轴类零件磨削加工中振纹产生机理及消除措施的研究

骆振富

【摘  要】轴类零件是产品的重要零件之一，轴类零件工作时的受力情况非常复杂，故其加工精度要求高。轴类零件在磨削加工中出现振纹，不仅影响轴体的圆度、同轴度、表面质量，在轴体工作时因疲劳断裂会影响发动机的寿命，故解决轴类零件磨削加工中出現的振纹迫在眉睫。本文所指的轴类零件，如曲轴、车轴等。通过从轴类零件磨削加工机床、加工工艺要素、工装夹具等方面研究，剖析轴类零件的磨削精加工中出现振纹的原因，分析并寻找解决振纹的措施，提高轴类零件磨削加工精度。

【关键词】轴类零件;磨削加工;振纹;自激振动

轴类零件本体影响。轴类零件结构复杂，工作时的受力情况非常复杂。因此轴类零件应具有足够的强度、刚度及抗冲击韧性。轴类零件复杂的形体结构，对磨削加工中设备、工装等要求高。且其刚性会比通常的轴体零件稍差，结构复杂，因此磨削加工中容易受各方面因素的影响产生晃动，轴体与砂轮接触面就会产生跳动现象。因此需要优化轴类零件的设计，减少动不平衡量，可以有效地减少振纹的出现。轴类零件自身不平衡也是产生振纹的一个重要因素，因此要控制轴类零件的不平衡量符合工艺要求[1]。

轴类零件材料影响。由于轴类零件的磨削加工性能要求高，毛坯的形状复杂，强度、韧性、冲击性能要好。因此，轴类零件毛坯采用锻件或铸件。轴类零件材料一般采用45钢、45Mn2、50Mn、40Cr、35CrMo钢、QT600-2球墨铸铁[2]等。在我国，广泛使用球墨铸铁轴类零件。选用球墨铸铁QT800-6的铸造轴类零件（材料牌号：HT200），磨削精加工性能好，可以有效地消除的磨削加工中振纹的出现。

轴类零件热处理影响。轴类零件磨削精加工[3]出现振纹的情况，排除铸造缺陷后，一般是从热处理开始的。热处理的好坏，直接影响后续的磨削精加工。轴类零件的热处理通常是淬火、低温回火。过高的硬度会影响磨削加工，砂轮硬度要求高，这样磨削加工时产生的磨削力就大，加剧振纹的产生。经过多次调整热处理参数及试验对比，发现淬硬层为1.5mm较好，及回火后的硬度为HRC45-50，可以有效减少后续精磨削加工振纹。

轴类零件加工机床的影响分析。轴类零件磨削精加工机床主要为专用的数控磨床。主轴前端安装砂轮的锥面径向跳动误差补偿，必然会引起砂轮旋转时的周期颤振，磨削轴类零件时就会产生振纹。这种情况可周期性检测并维修保养主轴，检测并调整其装配精度来保证磨削加工中的振纹影响。主轴长时间运转后，轴瓦会有不同程度的磨损，造成配合间隙增大，磨削轴类零件时主轴轴心漂移超差，使轴颈表面产生振纹。此情况时应重新维修并调整轴瓦，必要时更换轴瓦，并配合轴体标准件刮研、调整间隙至规定要求。砂轮架下导轨磨损后，滚柱与导轨接触刚性不足，在磨削轴类零件时也会由于磨削力不均匀而引起振动，从而在轴颈表面产生振纹。此时，须卸下砂轮架，研磨导轨，并配合选取砂轮架滚柱。磨削机床头、尾架主轴承精度达不到要求或由于轴承磨损后精度降低，是产生磨削振纹的又一因素。解决的方法是定期检查，并检查轴承精度。必要时更换精度较高的滚动轴承，选用精度高的液体静压滑动轴承。机床床面与移动导轨上面结合处因锈蚀等原因而出现松动，磨削轴类零件时也易诱发振动。解决的办法是用油石、砂布等将结合面研磨光整后重新装配。

