主轴外圆超光滑研磨工艺.pdf

主轴外圆超光滑研磨工艺*李彬1，宋晓宇1，吴媛媛2，张晓朋1，任东旭1，赵则祥1（1.中原工学院 机电学院,郑州 450007）（2.郑州经贸学院 智慧制造学院,郑州 450099）摘要为改善精密磨削后主轴外圆柱面的表面粗糙度和圆度，提出新型立式精密研磨方法并研制立式研磨装置。文章选取立式研磨方式下气缸压力、油石粒度、主轴转速 3 个关键工艺参数对轴类零件加工精度的影响进行分析。基于 L9(34)正交试验设计，采用 S/N 响应法和 ANOVA 方差法对试验数据进行分析，得到优化的工艺参数组合，并用其对 5 根尺寸为 50 mm 160 mm 的 40Cr 材质主轴外圆柱面进行研磨。结果表明：使用立式研磨法对工件外圆柱面加工 3 h 后，工件的平均材料去除率为 7 m/h，平均圆度误差由 4.12 m 降为 1.47 m，表面粗糙度由 326 nm 降为 41 nm。关键词主轴零件；立式研磨；外圆研磨；表面粗糙度 中图分类号TG58;TH161+.1文献标志码A文章编号1006-852X(2023)04-0447-08DOI 码10.13394/ki.jgszz.2022.0224收稿日期2022-12-19修回日期2023-02-05 精密主轴制造技术是装备制造业中的关键技术，一直以来被世界各国作为研究及应用的热点1。主轴零件的加工精度提升对提高超精密气体静压轴系回转精度及推动机床行业发展具有重要意义。精密主轴零件的表面粗糙度和圆度是影响主轴轴系回转精度和性能的重要参数2-4。因此，主轴零件在精密磨削后，需要进一步改善其圆度和表面粗糙度参数，以满足精密机床和超精密气体静压轴系的精度要求5。针对主轴零件在精密磨削后的圆度修正和表面粗糙度改善问题，SUN 等6采用砂带研磨方法，根据圆度测量结果进行修形，改善了主轴精磨后的圆度值；LAYAK 等7提出了采用弧面油石作为研磨工具，并通过油石往复振动来实现主轴外圆柱面的精密研磨；雷阳等8研究了基于金刚石固结磨具的圆柱滚子研磨方法，且实现了圆柱滚子的批量高精度平面研磨。然而由于加工机构操作控制复杂，加工效率低，加工成本高，传统加工方法的生产能力受到限制，也使主轴零件在各个领域的应用受到很大限制9-10。为进一步改善主轴零件磨削后的外圆柱面圆度和表面粗糙度，提出了一种针对主轴外圆柱面的精密立式研磨方法。该方法是在立式车削机理的基础上，采用气体静压主轴保证研磨过程中的工件回转精度，降低主轴零件外圆柱面的圆度误差；同时，由研磨机构在机床 Z 轴的往复运动来确保主轴外圆具有较低的表面粗糙度。并且进行正交研磨试验，分析气缸压力、油石粒度、主轴转速对轴类零件的材料去除率、表面粗糙度、圆度的影响，最后得到轴类零件立式研磨的最优的工艺参数组合。1立式研磨原理及设备相比于平面研磨工艺，圆柱面研磨需要更多的运动轴，同时还需要精确控制研磨头的接触压力。外圆柱面立式研磨原理如图 1 所示：轴类工件立式安装，通过上下顶尖夹持固定，由下部的气体静压主轴带动工件旋转而形成主切削运动；油石通过气缸施加的一定压力在工件表面做往复运动，从而实现对外圆柱面的整体研磨过程。同时，工件旋转和油石往复进给的 2种运动，使磨粒在工件表面形成螺旋状运动轨迹。随着加工过程的进行，磨粒自身会由尖锐变得磨钝，其切削能力将变弱，切削力将会提高；切削力提高至超过油 *基金项目：国家自然科学基金（5197052166，51905558）。2023 年 8 月 第 4 期金刚石与磨料磨具工程Aug.2023第 43 卷 总第 256 期Diamond&Abrasives EngineeringNo.4 Vol.43 Serial 256石中结合剂对磨粒的把持力时，旧磨粒将会脱落，新的磨粒露出从而继续研磨，使方形油石的表面逐渐从平面变为弧面。油石形成的弧面会使其与工件更好地贴合，从而更加有效地对工件表面进行研磨，并在冷却液的作用下实现材料的微去除，最终使柱面的研磨质量符合要求。上顶尖下顶尖工件往复运动石油冷却液图1立式研磨原理Fig.1Principleofverticallapping 根据图 1 的研磨原理，搭建如图 2 所示的外圆研磨试验设备。该设备是将专用立式车床进行改造得到，其采用立式动立柱式布局结构，包括 X，Z 进给运动轴，工件主轴和顶尖轴。其中：X，Z 运动轴采用高精度直线滚动导轨，由伺服电机和丝杠螺母副实现驱动；工件主轴端部安装顶尖，采用气体静压轴承支承，保证加工过程中工件旋转精度；顶尖轴采用高精度直线滚动导轨，配置雄克活顶尖，由双作用气缸驱动，并通过精密调压阀调整顶尖对工件的夹持力。