薄壁细长轴类零件的外圆磨削

周建民，晋国，范晓东，刘希，韩庆斌

淮海工业集团十四分厂 山西长治 046012

1 序言

在生产过程中，有时会遇到薄壁细长轴类零件的外圆磨削加工。对于这类零件的外圆高精度磨削，如何装夹、定位显得非常重要，尤其是当内外圆要求有一定的同轴度时，其加工难度更大。

图1为薄壁细长轴零件结构，零件材质为30CrMnSi，长度为1450mm，最大磨削外径为65+0.02+0mm，最小外径为60+0.02+0mm，直孔孔径为54mm，最薄壁厚为3mm，外圆上分布有不同直径及外锥形结构，内孔要求表面粗糙度值Ra=0.8μm。内孔及各外圆的加工为关键工序。要保证各外圆0.02mm同轴度要求，必须经过磨削加工，而对于这样长的细长轴零件，如何装夹夹持、定位，如何保证磨削质量，都需要制定详细的工艺方案加以解决。

图1 薄壁细长轴零件结构

2 定位基准的确定与加工

首先对零件进行粗加工、半精加工，然后将孔作为磨削外圆的定位基准[1]，其原因为：①孔的加工相对难度大，只有保证在外圆有足够余量的前提下，才能完成对孔的精加工。②要求孔的表面粗糙度值Ra=0.8μm，加工质量要求较高。③将孔作为基准，配心轴，符合薄壁零件的磨削加工方式。

定位基准确定好后，要对孔进行精加工。采用深孔钻、镗，最后留合适余量进行珩磨加工，保证孔径的尺寸精度、直线度及表面粗糙度要求，从而确保零件的定位基准高精度。

3 创新性“低熔点合金油膜柔性心轴”法

内孔作为定位基准，必须配以心轴。若使用两端截短式心轴，零件中部是空虚的，则加工时会出现严重的振颤。使用内孔全长式心轴是最理想的，但是因内孔直径只有54mm，长度却达1450mm，若有一点点杂质，则内孔和心轴就会拉伤，造成内孔和心轴阻滞在一起，心轴无法取出，而使整个薄壁轴面临报废的后果，所以采用何种方式配心轴至关重要。

经过多次试验，采用“低熔点合金油膜柔性心轴”法，破解了这一加工难题。具体操作方法如下。

1）用已加工完成的薄壁轴内孔来配磨心轴。首先要将心轴两端进行淬硬处理，使其硬度达58～62HRC，使心轴两端顶孔有更好的硬度及耐磨性。然后采用外圆磨床精磨心轴外圆[2]，并与薄壁轴内孔配作，磨至心轴外圆直径比薄壁轴内孔直径小0.02～0.03mm，这时心轴在薄壁轴内孔中将出入自如。由于薄壁轴内孔和心轴或大或小会存在0.01～0.02mm不等的变形量，故造成薄壁轴内孔和心轴的接触状态是：薄壁轴内孔和心轴外圆在全长范围内，出现分布不均的点接触，但更多位置将存在微小间隙，大大减少了两者的接触面积，为两者之间的自由滑动创造了条件。

2）在薄壁轴内孔和心轴外圆上均匀涂抹L-AN46全损耗系统用油，以填充两者之间的微小间隙，确保两者的紧密接触。将内孔与外圆充分洁净，在心轴外圆和内孔中加入L-AN46全损耗系统用油，均匀涂抹，然后将心轴旋入薄壁轴内孔之中，这时在心轴和薄壁轴内孔之间将形成一层薄薄的油膜。这层油膜填充了心轴与薄壁轴内孔之间的微小间隙，形成缓冲介质，可以减少车削、外圆磨削加工时的工件振动，同时又避免了因心轴与薄壁轴内孔的直接摩擦而可能产生的划伤及滞死现象。

3）为防止因旋转加工中的离心力作用和刀具切削发热而使油膜丧失，同时辅助增强油膜所受压力，在零件两端进行低熔点合金浇注，确保心轴与薄壁轴内孔配合的全长部分实现封闭，从而保证两者接触的紧密性，最终保证薄壁轴在加工过程中具有足够刚性。图2为薄壁轴内孔与心轴涂抹油膜封堵。

图2 薄壁轴内孔与心轴涂抹油膜封堵

灌注低熔点合金长度不必太长，20～25mm长即可，间隙为3mm左右即可，这样既能起封堵作用，又能节约低熔点合金，同时方便快捷熔化。

4）薄壁轴加工完成后，将浇注有低熔点合金的两端放入开水锅中泡煮，低熔点合金流出后，取出心轴即可。浇注低熔点合金的好处是：固态时附着力好、强度高，熔点为75～85℃，利用100℃开水即可熔化和灌注，操作方便、快捷。但心轴取出时切记：从薄壁轴的哪一端进入，则一定还要从哪一端抽出，以确保心轴能够顺利取出。

由于心轴的结构设计需考虑很多因素，所以车制心轴时，其长度应大于零件实际长度200mm，且分布于两端各100mm，便于夹持、找正。零件在一端应加长25mm，目的是车削时有充分的加工余量[3]。加长部位还可用于配作联接销，这样配作好销孔、灌注好低熔点合金后，形成了一体，进行精车、精磨，待各段尺寸均磨削完成、检测合格后，加热泡煮低熔点合金使之流出，然后取出心轴。注意心轴从零件无销轴一端进入，还从这一端抽出，这样才能够确保心轴顺利取出。最后，线切割去掉零件的加长部分，掌握总长即可，从而完成了整个零件外圆的磨削加工。薄壁轴内孔与心轴配合装配如图3所示。

图3 薄壁轴内孔与心轴配合装配

在磨削精加工中，一定要注意吃刀量，经多次试验，磨削参数及质量分析见表1。

表1 磨削参数及质量分析

由于心轴和零件孔壁之间毕竟有微小间隙存在，再加上是细长轴薄壁零件，所以当吃刀量过小时，容易引起“共振”现象，产生磨削振动波纹。只有当吃刀量较大时，才能够使心轴与零件孔壁贴紧，这样就不会产生振动波纹。通常磨外圆配心轴时，由于心轴是带斜度、楔紧的，有自锁功能，所以无论吃刀量是0.01mm，还是0.005mm，均不会产生振动波纹。而加工薄壁细长轴是无法采用这种常规方法的。通过磨削机理分析，采用合理的磨削参数，粗磨时，选择吃刀量为0.12～0.16mm；精磨时，选择吃刀量为0.07～0.08mm。这样既避免了振动波纹及瑕疵的产生，又提高了磨削表面质量。

4 结束语

本文通过对薄壁细长轴零件外圆磨削加工进行工艺分析，从基本原理和实践经验出发，探索将多种加工技术优化组合，应用到薄壁细长轴类零件加工体系中，特别是针对该种产品外圆的磨削加工，总结出“低熔点合金油膜柔性心轴”法，详细介绍了该方法的实施要点和主要步骤，为加工类似薄壁细长轴类零件提供了经验借鉴。