机床振动的影响因素及消除措施。强迫振动是由外来的周期性或非周期性振动引起的，机床其它部分的振动也会引起机床的强迫振动。在一般情况下，其振动频率与外来激振力频率接近。产生强迫振动的主要原因很多。包括：主轴组件的本身不平衡;安装的砂轮不平衡、皮带轮不平衡而引起的离心力;电机转子的不平衡引起的电机振动，包括安装电机时的接触刚度不足;砂轮表面的不均匀磨削、切削液的吸附等都会引起砂轮的附加不平衡而引起主轴的强迫振动;机床上其它高速回转部分不平衡所引起的振动。上述原因均会引起机床的强迫振动，从而磨削轴类零件时产生振纹，恶化了轴颈表面质量。减小因主轴组件不平衡而产生振动的方法有：皮带轮要经过静平衡，以保证安装时皮带的松紧程度一致;新换砂轮要经两次平衡，即一次平衡后，经修整后卸下砂轮再平衡一次，使用过程中出现不平衡时应重新平衡。减小因电机产生振动的方法有：在电机与机床连接处加一隔振装置以消除电机振动的影响。必要时，电机转子要经过静平衡后使用，轴承松动时要及时更换或调整，以此来减小电机振动的影响。

自激振动是在磨削过程中产生的。当机床工艺系统[5]具有足够的刚度时，自激振动的振幅近似以正弦规律输出，其频率接近系统的固有频率。在轴类零件磨削加工过程中，砂轮与轴类零件轴颈的相互接触位置受到干扰时，使它们之间除正常的磨削运动外，还会发生周期性磨削振动，从而使轴颈表面上出现振纹，使表面粗糙度值增高，表面质量降低。当机床弹性系统的刚度、工件与砂轮的材质、切削[4]速度、进给量等都一定时，引起自激振动的主要原因就是磨削宽度。试验证明，当磨削宽度不大时，并不发生自激振动，磨削是稳定的。当磨削宽度增大到某一数值时，自激振动就发生了。

轴类零件磨削加工夹具的影响。由于轴类零件属于特殊的轴类零件，考虑到其加工的复杂性和刚性，通常采用中心扶架夹具[6]进行加工。扶架通常配合三角卡盘和定位套使用，扶架具有定位和夹紧功能，扶架对轴类零件的支撑定位是套上的滚动轴承的外圈。因此，其定位精度取决于滚动轴承的精度，其夹紧力通过手轮调节螺杆来控制。扶架随着加工轴类零件数量的增加，其上安装轴承滚珠磨损和变形，需定期检查轴承的跳动量及磨损情况。一旦出现轴承滚珠磨损或轴承径向跳动量过大，轴体在精加工中砂轮对其的挤压力不均衡，加工中容易产出晃动现象，故需调整扶架的扶持力度。同时轴类零件在不均匀挤压受力中转动容易造成轴类零件在中心扶架上跳动，需及时更换轴承。磨削多拐大功率轴类零件时，由于轴类零件自身太重，加之刚性较差，磨削时易引发自激振动，使被加工表面产生振纹。这样，可使用调节式机械开式中心架支撑轴颈，边磨削边用数控调整。

磨削砂轮的影响。在轴类零件磨削加工过程中，砂轮与轴类零件轴颈的接触面相互受到干扰时，它们之间除正常的磨削运动外，还会发生周期性磨削振动，从而使轴颈表面上出现振纹，使表面粗糙度值增高，表面质量降低。因此，磨削精加工中砂轮的选取至关重要。根据所磨削的零件进行选择，较小、较长轴体时选择小直径的砂轮，较大、较短轴体时选择大直径的砂轮，这样匹配性较好。有效地降低接触干扰，消除振纹。

通过对轴类零件磨削精加工中振纹产生的机理分析，寻找磨削精加工中出现振纹的原因，分析并总结出解决振纹的措施，提高轴类零件磨削加工精度及表面质量，在轴类零件磨削精加工中具有重要的指导意义。

参考文献：

[1] 编委会.曲轴设计加工新技术、新工艺与企业创新指导手册[M].北京：中国科技文化出版社，2008.

[2] 孙雅心.破碎铁素体球墨铸铁件的生产[J].铸造，2005，54（10）：91-92

[3] 卢秉恒.机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社，1999

[4] 韩荣第.金属切削原理与刀具[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007

[5] 王凡.实用机械制造工艺设计手册[M].北京：机械工业出版社，2008.01

[6] 王启平.机床夹具设计[ M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996

（作者单位：广东富华机械装备制造有限公司）