□ 马顺刚 □ 陈智明 □ 郭 进 □ 余 伦

中国科学院 光电技术研究所 成都 610209

1 高精度大跨距同轴孔加工现状

高精度大跨距同轴孔的加工精度直接影响设备或部件的装配质量,进而影响整机的性能和寿命。对于高精度大跨距同轴孔的加工,在精密镗床上通常采用镗模镗孔法、调头镗孔法、同轴孔研磨、悬伸镗孔法和支撑镗孔法等。

1.1 镗模镗孔法

王克武[1]在箱体大跨距等直径同轴孔系的精密加工中,采用镗模镗孔法对跨距为305 mm、孔径为100 mm的同轴孔进行加工,轴承孔尺寸精度达到H6级,同轴度为0.02 mm,生产效率较高,比较适合孔数较多的零件,能满足精度等级IT6、表面粗糙度Ra为3.2 μm的要求。镗模镗孔法如图1所示。

1.2 调头镗孔法

王礼美等[2]在主轴箱高同轴孔系加工中,从零件材质与精镗余量、精镗前道工序内孔尺寸形状控制、夹紧力与热变形影响、镗轴对孔影响等方面，对大跨距同轴孔加工精度进行了分析与工艺优化,采用调头镗孔法对各跨距同轴孔进行加工,能满足精度等级IT5、表面粗糙度Ra为3.2 μm的要求。调头镗孔法如图2所示。

▲图1 镗模镗孔法▲图2 调头镗孔法

1.3 同轴孔研磨

王树芝[3]在轴向柱塞泵变量机构壳体的同轴孔加工中,采用了自胀式同轴孔研磨工具进行研磨。同轴孔加工后，表面粗糙度Ra可达到0.2 μm，同轴度小于0.005 mm，内孔锥度在0.003～0.005 mm之间。对于分离式研磨套,可通过弹簧调节其与零件内孔的松紧,但无法对研磨套外表面的形状进行精确修研。

1.4 悬伸镗孔法和支撑镗孔法

悬伸镗孔法和支撑镗孔法[4-5]所采用的镗刀刀杆较长,导致镗杆刚度低、易振动,很难保证镗孔精度。

2 典型零件

轴承座零件如图3所示，这一轴承座零件具有两个明显的特点。轴承座采用2A14铝合金,对同轴度要求高的φ100 mm内孔，采用GCr15轴承钢衬套,与铝合金基体采用过盈配合,过盈量达到0.02～0.025 mm。两内孔间距约为300 mm,两孔圆柱度要求为0.003 mm,孔单基准同轴度要求为0.003 mm,其精度等级已经达到IT1级,表面粗糙度Ra要求为0.1 μm,要求极高。

▲图3 轴承座零件

装配前,钢套各表面在MG1432A精密磨床上加工完成,内外圆圆柱度、同轴度均小于0.003 mm。轴承座上的同轴孔在DiXi1200精密镗床上加工,两孔同轴度小于0.005 mm。

钢套与轴承座装配后效果如图4所示。采用文献[6]方法,对轴承座和钢套进行过盈量分析和过盈变形ANSYS有限元分析，发现由于轴承座和衬套结构刚度的各向异性,装配后内孔产生椭圆和锥度变形,圆柱度降低至0.02～0.03 mm。轴承座和衬套的实际装配结果也验证了这一点。由于衬套淬火后洛氏硬度(HRC)达到55～58,采用前述五种加工方法无法同时满足形位精度和表面粗糙度要求。对此,在分析零件精度特征的基础上,通过精密研磨两内孔,满足圆柱度、同轴度均小于0.003 mm,表面粗糙度Ra为0.1 μm的要求。

▲图4 钢套与轴承座装配效果

3 精密研磨加工

3.1 理论基础

零件内孔在精密磨削后,会存在多种谐波成分。通过对谐波成分进行分析,可以有目的地消除或减小某些较大的谐波分量对圆度误差的影响,进而提高内孔圆度。

R(θ)=R0+R1cos(θ+θ1)+R2cos(2θ+θ2)

+…+Rncos(nθ+θn)+…

(1)

式中:θ为任意一点半径方向与水平方向的夹角；R0为平均半径；Rn为n次谐波分量的幅值；θn为n次谐波的相角。

▲图5 零件内孔截面轮廓曲线

假设图5中存在这样一个O点,当以O点为极坐标的零点时,式(1)可以简化为：

(2)

此时,R1cos(θ+θ1)=0,O点即为圆度轮廓的中心。以O为中心,R0为半径的圆为参考圆,则圆度误差值ΔK(θ)为:

(3)

圆度误差ΔK(θ)同时可表示为:

ΔK(θ)=ΔK(θ)max-ΔK(θ)min

(4)

式中:ΔK(θ)max为最大圆度误差值；ΔK(θ)min为最小圆度误差值。

式(1)中，R(θ)的各项谐波分量并不都是圆度成分。零次项为圆度曲线的参考圆半径,一次谐波分量为圆度轮廓曲线的偏心量,二次及以上谐波分量才属于圆度误差成分。

根据目前所积累的资料,采用端面定位磨削内孔后,在内孔截面圆度误差成分中,15次及以下谐波分量占90%以上。由于研磨时研磨工具外圆与零件内孔接触良好,因此研磨后谐波成分幅值显著下降,从而减小了圆度误差。

