薄壁磨盘关键加工工艺研究

陈晓强 张 毅 牛俊凯 时云鹏 李国伟 闫道恒（郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 郑州450001）

在对薄壁磨盘类工件进行加工时，基体端面易因为加工应力释放、及砂轮块和基体结合面的应力释放导致薄壁磨盘发生变形，造成产品的形位公差、形状公差等不能够满足图纸要求，亦不能够满足客户使用情况。薄壁磨盘若出现端面不平的情况，客户上机磨削工件会出现平面度超差、粗糙度超差等问题。薄壁磨盘的形位公差、形状公差是否合格是薄壁磨盘质量优劣的关键因素之一，同时也是薄壁磨盘加工的难点之一。

1 薄壁磨盘工艺分析

图1 所示为薄壁磨盘，属于薄壁类产品，薄壁磨盘基体厚度3mm，基体材质为65Mn,要求硬度HRB30-32，平面度要求0.03mm，平行度要求0.04mm，基体要求粗糙度Ra1.6，基体上面布局着180 个金属结合剂砂轮块，砂轮块直径φ10，厚度5.3，结合剂型号为H，金刚石粒度为120#。

图1 工件图纸

表1 原材料属性

65Mn 一般热处理工艺为：淬火处理，温度830℃，淬火剂:油，回火温度540℃，力学性能优良。

难点分析：

直径厚度比大，直径φ300：3=100:1，端面布置180 个砂轮块，亦基体需要开180 个槽，基体端面开槽一般采用铣削的方式进行，鉴于基体壁薄，铣削会导致在基体应力集中、变形，槽内部还需粘接砂轮块，也使得一定的粘接应力造成基体存在内应力，导致基体无法保证平面度砂轮，最终无法满足薄壁的平行度。

结合磨盘特点，采用逆向思维的方式，运用自顶向下的方法，结合现场机加工情况，以磨盘基体内应力的产生和消除为线索，对磨盘的加工工艺进行分析优化。

拟定制工艺：

拟定工艺路线：下料→调质处理→粗车→磨削→热处理→铣→钳→磨削→热处理→检测→粘接→钳→磨削→检测

以内应力的产生、消除、转换等作为工作的重点。最终以消除内应力为目的，实现产品质量的稳定。论文主要针对产生内应力较突出的工序进行分析、优化。

为在加工中检测薄壁基体的变形情况，论文将薄壁磨盘划分为纵向划分成外、中、内分别是A、B、C 三个区域；按照坐标象限划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域。

如下图所示：

图2 磨盘区域划分图

2 车削应力分析

传统车削加工主要采用三爪卡盘、四爪卡盘进行加持，以三爪卡盘为例，当基体贴平卡爪并加紧时，基体相对于卡盘有三个支撑点，同时受到F1、F2、F3 三个法向力，车削受力情况如图2、3 所示。

图3 车削受力图

图4 工件加持受力图

图5 工件受力简图

根据作用在刀具上的切削合力F 分解为相互垂直的切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp，结合作用力是相互的原理，如图1 所示，分析可得，作用到工件上的合力为F'。在实际加工过程中，因薄壁基体强度低，支撑点少，切削点相对三个支撑点的力臂在一直改变，如图3 所示，对于薄壁工件，车削处于不稳定状态，车削产生振动，车削热不易散去，导致基体变形严重，严重时将无法进行正常车削。

根据以上分析可知，为实现车削的稳定进行、减少内应力产生，需从增加工件的支撑面、减少车削振动、降低车削热等方面进行改善。结合现场实际加工情况，采用电磁吸盘吸持的方式来增加工件加工时的支撑面，对比分析，采用吸盘吸持加工后，降低了加工时的振动，通过薄壁基体和吸盘贴合面的增加，工件在加工时候的散热能够快速通过吸盘带走一部分，实现了工件的稳定加工。

采用同样的车削参数，用三爪卡盘和吸盘做为加持工装进行试验，运用平面度仪检测基体的平面度的各处的最大值结果，如表2、3。

图6 应力最大值1

图7 应力最大值2

由试验效果可知，采用吸盘做为车削薄壁基体的支撑，整体变形变小，残余内应力明显减少，分析主要优点：有助于散热，提高工件的导热率，切削温度下降快，降低切削温度、减少切削热，提高刀具耐用度，降低因切削热引起内应力及变形。

3 铣削路径分析

在铣削过程中，借鉴车削增加支撑面的方式，采用吸盘对工件吸持后进行铣削加工，基体端面布局着180 个槽，将180 个槽简化为180 个应力产生点，控制180 个应力点的出现顺序，通过应力点相互作用，实现降低铣削过程对基体的应力集中。

在铣削前热处理工序中，已将前道工序中车削、磨削的残余应力消除大部分，经铣削后，通过平面度仪检测基体的平面度各处的最大值。

从检测图表分析可知，轨迹2 变形量最小，因此，工艺采用轨迹2 进行加工，优点分析：采用内外整圈交替铣削，在加工过程中，工件散热较好，且加工点的交替受力，降低了残余应力。

4 粘接优化分析

图8 三种铣削轨迹

图9 应力最大值3

图10 应力最大值4

薄壁基体经热处理后，前面加工工序产生的残余内应力消除殆尽，为避免在粘接过程中产生内应力或者尽量小的产生内应力，因此需要对胶黏剂的选择及粘接工艺进行研究。

磨盘主要用于粉末冶金件的端面磨削，长期浸泡在磨削液环境中，同时在磨削中产生一定的热量。粘接对象为65Mn 和金属结合剂砂轮块，金属结合剂砂轮块主要为铜锡烧结而成，可以借鉴金属- 金属粘接进行胶黏剂。磨盘采用圆形块和浅槽配合的嵌接形式；受力主要受工件的压应力和磨削应力，粘接面为直径φ10mm 的圆形。

表2 胶黏剂特征表

综合分析胶黏剂的特点，结合无机胶黏剂有不收缩、可室温固化的特点，从粘接应力的方向出发，拟采用无机胶黏剂对砂轮进行粘接固化。但在加工过程中，齿的高度有一定的误差，且槽深亦有区别，需对块进行加压固化，对比薄壁基体加压不均匀也会产生一定的内应力，因此，需对加压过程进行分析优化。

采用大理石平板做为载体，将磨盘底部放置到平台上，在保证粘接强度的情况下，同时保证薄壁基体槽在受压均匀，避免因为受力不均匀产生翘曲、变形的情况，拟采用在加压盖板与砂轮块中间垫介质的方法。主要选用的介质为：5mm 硅胶垫、5mm 聚氨酯、5mm 橡胶皮。分布采用介质进行加压固化，同时分布采用5KG、10KG、20KG 加压固化，测量固化后最大变形量。

表3 应力最大值

经对比分析可知，采用硅胶垫，加压20KG 固化，薄壁砂轮的变形量最小，能够达到薄壁砂轮平面要求。

5 结论

薄壁磨盘结构简单，但加工变形大，通过分析加工工序，采用自顶向下的思路，以内应力的产生和消除为突破口，重点分析并优化了车削、铣削、粘接环节的工艺，降低了工序中内应力的出现，保证了薄壁磨盘的产品质量，为同类型产品的加工提供了思路，具有很好的示范作用。