2试验方案2.1试验条件试验使用的工件为 50 mm 160 mm 的 40Cr 主轴零件，每组选择 9 个工件进行加工；试验加工用白刚玉油石尺寸为 60 mm 25 mm 20 mm，白刚玉磨料采用陶瓷结合剂黏结油石，硬度等级为 P 级，组织号为 6 号。试验时的冷却液为纯净水，气体静压主轴的供气压力下顶尖压力为 0.40 MPa，上顶尖压力为 0.20 MPa。1 轴轴向进给速度为 1 000 mm/min，研磨时间为 3 h。试验工件其中一组的表面粗糙度、圆度初始测量数据如图 3所示。从图 3 可以发现：工件的初始表面粗糙度在0.30.5 m，初始圆度在 25 m。其他组试验工件的初始测量结果与本组基本相同。65432112345工件序号67890工件初始数据/m表面粗糙度圆度图3某组工件的初始表面质量测量结果Fig.3Initialsurfacequalitymeasurementresultsofacomponent 2.2试验设计轴类零件外圆立式研磨加工过程主要通过工件旋转和油石进给 2 种运动实现，2 种运动在工件表面形成的运动轨迹呈螺旋状。试验工件研磨过程中会有很多因素对试验工件外圆柱面的加工精度以及加工效率产生影响，其中主要有工件材料、研磨液、加工系统的稳定性、主轴转速、进给速度、油石粒度、气缸压力、主轴转速等。试验以工件材料、研磨液、进给速度、稳定的系统为确定条件，主要分析在研磨过程中气缸压力、油石粒度、主轴转速 3 个关键的工艺参数对试验工件的材料去除率（RMRR）、表面粗糙度(Ra)、圆度（R）的影响，并设计 L9(34)正交试验，以确定最优的参数组合，见表 1。图2立式研磨设备Fig.2Verticalgrindingequipment448金刚石与磨料磨具工程总第 256 期表1正交试验表Tab.1Orthogonalexperimenttable试验序号因素A气缸压力p/MPaB磨粒粒度l/mC主轴转速V/(rmin1)10.033.530020.035.050030.037.080040.053.580050.055.050060.057.030070.073.550080.075.030090.077.0800 2.3指标评价以工件圆度和表面粗糙度为主要的评价指标，对试验结果进行分析。试验所用的检测装置及测量过程如图 4 所示。工件表面粗糙度使用德国 MarSurf M300C型粗糙度仪测量，如图 4a 所示。工件圆度使用英国泰勒霍普森 Talyrond585 LT500 综合测量仪测量，如图 4b 所示。Workpiece roundness measurement process(a)工件表面粗糙度测量Workpiece surface roughness measurement(b)工件圆度测量图4工件表面粗糙度和圆度测量Fig.4Measurementofsurfaceroughnessandroundnessofworkpieces3试验结果与分析3.1S/N响应结果分析田口法参数设计采用多重性能特性进行分析及优选，强调了用信噪比度量产品质量特性指标变化，即通过 S/N 响应分析，寻求最佳研磨工艺参数11。S/N 是信噪比，其值越大越好，用式（1）计算，其本身并不具有特定的物理含义。对 S/N 值进行分析，可使结论更具有客观性。S/N=10lg(1nni=1x2i)（1）式中：n 为每组试验的试验次数；xi为第 i 组试验中的材料去除率，表面粗糙度，圆度。（1）对气缸压力的影响分析材料去除率及工件表面形位误差随气缸压力的变化见图 5。由图 5 分析发现，研磨过程中随着气缸压力增大，材料去除率逐步提高，表面粗糙度先改善后变差，圆度则没有明显变化。这是由于气缸压力增大，导致油石与工件表面的摩擦力增加，所以材料去除率会增大；然而表面粗糙度由于摩擦力增大先得到改善，达到临界值后，过大的摩擦力反而会导致工件表面质量变差，圆度主要与主轴有关，所以变化不大。对于主轴外圆研磨而言，气缸压力对表面粗糙度的影响更为重要。按图 5 所示，气缸压力应选择 0.05 MPa 最为合适。（2）对磨粒粒度的影响分析材料去除率及工件表面形位误差随磨粒粒度的变化见图 6。由图 6 分析发现，研磨过程中磨粒粒度越小，材料去除率的 S/N 值越大，这是因为油石磨粒越小，油石与工件表面接触得更充分，所以材料去除率会越大。另外，由于磨粒粒度小，磨粒在工件表面的加工轨迹会更加均匀，所以圆度、表面粗糙度 S/N 值也越大，表明磨粒粒度越小，试验工件的材料去除率越高，同时更容易获得更好的圆度以及表面粗糙度，但到一定程度时会趋于稳定。