音轮磨削变形控制研究

牟宗理 曲 洋 袁贺玲

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，哈尔滨 150066）

1 音轮概述

音轮类零件材质具有导磁性，其结构中含有沿圆周均匀分布的悬臂（或齿），装配在发动机动力涡轮轴上。当发动机工作时，音轮会随着涡轮轴一起高速旋转，其悬臂（或齿）部分正对传感器的测量端[1]。两者的间隙发生周期性的交替变化，经过处理将其转换为周期性、上下对称的脉冲信号，由此可测出涡轮轴的转速，并计算出扭矩。

2 音轮加工问题

图1 零件加工

2.1 加工和装夹存在变形

此件号首次加工，没有任何加工经验，而且夹具不合适，造成夹具装夹后变形较大。磨削拆卸后，测量零件外径，椭圆度为0.006 ～0.008 mm，无法达到工序图要求的尺寸精度。

2.2 零件选配夹具时间长

零件原有的磨削夹具分为1 级、2 级、3 级、4 级这4 个尺寸等级，见图2。夹具分级部位与零件内孔尺寸相匹配，选配时需要先测量零件内孔尺寸，再据此选用合适等级的夹具。

图2 磨削夹具实物

3 零件磨削变形原因分析

3.1 零件结构刚性差

由于此零件磨削部分四爪属于悬臂结构，四爪分离且无任何强度支撑特征，零件爪宽为2 mm、爪长为8.6 mm，长宽比达到4.3 ∶1，说明是零件自身的结构导致其刚度较低，加工时其外径受砂轮挤压。此外，由于四爪分离，砂轮与零件并非连续切屑，零件会受到周期性的冲击力。再加上零件四爪部分容易发生弹性变形，且四爪变形大小不一致，使得加工过程不稳定，很难达到要求的加工精度。

3.2 轴向夹紧产生弯曲变形

零件装配定位时，零件的小端面与内孔为定位面。旋扭螺母，使四爪在压盖的作用下夹紧零件，见图3。由于悬臂结构的特点，音轮上的四爪受轴向夹紧力后产生弯曲变形，弯曲程度与轴向力成正比。磨削后松夹，零件恢复变形，这同样会导致尺寸精度无法保证。

图3 零件轴向变形

3.3 旋紧压盖产生扭转变形

夹具采用粗牙螺纹，使螺母与螺栓配合间隙较大，压盖在压紧时与零件径向定位面不垂直，导致音轮四爪端面受力不均匀，不能同时接触到压盖，先接触的一爪受力较大，弯曲变形也较大[2]。同时，受音轮四爪悬臂结构的影响，受力较大的一爪产生扭转变形，如图4 所示。

图4 零件扭转变形

3.4 磨削参数不合适导致零件精度差

零件加工时，砂轮的切削方式、材质、转速、吃刀量等因素均会影响零件最终的粗糙度以及尺寸精度。按照以往的参数经验值磨削零件，发现零件表面发生变色，说明零件表面已经被烧伤。测量零件表面粗糙度，为0.8 μm；测量零件加工后的椭圆度，最大为0.008 mm，表明目前的加工参数无法满足加工要求，需要进行优化和改进。

4 技术关键和技术改进途径

4.1 技术关键

一方面，通过合理改进零件装夹方法，克服零件结构引起的刚性差缺陷，减少零件装夹产生的变形。另一方面，通过合理选择磨削方法和背吃刀量，减小零件受到砂轮磨削挤压产生的径向弹性变形，以达到尺寸精度，满足零件设计要求[3]。

4.2 技术改进途径

根据零件结构特点，提升定位稳定性，初步采用锥度心轴的定位方法，消除零件轴向压紧变形，减小径向装夹产生的变形，保证零件加工精度。选择合理的磨削方式和切削用量，减小零件受到砂轮磨削挤压产生的径向弹性变形。

5 音轮磨削变形控制措施

为消除轴向压紧产生的弯曲变形和扭转变形，决定采用锥度心轴装夹零件。

5.1 做好磨前准备

设备采用精度更高的MG1420E 型高级万能外圆磨床，磨料选用硬度较高、韧性较低、散热性良好、价格适中的白刚玉，粒度选择粒度适中的F80。由于薄壁刚性差，选用硬度相对较低的K 级砂轮，规格为Φ300 mm×25 mm×Φ127 mm。量测具选用外径千分尺和杠杆千分尺。自制锥度心轴（见图5），材料选用经淬火的45 号钢，心轴长度为150 mm，锥度磨削斜度为0.011 mm/100 mm。

