侯培紅， 劉鏑時(shí)， 王榮華， 奚曉鳳

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海200245）

拉深模凹摸的加工內(nèi)容有錐孔和內(nèi)圓孔及其口部R圓角加工。其口部R圓角的傳統(tǒng)加工工藝分為兩個(gè)工序：先利用工具磨床將磨頭擺動(dòng)一定的角度，以內(nèi)圓磨削的方式進(jìn)行磨削；后用手工挫刀靠人工修出圓弧。如此加工的R圓角，其質(zhì)量的好壞取決于操作工的技術(shù)、手感，故其加工得到的口部R圓角的輪廓一致性差，導(dǎo)致在進(jìn)行拉深加工時(shí)，拉深件容易被撕裂或拉破。

與傳統(tǒng)磨床相比，數(shù)控磨床可以加工出傳統(tǒng)磨床加工不出的帶曲線、曲面的復(fù)雜的零件；且數(shù)控磨床只要更換一個(gè)程序就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，極大地提高了生產(chǎn)效率；利用數(shù)控磨床還可以在一次裝夾下對零件的各個(gè)部位進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)了多工序的集中，很好地保證了零件的平行度、垂直度等相互位置精度，其加工的零件精度高，尺寸分散度小，尺寸和輪廓的一致性好[1-2]。

為解決高硬度硬質(zhì)合金拉深模錐孔、內(nèi)孔及口部R圓角傳統(tǒng)工藝難以解決的問題[3-8]，本文進(jìn)行了機(jī)床的數(shù)控化改造，通過設(shè)計(jì)特制磨頭，開發(fā)了一次性裝夾磨削錐孔、內(nèi)孔口部R圓角磨削新工藝，既解決了相關(guān)技術(shù)難題，又提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

1 被磨削件及其技術(shù)指標(biāo)

1.1 磨削內(nèi)容及其質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

被磨削件為拉深模，如圖1所示。材料為硬質(zhì)合金，其硬度為HRC60以上。主要磨削錐孔、內(nèi)孔及其口部R圓角。被磨削件尺寸范圍如下：外徑18mm，內(nèi)徑φ10mm，孔深30mm，圓角半徑為R1.25mm，錐角3°。質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)：同軸度為0.02mm，垂直度為15μm，圓度為5μm，表面粗糙度為Ra＝0.8μm。被磨削件屬于小尺寸零件，其尺寸小、硬度高，磨削加工質(zhì)量要求也高。

圖1 被磨削件零件圖（mm）Fig.1 Parts of the ground piece（mm）

1.2 技術(shù)難點(diǎn)及其應(yīng)對措施

本文考慮以下內(nèi)容：

（1）要求一次性裝夾完成錐孔、內(nèi)孔及其口部R圓角成形；

（2）被加工工件材料為硬質(zhì)合金，硬度高；

（3）錐孔和口部R圓角的磨削余量大；

（4）錐孔與口部R圓角不在工件的同一側(cè)。

磨削開始時(shí)，由于內(nèi)孔口部形狀特征為直棱角，故在將其磨削成圓弧時(shí)，其磨削余量大；且由于直棱角硬度很高，在磨削開始時(shí)很容易在磨頭表面劃出溝槽，因此不僅要求磨頭有較高的硬度和耐磨性，而且應(yīng)具有抗切割的堅(jiān)韌性。

2 錐孔內(nèi)孔口部圓角磨削工藝創(chuàng)新

2.1 工藝路線設(shè)計(jì)及選擇

根據(jù)該被磨削件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以下幾種工藝路線。

（1）先裝夾口部圓角一端進(jìn)行錐孔的粗加工，去除錐孔的大部分余量；然后掉頭裝夾零件的另一端，一次性粗精加工內(nèi)孔及其口部圓角、精加工錐孔。該工藝路線需要裝夾2次，比較繁雜，但粗、精加工分開，有利于配置刀具，可以完成整個(gè)加工；需要準(zhǔn)備專用刀具，進(jìn)行2次對刀。

（2）裝夾錐孔一端，一次性粗、精加工錐孔、內(nèi)孔及其口部R圓角。這種工藝路線可以完成整個(gè)輪廓加工，但對刀具的耐磨性、耐用度要求較高；需要準(zhǔn)備專用刀具。

