高精度球形滚道的加工
2024-02-26任碧芳王锋强盖永亮
任碧芳，王锋强，盖永亮
航空工业庆安集团有限公司 陕西西安 710077
1 序言
高精度球形滚道特征类零件作为轴端承力件，在航空产品中使用频繁。一般情况下，球形滚道类零件需要经过氮化（或碳化）前滚道精加工、氮化（或碳化）后基准精加工，以及最终研磨抛光（精整和光整加工）才能达到产品质量要求。作为滚道曲面表面加工最后一道程序的研磨抛光至关重要。
高精度球形滚道特征类零件和球形滚珠配合使用，可以代替航空产品中部分平面轴承，达到精简产品结构、提高产品性能的效果，满足航空产品更新换代的需求。组件装配模型如图1所示，其中球形滚道特征类零件的设计、加工起到关键性作用，而滚道曲面相关尺寸要求严于轴承圈滚道和丝杠滚道。球形滚道的加工方法作为关键性技术，在国内外相关文献中很少被提及，类似于轴承圈滚道[1]、滚珠丝杠滚道的相关研磨加工工艺[2]，往往无法满足高精度球形滚道类零件的加工需求。
形状各异、大小不一的滚道曲面，因高硬度、高精度和表面光滑等特点，而成为目前机械加工的难题。如何实现高精度光滑球形滚道特征类零件的加工，同时保证零件设计相关尺寸的几何公差要求，是本文研究的重点。
2 球形滚道特征
球形滚道类盘、盖零件，其主要功能的实现依赖于零件上的高精度球形滚道特征（见图2），其中
图2 球形滚道特征
滚珠配合面半径为2.5+0.05+0.02mm，表面粗糙度值Ra=0.4μm；滚道装配定位精度0.03mm（即同轴度φ0.03mm）。根据球形滚道类零件的实际使用工况，其硬度要求较高，往往选用高强度合金钢材料加工，基体硬度≥48HRC；同时还要对滚道表面进行碳化或氮化处理，表面硬度≥58HRC，以保证基体韧性，并提高配合面强度及耐磨性。
零件上球形滚道特征的加工难点主要有：①加工材料自身硬度高，且球形滚道表面硬度更高。②曲面尺寸公差、几何公差要求严格。③球形滚道表面光滑。
在高硬度材料的机械加工过程中，如何满足零件的尺寸、几何公差和表面粗糙度要求，是保证产品质量、性能的关键。
3 球形滚道加工工艺
以具有滚道曲面特征的某扭矩压板零件为例，其材料为00Ni18Co8Mo5TiAl高强度合金钢，要求基体硬度≥48HRC，滚道表面渗氮硬度≥58HRC，滚道特征尺寸如图2所示。为了满足滚道要求，经试验验证，最终确定采用毛坯粗加工、半精加工和精加工工艺，并将热处理、表面热处理穿插其中。同时，利用宏程序进行半精加工车削，从而方便调节尺寸。以反向定位装夹方式精加工基准，从而保证零件形位精度要求。具体的加工流程为：粗加工→热处理→半精加工→表面氮化→精加工→研磨抛光。
3.1 滚道半精加工
粗加工热处理后，零件基体硬度≥48HRC，为保证滚道特征最终要求，使得抛研滚道后尺寸合格，在滚道曲面氮化处理前，使用端面圆弧刀具、利用宏程序半精加工滚道曲面，保证基体滚道半径尺寸mm、表面粗糙度值Ra=0.4μm及同轴度φ0.03mm。即在滚道表面渗氮前，保证所有尺寸要求。
（1）刀具的选用 为保证半径尺寸及表面粗糙度，车削选用R2mm圆弧端面槽刀。端面槽刀及圆弧刀片如图3所示。
图3 端面槽刀及圆弧刀片
（2）切削路径 粗车削槽型后，分层精车削滚道，切削路径如图4所示。
图4 切削路径
（3）切削参数 根据切削路径及尺寸要求，共分4层车削加工。编制宏程序[3]，以刀具控制分层深度，切削参数为主轴转速n=800r/min、进给量f=0.05mm/r。
滚道车削程序如下。
N1
M98P1
M3S800T1212
G0X36.Z25.M08
G1Z.5F.5
G74R.3
G74Z-1.25Q3000F0.3
G0Z50
M98P1
M01
N2
M98P1
M3S800T1213
G0G41X41.07Z25.M08
G1Z1.235F.5
G03X36.Z-1.3R2.535F.05
G03X30.93Z1.235R2.535F.05
G1Z2.F.5
G0Z50