图5 锥度心轴实物

锥度心轴两端的顶尖孔加工，采用带保证锥的B 型中心孔，便于修研。自制心轴外径跳动应达到0.002 μm，若不合格则要修研两端中心孔直至跳动合格。为使锥度心轴不易磨损，提高其耐用度，磨削锥面的粗糙度应在0.4 μm 以上[4]。

5.2 零件定位、装夹

零件从小端进入，四爪朝向心轴小端，心轴卡住零件的受力位置为定位孔的左端，距离四爪位置较零件从反向装入时远，四爪受夹紧力更小，产生的涨紧变形也更小。夹紧力应以刚能卡紧零件为宜，这样可将变形控制到最小。零件正向、反向装入示意图分别如图6、图7 所示。

图7 零件反向装入

5.3 合理选择磨削方式

切入式磨削方式为砂轮纵向无位移、径向进给上刀。切入式磨削是径向进给，砂粒被磨碎后不易脱落，因此磨削热不易散出，零件容易产生热变形和磨削烧伤。而纵向磨削方式是砂轮旋转，零件反向旋转（径向进给），并和工作台一起做直线往复运动（纵向移动走刀）。当每次纵向行程或往复行程终了时（零件位于砂轮两端），径向进给上刀1 次。

纵向磨削具有3 个特点。第一，切削主要由径向进给时零件与砂轮接触部分的砂粒完成，后续与砂轮接触部分的新砂粒主要起到提高零件粗糙度的作用。第二，由于径向进给量（背吃刀量）小、切削力小，砂轮工作台的纵向往复移动提高了零件接触砂轮不同位置的频率，从而加速了被磨削部位砂粒的脱落，散热好、磨削温度低。第三，在精磨至最终时，无径向进给的“光磨”往复行程可消除工件刚性不足引起的弹性变形，提高零件磨削表面粗糙度，因此可用于磨削精度较高的零件[5]。

综上所述，磨音轮外圆时零件结构刚性差，为消除或减小零件受到砂轮磨削挤压产生的径向弹性变形，分散加工应力，减少磨削热，应采用纵向磨削的方法，而不选用直接径向进给上刀的切入磨削法，如图8 所示。

图8 零件磨削

5.4 合理选取磨削用量

5.4.1 工件转速

根据加工材料、砂轮材料和砂轮样本推荐值，粗磨时工件圆周线速度应为7 m·min-1，精磨时工件圆周线速度应为10 m·min-1。

工件转速计算公式为

式中：N为工件转速；V为线速度；D工件为工件直径。计算可得，工件粗磨转速N粗为61 r·min-1，工件精磨转速N精为87 r·min-1。

5.4.2 背吃刀量

由于零件采用锥度心轴定位，受夹紧力较小，无法承受较大的磨削抗力，而且零件结构刚性较差，背吃刀量应比一般零件磨削量要小。磨音轮外圆时，粗加工时每次径向进给背吃刀量应为0.010 mm，精加工时每次进给背吃刀量应为0.005 mm。

5.4.3 砂轮纵向走刀进给量

一般来说，粗加工砂轮纵向进给量f粗的计算公式为

式中：B砂轮为砂轮宽度。

精加工砂轮纵向进给量f精的计算公式为

计算可得，f粗的取值为100 ～200 mm·min-1，f精的取值为50 ～100 mm·min-1。

在实际加工时，由于零件受夹紧力较小，先粗加工，进给量选取100 mm·min-1进行纵向磨削，导致零件受到的进给力Ff过大。在磨削过程中，发现断屑磨削，磨削声音不连续，零件窜动，零件外径与内孔不同心。零件用锥度心轴加工时，定位稳定无变化。为减少进给力，第2 次选取50 mm·min-1的进给量进行纵向磨削，零件径向上刀试加工后，在机床上测量零件无窜动、变形小，尺寸一致性高，能够保证加工精度。

5.5 充分冷却

为减少磨削热，避免磨削热变形、烧伤和磨削裂纹的影响，应尽量使用充足的切削液来冷却磨削部位和工件。

6 改进后零件的加工效果

第一，零件加工尺寸精度对比。改进前，零件使用原有夹具加工后，经测量零件的椭圆度为0.006 ～0.008 mm，无法满足尺寸精度要求。改进后，采用锥度心轴装夹零件，使用纵向磨削方法，并在最后精加工时光磨，零件的椭圆度可控制在0.002 ～0.003 mm，可以满足尺寸精度要求。第二，零件表面粗糙度对比。改进前零件表面粗糙度为0.8 μm，改进后粗糙度为0.4 μm。第三，零件合格率对比。改进前零件的加工合格率为0，改进后加工合格率达到100%。合格零件如图9 所示。

图9 合格零件

7 结语

文章分析了引起加工变形的各个因素，并从装夹方式、磨削用量、加工参数等多个方面改进了加工工艺，保证了零件的合格交付。