（3）裝夾口部圓角一端，一次性粗、精加工錐孔、內(nèi)孔及其口部R圓角。雖然也是一次性裝夾，但刀具不易準(zhǔn)備，即使設(shè)計(jì)好專用刀具，但數(shù)控加工程序編制也很繁雜。

綜上所述，工藝路線（2）相對可行。

2.2 開發(fā)專用數(shù)控磨床

為了實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成凹模錐孔、內(nèi)孔及其口部R圓角的磨削加工，最有效的辦法就是開發(fā)專用數(shù)控磨床[1-6]。為此，本文采用將普通數(shù)控車床改造為數(shù)控磨床的方法，實(shí)現(xiàn)多次裝夾磨削改為一次裝夾磨削。

根據(jù)本文被磨削件的特點(diǎn)，對X、Z兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控車床加以改造即可，而且只需要更換刀架為磨頭主軸。改造后的數(shù)控磨床為雙主軸、兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床。兩主軸分別為工件主軸和磨頭主軸。磨削精度，即圓度、同軸度及垂直度等均由機(jī)床保證。

由上文可知，本文的磨削件為小型零件，故宜選用小型機(jī)床即可。本文選用性價(jià)比較高的TG30作為數(shù)控磨床化改造的數(shù)控車床。TG30具有以下特點(diǎn)：① 采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌；② 屬于小型、精密、低價(jià)位數(shù)控車床，適用于IT產(chǎn)業(yè)及有色金屬、小型軸盤類零件的加工；③ 床身全部為整體鑄造，采用樹脂砂翻砂，導(dǎo)軌為超音頻淬火，淬火層深度超過2.5mm。表1、2為所選TG30型數(shù)控車床的主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)，完全可以滿足本案磨削加工的被磨削件尺寸規(guī)格要求和加工精度要求。

表1 TG30型數(shù)控車床的主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)Tab.1 Specifications of TG30NC lathe

表2 車削工作精度Tab.2 Turing accuracy

2.3 磨頭主軸的選用

磨削時(shí)表面粗糙度的好壞主要取決于磨頭主軸的轉(zhuǎn)速即砂輪的磨削線速度。不同磨料砂輪磨削不同材料時(shí)的磨削速度、孔徑與砂輪轉(zhuǎn)速、砂輪磨削線速度之間的關(guān)系分別如表3、4所示。

表3 不同磨料砂輪磨削不同材料時(shí)的磨削速度[5]Tab.3 Grinding speed with different abrasive grinding wheels grinding different materials

表4 孔徑與轉(zhuǎn)速、線速度之間的關(guān)系Tab.4 Relationship among hole diameter，rotating speed and linear speed

根據(jù)表2、3數(shù)據(jù)，考慮到采用變頻調(diào)速（頻率為0.25～1.5Hz）實(shí)現(xiàn)增速和減速，以及被磨削件材料為硬質(zhì)合金，故本文選用轉(zhuǎn)速為60 000r／min的電主軸作為磨頭主軸。同時(shí)，由于電主軸轉(zhuǎn)速較高，故選擇油霧潤滑方式以保證電主軸的正常運(yùn)行。

2.4 磨削刀具改型設(shè)計(jì)

由表3可知，磨削硬質(zhì)合金一般選擇金剛石砂輪磨削刀具。然而，金剛石砂輪的種類較多，有樹脂結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑以及電鍍等多種形式。由于硬質(zhì)合金硬度高，尤其是內(nèi)孔口部R圓角在開始磨削時(shí)為尖角直棱，故若砂輪磨粒結(jié)合不夠致密、牢固，則將導(dǎo)致砂輪反被硬質(zhì)合金的孔口尖角直棱切入。通過試驗(yàn)證明：樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪和陶瓷結(jié)合機(jī)劑金剛石砂輪在進(jìn)入磨削時(shí)便出現(xiàn)了溝痕，而電鍍金剛石砂輪則有較好的表現(xiàn)。因此，本文選擇電鍍金剛石作為磨頭材料。

磨頭的形狀取決于被磨削件的輪廓形狀。如圖1所示，被磨削件錐孔與內(nèi)孔口部R圓角不在同一側(cè)。因此，要一次性裝夾完成整個(gè)內(nèi)輪廓的磨削加工，其磨頭的制作將不同于一般內(nèi)圓磨削磨頭。一般內(nèi)圓磨削磨頭為直圓柱磨頭，而本文的磨削內(nèi)容不僅含錐孔、內(nèi)孔及其口部R圓角，而且錐孔與口部R圓角不在同一側(cè)，故在利用兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床磨削時(shí)，必須制作專用磨頭。