故磨料粒度选择 3.5 m 最佳。（3）对主轴转速的影响分析材料去除率、工件表面粗糙度及圆度随主轴转速的变化见图 7。由图 7 分析发现，研磨过程中随着主轴转速的增大，材料去除率、表面粗糙度、圆度的 S/N 值均为先增大后减小。这是由于主轴转速提高会使磨粒与工件表面的切削次数增多，所以材料去除率会更大；第 4 期李彬，等：主轴外圆超光滑研磨工艺449加工表面也会更加光滑，但是主轴转速超过临界值后会导致油石的自锐性变差，从而导致材料去除率下降以及表面粗糙度的恶化；工件的圆度误差主要反映主轴回转误差，主轴转速提升使得加工过程更加稳定，工件的圆度误差会得到改善，到一定程度会趋于稳定。因此主轴转速不能太高，也不能太低。按图 7 所示，主轴转速应选择 500 r/min 最为合适。3.2ANOVA 的因素影响权重分析进行 ANOVA 方差法12分析的目的在于对气缸压力(因素 A)、磨粒粒度(因素 B)、主轴转速(因素 C)、其他未知因素的影响权重进行分析。试验共进行 9 次，试验自由度是 8，试验有 4 个因素，试验中各个因素的水平设置为 3，重复次数为 3，进行方差分析后得出的权重比例图见图 8。024681012140.030.05气缸压力 p/MPa(a)材料去除率随气缸压力变化的 S/N 响应S/N response of material removal rate tocylinder pressureS/N response of surface roughness tocylinder pressureS/N response of roundness tocylinder pressure(b)表面粗糙度随气缸压力变化的 S/N 响应(c)圆度随气缸压力变化的 S/N 响应材料去除率 S/N0.0722.022.523.023.524.024.525.00.030.05气缸压力 p/MPa表面粗糙度 S/N0.070246810141212气缸压力 p/MPa圆度 S/N3图5材料去除率、表面粗糙度、圆度随着气缸压力的变化柱状图（S/N平均响应）Fig.5Barchartofmaterialremovalrate,surfaceroughnessandroundnesswithcylinderpressure(S/Nmeanresponse)051015202530磨粒粒度 l/m(a)材料去除率随磨粒粒度变化的 S/N 响应S/N response of material removal rate toGrinding grain sizeS/N response of surface roughness toGrinding grain sizeS/N response of roundness toGrinding grain size(b)表面粗糙度随磨粒粒度变化的 S/N 响应(c)圆度随磨粒粒度变化的 S/N 响应材料去除率 S/N22.022.523.023.524.024.525.0磨粒粒度 l/m表面粗糙度 S/N024681014123.55.0磨粒粒度 l/m圆度 S/N7.03.55.07.03.55.07.0图6材料去除率、表面粗糙度、圆度随着磨粒粒度变化的柱状图（S/N平均响应）Fig.6Barchartofmaterialremovalrate,surfaceroughnessandroundnesswithgrainsize(S/Nmeanresponse)051015202530主轴转速 V/(rmin1)主轴转速 V/(rmin1)主轴转速 V/(rmin1)(a)材料去除率随主轴转速变化的 S/N 响应S/N response of material removal rate toSpindle speedS/N response of surface roughness toSpindle speedS/N response of roundness toSpindle speed(b)表面粗糙度随主轴转速变化的 S/N 响应(c)圆度随主轴转速变化的 S/N 响应材料去除率 S/N22.022.523.023.524.024.525.0表面粗糙度 S/N02468101412圆度 