主轴外圆超光滑研磨工艺

李彬 宋晓宇 吴媛媛 张晓朋 任东旭 赵则祥

摘要 为改善精密磨削后主轴外圆柱面的表面粗糙度和圆度，提出新型立式精密研磨方法并研制立式研磨装置。文章选取立式研磨方式下气缸压力、油石粒度、主轴转速3 个关键工艺参数对轴类零件加工精度的影响进行分析。基于 L9（ 34 ） 正交试验设计，采用S/N 响应法和 ANOVA 方差法对试验数据进行分析，得到优化的工艺参数组合，并用其对5 根尺寸为?50 mm × 160 mm 的40Cr 材质主轴外圆柱面进行研磨。结果表明：使用立式研磨法对工件外圆柱面加工3 h 后，工件的平均材料去除率为7 μm/h，平均圆度误差由4.12 μm 降为1.47 μm，表面粗糙度由326 nm 降为41 nm。

关键词 主轴零件；立式研磨；外圆研磨；表面粗糙度

中图分类号 TG58; TH161+.1 文献标志码 A文章编号 1006-852X（2023）04-0447-08

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0224

收稿日期 2022-12-19 修回日期 2023-02-05

精密主轴制造技术是装备制造业中的关键技术，一直以来被世界各国作为研究及应用的热点[1]。主軸零件的加工精度提升对提高超精密气体静压轴系回转精度及推动机床行业发展具有重要意义。精密主轴零件的表面粗糙度和圆度是影响主轴轴系回转精度和性能的重要参数[2-4]。因此，主轴零件在精密磨削后，需要进一步改善其圆度和表面粗糙度参数，以满足精密机床和超精密气体静压轴系的精度要求[5]。

针对主轴零件在精密磨削后的圆度修正和表面粗糙度改善问题，SUN 等[6] 采用砂带研磨方法，根据圆度测量结果进行修形， 改善了主轴精磨后的圆度值；LAYAK 等[7] 提出了采用弧面油石作为研磨工具，并通过油石往复振动来实现主轴外圆柱面的精密研磨；雷阳等[8] 研究了基于金刚石固结磨具的圆柱滚子研磨方法，且实现了圆柱滚子的批量高精度平面研磨。然而由于加工机构操作控制复杂，加工效率低，加工成本高，传统加工方法的生产能力受到限制，也使主轴零件在各个领域的应用受到很大限制[9-10]。

为进一步改善主轴零件磨削后的外圆柱面圆度和表面粗糙度，提出了一种针对主轴外圆柱面的精密立式研磨方法。该方法是在立式车削机理的基础上，采用气体静压主轴保证研磨过程中的工件回转精度，降低主轴零件外圆柱面的圆度误差；同时，由研磨机构在机床Z 轴的往复运动来确保主轴外圆具有较低的表面粗糙度。并且进行正交研磨试验，分析气缸压力、油石粒度、主轴转速对轴类零件的材料去除率、表面粗糙度、圆度的影响，最后得到轴类零件立式研磨的最优的工艺参数组合。

1 立式研磨原理及设备

相比于平面研磨工艺，圆柱面研磨需要更多的运动轴，同时还需要精确控制研磨头的接触压力。外圆柱面立式研磨原理如图1 所示：轴类工件立式安装，通过上下顶尖夹持固定，由下部的气体静压主轴带动工件旋转而形成主切削运动；油石通过气缸施加的一定压力在工件表面做往复运动，从而实现对外圆柱面的整体研磨过程。同时，工件旋转和油石往复进给的2种运动，使磨粒在工件表面形成螺旋状运动轨迹。随着加工过程的进行，磨粒自身会由尖锐变得磨钝，其切削能力将变弱，切削力将会提高；切削力提高至超过油石中结合剂对磨粒的把持力时，旧磨粒将会脱落，新的磨粒露出从而继续研磨，使方形油石的表面逐渐从平面变为弧面。油石形成的弧面会使其与工件更好地贴合，从而更加有效地对工件表面进行研磨，并在冷却液的作用下实现材料的微去除，最终使柱面的研磨质量符合要求。