為方便口部圓角的磨削，磨頭宜設(shè)計(jì)為球頭?？紤]到一次性裝夾磨削，磨頭宜從口部圓角一側(cè)進(jìn)入，依次磨削另一側(cè)的錐孔，要求球頭部分最大外徑與直桿部外徑差能滿足磨削背錐錐孔?；谏鲜隹紤]，本文采用直桿加球頭，并對參與磨削的球頭部分加以電鍍來制作專用磨頭，如圖2所示。

圖2 專用磨頭尺寸圖（mm）Fig.2 Size of special grinding head（mm）

2.5 磨削加工工藝及其程序編制

車削加工是用車刀刀尖上的某一點(diǎn)進(jìn)行加工。一般，內(nèi)圓磨削是利用圓柱砂輪任意條母線在旋轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行磨削，而利用數(shù)控磨床一次性裝夾磨削本文拉深模內(nèi)輪廓，則是依靠磨頭球頭部分1／4圓弧輪廓線上的各點(diǎn)進(jìn)行磨削。

由于本文所選數(shù)控系統(tǒng)為西門子801，使得在內(nèi)輪廓磨削加工時(shí)刀具半徑補(bǔ)償功能不能適用，故只能通過坐標(biāo)偏移或零點(diǎn)偏置指令G158等實(shí)現(xiàn)讓刀，然后逐漸靠近零件輪廓，最后完成磨削加工。由圖1錐孔按錐度3°和錐孔長度27.25mm計(jì)算得到最大讓刀單邊為1.428mm?？诓繄A角半徑R為1.25mm，讓刀為1.25mm。內(nèi)孔磨削余量單邊0.2mm，也需要磨削。因此，將磨削內(nèi)容分為內(nèi)孔磨削、口部圓角磨削、錐孔磨削和最后等余量磨削進(jìn)行編程[9-12]，刀具采用圖2所示磨頭。具體程序如下：

PC處調(diào)用口部圓角磨削子程序、PB處調(diào)用等余量磨削內(nèi)孔整體輪廓子程序在此省略。

3 結(jié) 語

本文針對拉深模凹摸錐孔、內(nèi)孔及其口部R圓角傳統(tǒng)磨削加工工藝存在的多次安裝、工序不集中以及手工修圓一致性差導(dǎo)致拉深加工時(shí)廢品嚴(yán)重等問題，采取了一系列工藝措施，使問題得到了解決。通過磨削方式的數(shù)控化和設(shè)計(jì)開發(fā)專用磨頭，改變以往錐孔、內(nèi)孔及其口部R圓角先45°倒角，然后手工銼刀修圓的傳統(tǒng)加工形式，為一次性裝夾兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨削加工。由于工序得到集中，減小了形位誤差，確保了加工精度，而且減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1] 燕春南.Y42125改造為大型立式數(shù)控內(nèi)孔磨床[J] .裝備制造技術(shù)，2007（3）：71-73.

[2] 唐東紅.工藝系統(tǒng)變形分析及精度控制技術(shù)研究[J] .機(jī)床與液壓，2008，36（1）：70-72.

[3] 高興軍，趙恒華.精密和超精密磨削機(jī)理及磨削砂輪選擇的研究[J] .機(jī)械制造，2004，42（12）：43-45.

[4] 傅蔡安，張 韜，薛 喆.鋼球磨削機(jī)理研究[J] .機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2110（6）：163-165.

[5] 薄 宵.磨工實(shí)用技術(shù)手冊[M] .南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[6] 邵振國.磨工[M] .北京化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[7] 林后根，夏道祥.雙砂輪內(nèi)孔磨削工藝[J] .金屬加工：冷加工，2009（1）：27-28.

[8] 李日強(qiáng).普通內(nèi)圓磨床磨削工藝改進(jìn)研究[J] .新技術(shù)新工藝，2010（3）：32-34.

[9] 劉鏑時(shí).圓球車削公差及刀補(bǔ)運(yùn)用[J] .機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（7）：113-114.

[10] 侯培紅，石更強(qiáng).數(shù)控編程與工藝[M] .上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

[11] 陳誕院.可編程零點(diǎn)偏移指令G158的應(yīng)用[J] .廣西輕工業(yè)，2009（12）：21-23.