S/N300500800300500800300500800图7材料去除率、表面粗糙度、圆度随着主轴转速变化的柱状图（S/N平均响应）Fig.7Barchartofmaterialremovalrate,surfaceroughnessandroundnesswithspindlespeed(S/Nmeanresponse)450金刚石与磨料磨具工程总第 256 期11%28%42%19%12%43%43%12%25%20%27%18%气缸压力磨粒粒度主轴转速其他气缸压力磨粒粒度主轴转速其他气缸压力磨粒粒度主轴转速其他(a)对材料去除率的影响权重Influence weight on material removal rate(b)对圆度的影响权重Influence weight on roundness(c)对表面粗糙度影响权重Influence weight on surface roughness图8权重比例图Fig.8Weightratiodiagram 由图 8 可知：材料去除率的各个因素影响权重依次为气缸压力磨粒粒度主轴转速其他因素；圆度的各个因素影响权重依次为磨粒粒度气缸压力主轴转速其他因素；表面粗糙度的各个因素影响权重依次为主轴转速气缸压力磨粒粒度其他因素。3.3工艺参数优化及试验通过 S/N 平均响应分析和 ANOVA 因素影响权重分析，选出最优工艺参数组合为 A2B1C2，即气缸压力为0.05 MPa，磨粒粒度为 3.5 m，主轴转速为 500 r/min。再配合其他参数形成优化后的试验参数组合，如图表 2 所示。然后在表 2 的条件下进行 5 次优化研磨试验。3.3.1 材料去除率采用瑞士 TESA 外径千分尺测量本次试验工件的外径，外径千分尺的分辨率为 1 m。测量 5 个试验工件研磨前后的平均外径，得到试验工件的平均直径去除量为1525 m，每个工件的平均材料去除率为7 m/h。3.3.2 圆度将每个试验工件划分为 15 个等距圆周截面，采用泰勒圆柱度仪测量圆周截面处的圆度误差，研磨后 5个试验工件（1 号5 号）各 15 个圆周截面的圆度误差如图 5 所示。将 5 个工件研磨前后的平均圆度值进行对比，结果如图 10 所示。从图 10 可以发现，5 个工件研磨前后的圆度平均值由 4.12 m 降为 1.47 m，相比研磨前下降 2.65 m。且图 9 中单个工件圆度误差的最小值达到 0.42 m。表2优化的工艺参数组合Tab.2Optimizedprocessparametercombination工艺参数类型或取值工件材料40Cr合金钢工件尺寸50 mm 160 mm磨粒粒度 l/m3.5冷却液纯净水气体静压主轴压力 p1/MPa0.40上顶尖压力 p2/MPa0.20气缸压力 p3/MPa0.05轴向进给速度 vf/(mmmin1)1 000主轴转速 V/(rmin1)500加工时间 t/h3 3.02.52.0圆度误差 /m1.51.00.501 号2 号3 号4 号5 号图9研磨后各个工件圆度误差Fig.9Roundnesserrorofeachworkpieceafterpolishing 图 11 列举了其中一个工件研磨试验前后的圆度误差测量结果，可以发现试验工件研磨后的圆度误差有了明显改善。3.3.3 表面粗糙度将试验工件外圆柱面上下两端每隔 60划分 1 处测量位置，单个工件共测量 12 处表面粗糙度，采用马尔粗糙度仪测量 5 个工件研磨后的表面粗糙度见图 12所示。图 12 中试验后工件的平均表面粗糙度为 41 nm，其中单个工件的表面粗糙度 Ra值最低可达 19 nm。研磨前后 5 个工件的平均表面粗糙度对比如图 13所示。由图 13 可以发现：研磨前 5 个工件的平均表面粗糙度为 326 nm，研磨后其平均表面粗糙度为 41 nm，研磨试验极大地降低了试验工件的表面粗糙度，提高了其表面质量。第 4 期李彬，等：主轴外圆超光滑研磨工艺4516.05.04.0圆度误差的值 /m3.02.01.00抛光前抛光后图10研磨前后工件平均圆度对比Fig.10Comparisonofaverageroundnessofworkpiecebeforeandafterpolishing (a)研磨前的圆度误差为 6.75 mRoundness error 6.75 m before polishing(b)研磨后的圆度误差为 0.42 mRoundness error 0.42 m after polishing901802700901802700图11研磨前后工件的圆度误差Fig.11Roundnesserrorofworkpiecebeforeandafterpolishing 80706050403020101 号2 号3 号4 号5 号表面粗糙度 Ra/m图12研磨后各个工件的表面粗糙度Fig.12Surfaceroughnessofeachworkpieceafterpolishing图 14 为研磨前后单个工件的表面质量对比。