磨φ10.2 外圆，在粗精加工的过程中外圆全跳动都要保证在0.01 以内。

2.2 变形控制

调整工件的两顶尖力，避免力过小，加工中零件松动产生轴向窜动；过大零件产生弯曲变形。调整力度时可在花键轴中间部位架两块千分表，时刻检查变形情况。

为解决加工过程中的应力变形，在第一步粗加工去除大部分余量后，安排去应力时效工步，减少加工应力，这一步比较关键，在我们做实验的过程中，已经得到了多次验证。

2.3 锥度调整。

锥度调整就是我们常说的校直，这是磨削外圆必须进行的一个步骤，由于使用顶尖支撑零件两端中心孔（见图3），两中心高的差异对所磨削外圆圆柱度的影响非常大。要保证很好的锥度，需要从以下方面来保证：

（1）控制零件两端中心孔的形状，在此我们加工中心孔时将两端的着色面积控制在85%以上。

（2）将零件外圆粗磨一刀，测量锥度，根据实测结果调整机床。

（3）控制砂轮磨削面的修整。

2.4 砂轮磨削参数的选用

图3 机床顶尖

图4 砂轮修整

针对此零件的材料及氰化淬火的热处理要求，磨削砂轮材料我们选用单晶刚玉（SA），为使砂轮具有良好的自锐性，选用中软硬度粒度为80#的砂轮；为了更好地匹配工件的磨削状况及减少磨削力，砂轮线速度18m/s，工件转速80r/min，精磨深度0.015～0.018mm。

为保证30º±5＇（两处）精度，需反复修整砂轮至如图4 所示，再进行靠磨加工。

2.5 加工调整

（1）在磨床上用两顶尖顶住工件，用千分表检查工件的全长径向跳动，尤其中间弯曲度最大处，观察其跳动量方向是否一致，再用千分尺检查工件的磨削余量及其余各项尺寸，以便随时掌握磨削状况。

（2）精磨削φ10.2 前，找正零件中减部位跳动不大于0.005。

（3）磨削时注意砂轮的磨损情况，当砂轮边缘明显出现凹坑等现象时，要及时修磨砂轮，始终保持砂轮的锋利；同时要保证冷却液有足够的流量，能及时带走热量及冲走磨尘，以防零件烧伤等。

3 结语

采用以上加工工艺方法和措施加工出来的细长花键轴满足了工艺技术及精度要求，对于细长花键轴类零件的磨削加工加工，主要是从如何有效消除其应力变形方面进行考虑，合理安排工艺路线，应安排去应力时效，并调整好机床设备，做好磨削准备工作，选用合适砂轮及合适的磨削参数。