3.2 传统研磨工具

对于同轴孔的研磨[7-9],一般采用如图6所示传统可调式研磨工具研磨内孔。使用这一工具，最重要的一点是保证研磨套内锥面与芯轴外锥面的有效配合。采用传统可调式研磨工具研磨同轴孔简图如图7所示。

▲图6 传统可调式研磨工具▲图7 传统可调式研磨工具研磨同轴孔

采用传统可调式研磨工具研磨轴承座的同轴孔时,存在一些问题。锥套壁厚一般为5～10 mm，壁厚太厚会导致调节余量不足,壁厚太薄会导致刚度不足。当锥套长度与锥套外圆的比值大于2时,因锥套内锥面的母线直线度、圆度较差,会使锥套与芯轴的相对接触面积远小于90%。调节螺母增大或缩小锥套外圆直径时,由于锥套外圆会产生不规则变形,因此无法提高锥套外圆的圆柱度,也就无法满足孔距与孔径比大于2的同轴孔的精密研磨。此外，两孔尺寸差较大时,无法分别修正两孔的尺寸精度。

3.3 研磨工具改进

针对传统可调式研磨工具无法提高轴承座大跨距同轴孔精度，两孔尺寸精度也较难保证的问题，笔者对传统可调式研磨工具进行了改进,如图8所示。

▲图8 改进后研磨工具

改进后的研磨工具由两个可调式研磨工具串联而成,其连接处采用大过盈装配。采用改进后的研磨工具对内孔进行研磨时需要注意三点。因内孔调节需要,研磨套须在内锥面磨削加工后,进行轴向开槽。芯轴与研磨套配合的内锥面在精密内外圆磨床上配磨,达到80%接触,再配合研磨,保证与研磨套内锥面的相对接触面积大于90%。锥套的内锥面采用1∶30锥度,可兼顾工具调节的分辨率与胀大或缩小的均匀性[10]。

由于研磨套内锥面与芯轴外锥面的紧密贴合,以及锥套调节结构与跨距无关,使调节螺母胀大研磨套外圆后,研磨工具两端外圆仍能保证0.002 mm的同轴度。研磨套胀大后与外圆圆度的椭圆长轴方向保持一致,使同轴孔在研磨加工时的研磨量一致,进而保证大跨距同轴孔的同轴精度。改进后研磨工具研磨轴承座同轴孔简图如图9所示。

▲图9 改进后研磨工具研磨轴承座同轴孔简图

3.4 注意事项

(1) 研磨剂。研磨剂由金刚砂、煤油、石蜡油、硬脂酸、动物油按一定比例配合而成,可减小内孔表面粗糙度值，防止研磨工具发热后划伤表面。其中,金刚砂的粒度对表面质量起至关重要的作用。

(2) 研磨工具的修研。修研研磨工具外圆时,实测机座尺寸,再调整研磨工具的外圆尺寸,保证其与机座内孔间隙在0.005～0.007 mm之间。修研后研磨工具两端外圆锥度小于0.001 mm,圆度小于0.002 mm。将研磨工具装入机座内孔时,调节工装外圆尺寸,使研磨工具的外圆与零件内孔的间隙在0.05～0.07 mm之间,便于轻松装入工件。

(3) 研磨工艺参数。研磨工具装入机座内孔后,在工具外圆上均匀涂抹M3.5研磨砂,并拧紧工具。拧紧力度以偏紧为宜,且根据内孔长短轴的误差方向,相应调整内孔的受力。未加研磨剂前,用表测量研磨工具外圆尺寸和零件内孔尺寸,使研磨工具内孔和零件外圆之间的间隙控制在0.005 mm左右。将机床转速控制在30 r/min左右,使研磨零件左右窜动,速度适中即可。研磨时间根据内孔直径、内孔长度、温度、材质、松紧度等各因素综合考虑。

(4) 防止喇叭口产生。研磨时,根据零件内孔锥度误差值的大小,将零件整体掉头,改变方向,均匀涂抹研磨剂,并及时擦除工具外圆研磨面两端多余的研磨剂,防止产生喇叭口。

(5) 一端孔不去量时的研磨。同轴孔加工中,当其中一个孔尺寸满足要求,另一端还需继续加工时,可将不加工的内孔与研磨工具外圆的间隙控制在0.005 mm以内,并均匀涂抹润滑脂,保护内孔,另一端内孔加研磨剂进行研磨。

4 结束语

大跨距同轴孔采用改进后的两端可调式研磨工具进行精密研磨后,圆度可达到0.001～0.003 mm，圆柱度可达到0.003 mm，同轴度可达到0.001～0.002 mm，表面粗糙度Ra小于0.1 μm。

采用精密研磨的工艺方法,可以获得优良的形位精度、尺寸精度和粗糙度,在孔距为200～1 000 mm的同轴孔精密加工中,获得了成功的应用。