从图 14 中可以看出：右侧研磨前试验工件的表面光洁度不高，而左侧研磨后的试验工件表面可清晰地看到“Superfinish”文字的倒影，其达到了镜面加工效果。300350250200150100500抛光前抛光后表面粗糙度平均值 Ra/m图13研磨前后工件平均表面粗糙度对比Fig.13Comparisonofaveragesurfaceroughnessofworkpiecebeforeandafterpolishing 图14研磨前后工件的宏观表面质量对比Fig.14Comparisonofmacroscopicsurfacequalityofworkpiecebeforeandafterpolishing 4结论本文提出的主轴外圆立式研磨方法，加工机构操作和控制较简单，加工成本较低，且能达到不错的加工效果，可为生产实际提供更多选择。基于该方法进行了外圆柱面研磨试验研究，试验结果表明：（1）气缸压力对材料去除率的影响最明显，磨粒粒度对材料去除率的影响为其次，主轴转速的影响最轻微；磨粒粒度对圆度的影响最明显，气缸压力对圆度的影响为其次，主轴转速的影响最轻微；主轴转速对表面粗糙度的影响最明显，气缸压力对表面粗糙度的影响为其次，主轴转速的影响最轻微。452金刚石与磨料磨具工程总第 256 期（2）由 S/N 响应结果分析和 ANOVA 方差分析可知：最优的工艺参数是气缸压力为 0.05 MPa，磨粒粒度为 3.5 m，主轴转速为 500 r/min。在最优参数下，配合其他工艺参数进行试验，加工 3 h 后，工件的平均材料去除率为 7 m/h，平均圆度误差由 4.12 m 降为 1.47 m，表面粗糙度由 326 nm 降为 41 nm。参考文献：赫玉娟,曹克伟,张大卫,等.对超精密加工及纳米加工环境的分析 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analyzes the influence of cylinder pressure,grit size,and spindle speed on the machining accuracyof shaft parts in the vertical lashing mode.Firstly,the standard L9(34)orthogonal table was designed based on the ortho-gonal experiment,and the experimental workpiece was processed strictly according to the experimental numbers in theorthogonal table.Then,the data of the processing results were analyzed by the S/N response method and ANOVA vari-ance method,and the optimal combination of process parameters was obtained.Finally,based on the combination of op-timized process parameters,the grinding experiment was conducted on the outer cylinder surface of the spindle made of40Cr material,with the size of 50 mm 160 mm.The results show that the average material removal rate is 7 m/h,theaverage roundness error decreases from 4.12 m to 1.47 m,and the surface roughness reduces from 326 nm to 41 nm.Keywordsspindle parts；vertical grinding；cylindrical lapping；surface roughness454金刚石与磨料磨具工程总第 256 期