郭忠华 刘 威

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 065201)

高速空气静压电主轴是一种直接依赖于静压气体轴承技术、电机设计制造与高速驱动技术、旋转体振动控制技术的机电一体化功能部件，其原理主要是电主轴采用静压气体轴承支撑，止推轴承承受轴向载荷，轴径轴承承受径向载荷，由变频电动机驱动，实现主轴系统的零传动。由此可见，空气静压轴承是空气静压电主轴的关键核心零件，其加工精度直接影响电主轴的运行功能与效率。本文就静压轴承的加工制造工艺进行了详细的分析与阐述，希望为今后类似零件的加工工艺提出参考依据。

1 轴承体图纸分析

如图1 所示，该轴承体材料为H68 黄铜材料，全长为320 mm，整体结构大体为空心轴类，主要精度指标:中间内孔为Φ20 ±0.001 5 mm，其粗糙度要求0.1 μm、圆柱度要求0.002 5;外圆为，其粗糙度为0.8 μm，与内孔Φ20 ±0.001 5 mm 的同轴度为0.005。

2 工艺流程的制定及难点分析

2.1 工艺流程的制定

零件材料H68 为应用最为广泛的普通黄铜，有良好的塑性和较高的强度，切削加工性能好，易焊接，但易产生开裂，因此毛坯采用Φ65 mm 型材棒料，先粗车外圆至尺寸Φ62 mm，车内孔至尺寸Φ18 mm，外圆及内孔均留有余量，再粗磨外圆，并铣削两端45 mm×45 mm 四方及28 mm ×5 mm 槽，经油煮定性处理后，加热至120～140 ℃保温12 h，以释放粗加工所产生的加工应力，处理后，半精车内孔Φ20 ±0.001 5 mm 留研磨余量，穿心轴精车外圆留精磨余量，研磨内孔及精磨外圆以前，穿心轴上分度头，钻径向4 组8×Φ2 mm 孔并满足技术条件，最后研磨内孔Φ20 ±0.001 5 mm 内孔保证粗糙度要求0.1 mm 及圆柱度要求0.001 5 mm，以内孔为基准穿心轴精磨外圆mm，保证粗糙度0.8 μm 及与内孔Φ20±0.001 5 mm 的同轴度0.005 mm。工艺流程如图2 所示。

2.2 加工难点分析

(1)该件中间内孔Φ20 ±0.001 5 mm 尺寸公差等级为IT2 级，而且长度长达320 mm，长径比为16，已属于深孔加工系列;粗糙度仅为0.1 μm，属于只能通过超精加工方法才能达到的暗光泽面;圆柱度要求0.002 5 mm，为形状公差5 级。如果精加工采用磨削加工，由于深孔磨削时，砂轮与工件的接触面积大，发热量大，冷却条件差，工件易产生热变形，特别是磨削深孔的砂轮轴细长，刚性极差，很容易弯曲变形，造成内圆锥形误差，而且还由于工件材料为有色金属，易堵塞砂轮，加工较为困难，且不易达到精度要求，所以该内孔采用金刚石高速精车留研磨余量，再通过设计的专用工装进行内孔研磨，以达到内孔Φ20 ±0.001 5 mm、粗糙度0.1 μm 及圆柱度0.002 5 mm。

3 专用工装卡具的设计

3.1 内孔Φ20 ±0.001 5 mm 研磨工装设计

由于内孔Φ20 ±0.001 5mm 的粗糙度要求0.1 μm 及圆柱度要求0.002 5 mm，是该工件的设计及加工基准，同时也是其最为关键的工艺加工难点，它的精度能否达到要求，直接关系到整个零件的安装、加工及定位基准。但如此高的尺寸公差、形状公差及超高的粗糙度要求，只能用研磨来最终完成。考虑到加工精度、装夹及加工效率，设计出专用可调研磨棒来完成内孔Φ20 ±0.001 5 mm 的最终加工，原理如图3 所示。

该工装芯轴6 与研磨套3 靠1∶50 的小锥度接触定位，使用时，可调节左右螺母1 和5，由螺纹的旋紧力对左右垫套2 和4 产生推力，依靠心轴6 的1∶50 的小锥度配合在研磨套3 上产生涨力。如图4 所示，由于研磨套3 上开有直槽，因此，可调节研磨套3 的外径大小。操作时，先调节可调研磨棒，使研磨套3 的外径大小调到Φ20 ±0.001 5 mm，然后将可调研磨棒装卡在精密车床上，操作者手持工件内孔套在研磨套3 的外径上，沿长度方向反复研磨，最终达到内孔Φ20 ±0.001 5 mm、粗糙度0.1 μm 及圆柱度0.002 5 mm 的要求。

3.2 内孔Φ20 ±0.001 5 mm 两侧锥堵工装设计

图5 为锥堵工装装配示意图，工件4 与两侧锥堵3和5 靠1∶ 2 500 小锥度过盈接触定位，磨削外圆时螺母1 和垫圈2 暂不组装(螺母1 和垫圈2 为拆卸装置)，只将左锥堵3 与右锥堵5 缓慢压入工件Φ20 ±0.001 5 mm 内孔两侧，两顶尖装夹磨削外圆。由于工件与两侧锥堵1∶ 2 500 的小锥度过盈接触配合没有间隙，因此，磨削后有效地保证了内孔Φ20 ±0.001 5 mm 与外圆同轴度0.005 mm。加工完成后拆卸锥堵时将垫圈2、螺母1 组装，旋入螺母将左锥堵3 带出，再用塑料棒将右锥堵5 顶出。

在加工两端锥堵时为了保证锥堵两顶尖孔与工件内孔轴心线同轴，采用了下6 图所示的加工办法。即，图6 为左右锥堵组合加工图，组合加工是为了保证两顶尖孔与左右锥墙1∶ 2 500 圆铁锥轴心线同轴共线。两侧锥度组合磨削完成后，在B 指示处用线切割切断，形成两个一致的左右锥堵。

4 结语

综上所述，在空气静压轴承体的工艺设计方案中，作为设计、工艺及安装基准的Φ20 ±0.001 5 mm 孔的加工精度在整个工艺流程中起着关键的作用，我们通过设计的可调研磨装置，最终取得了很好的效果，同时，研磨装置的主要零件心轴及研磨套的加工也异常重要;在外圆磨削中，两侧对称小锥度锥堵的设计有效地保证了内孔Φ20 ±0.001 5 mm 与外圆同轴度0.005 mm。本文从毛坯的选择、工艺路线的制定、难点分析到工装的设计、加工设备及刀具的选择做了简要阐述，其中可调研磨装置还有待进一步改进，希望此加工工艺方法对于类似的轴承体的工艺设计方案具有一定的借鉴作用。

［1］陈家芳.典型零件机械加工工艺与实例［M］.上海:上海科学技术出版社，2010.

［2］孟少农.机械加工工艺手册(第二卷)［M］.北京:机械工业出版社，1991.

［3］刑建东.工程材料基础［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［4］王明权，李战伟，贾月明.高速空气静压电主轴的震动及控制策略［J］.电子工业专用设备，2011，11:46 -51.