M98P1
M01
N3
M98P1
M3S800T1214
G0G41X41.07Z25.M08
G1Z1.235F.5
G03X36.Z-1.3R2.535F.05
G03X30.93Z1.235R2.535F.05
G1Z2.F.5
G0Z50
M98P1
M01
N4
M98P1
M3S800T1215
G0G41X41.07Z25.M08
G1Z1.235F.5
G03X36.Z-1.3R2.535F.05
G03X30.93Z1.235R2.535F.05
G1Z2.F.5
G0Z50
M98P1
M01
N5
M98P1
M3S800T1216
G0G41X41.07Z25.M08
G1Z1.235F.5
G03X36.Z-1.3R2.535F.05
G03X30.93Z1.235R2.535F.05
G1Z2.F.5
G0Z50
M98P1
M01
在车削槽时，为保证同轴度φ0.03mm，在加工前找正基准A径向圆跳动≤0.01mm；为保证零件最终滚道表面粗糙度要求，在氮化前必须保证基体表面粗糙度值Ra=0.4μm。经实际加工验证，槽表面粗糙度值Ra为0.3～0.4μm，符合半精加工要求。
3.2 滚道精加工
零件表面氮化后，滚道表面硬度≥58HRC。为了消除变形、保证零件同轴度，需要以滚道曲面定位，精加工尺寸基准。以滚道曲面反向定位装夹，不破坏、损伤滚道表面氮化层，精加工零件A基准，磨削保证同轴度φ0.03mm要求。外圆磨削工装如图5所示。经加工验证，同轴度约φ0.02mm，满足设计要求。
图5 外圆磨削工装
3.3 滚道曲面研磨抛光加工
渗氮处理后，经过反向磨削精加工，零件各尺寸、几何公差已达到设计要求。而曲面渗氮时会使材料分子间结构发生变化，导致滚道“发毛”，表面粗糙。研磨、抛光是改善表面质量的有效手段，在不影响尺寸公差的情况下，只有通过液态浮动研磨、抛光，才能改善滚道表面质量[4]。研磨、抛光加工决定了零件配合表面质量，至关重要。
首先，需要去除滚道表面高点和氧化色，经试验验证，选用涂附类磨具静电砂纸A150#（2/0#）对零件表面进行粗抛光打磨。为方便操作，在小型车床BV20-1上由钳工进行，车床转速为1080r/min。其加工优点在于砂纸面软，可以紧贴滚道表面，均匀抛光。涂附磨具砂纸及车床抛光如图6所示。
图6 涂附磨具砂纸及车床抛光
其次，为保证滚道表面粗糙度值Ra=0.4μm，对滚道曲面进行研磨加工。磨料磨具对比见表1。经过对比分析及试验验证，最终选用JR-W5金刚石研磨膏[5]，借助工具羊毛轮（F×8×22×3-中硬）研磨滚道曲面（见图7），保证滚道表面质量要求[6]。其优点在于液态研磨膏的使用不会改变曲面形状及几何尺寸参数，在不影响曲面尺寸的情况下完成表面加工[7]。同时羊毛轮具有弹性和吸附性，不同于硬质研磨工具，可保证磨料完全贴合被加工曲面，均匀研磨。
图7 用研磨膏和羊毛轮研磨滚道曲面
这种液态浮动研磨的方法借鉴了浮动磨料研抛工艺[8]、浮动研磨及磨料流加工等方式，改变了传统的硬质工具研磨贴合不均匀、造成尺寸误差等弊端，使用半流动性加工法，在不改变曲面几何尺寸的前提下，改善了滚道曲面的表面质量。经检测，研磨抛光后零件滚道表面粗糙度值Ra为0.2～0.3μm，满足Ra=0.4μm的设计要求[9]。滚道曲面研磨抛光前后对比如图8所示。
图8 滚道曲面研磨抛光前后对比
4 结束语
本文通过对球形滚道特征的分析界定，设计了对应的加工流程，最终通过实物加工，验证了该工艺流程方法的可行性，解决了球形滚道曲面的加工难题。在涂附磨具对光滚道表面进行粗抛光后，使用液态浮动研磨法对其精研磨的柔性加工方法，在不改变滚道曲面的情况下，有效地改善了表面质量。对于球形滚道特征类零件，根据不同尺寸要求，在局部调整工艺后，能高质高效地完成相似零件的加工。液态浮动研磨法可以有效改善滚道表面加工质量，对于轴承、丝杠等通用零件的加工工艺改进、设备改造，具有一定的推广和借鉴意义。
