鄧 旬 魏乾星 王 巖

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

前錐壁組件是某型燃機(jī)前軸承機(jī)匣的核心部件，外型面分布有四處焊接管座，內(nèi)型面分布有減重型槽，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于薄壁易變形的軸承座機(jī)匣類零件，主要加工方法為車、銑加工。在研制過程中，其軸承裝配內(nèi)孔的鉻層加工屬于瓶頸工序，對該種超硬鍍層的加工屬于工廠技術(shù)空白領(lǐng)域，該文將以前錐壁組件的鉻層加工為研究載體，從技術(shù)方案論證、現(xiàn)場零件加工、工藝迭代優(yōu)化三個方面介紹其鉻層加工的實現(xiàn)過程，對同類特征的產(chǎn)品加工具有一定的參考意義。

1 研究內(nèi)容

某型燃機(jī)前錐壁組件磨鉻層工序因尺寸及技術(shù)條件要求嚴(yán)格（尺寸公差等級C5，跳動0.01mm，圓度0.01mm），難以保證，一直是零件整個加工過程的瓶頸工序。該文將從鉻層加工技術(shù)、基于前錐壁組件的磨削技術(shù)、前錐壁組件車磨復(fù)合工藝等方面開展研究工作，解決鉻層磨削的技術(shù)難點。

2 技術(shù)方案

2.1 鉻層加工技術(shù)簡介

鍍鉻層具有很高的硬度，根據(jù)鍍液成分不同和工藝條件不同，其硬度可在400HV～1200HV 變化。鍍鉻層的摩擦系數(shù)小，且具有很好的耐磨性，在航空制造業(yè)中，鍍鉻通常作為功能性耐磨擦鍍層使用。

目前較為常見的鉻層加工方法是磨削，但也有采用高硬度刀片進(jìn)行車削的情況，如PCBN（聚晶立方氮化硼），PCD（聚晶金剛石）刀片。與車削相比，磨削的表面粗糙度和表面完整性更好，考慮零件承力支點的使用性能和高溫高壓的工作狀態(tài)，首選磨削的工藝方法進(jìn)行鉻層加工。

2.2 基于前錐壁組件的磨削技術(shù)研究

磨削工具主要是指砂輪。砂輪選擇不僅要結(jié)合被磨削的材料，同時還要基于零件加工特征和設(shè)備的功能特點進(jìn)行綜合考慮。

目前在鉻層磨加工領(lǐng)域，經(jīng)常采用CBN 砂輪、剛玉砂輪或SG 材料砂輪進(jìn)行磨削。從設(shè)備的角度考慮，工廠現(xiàn)用的磨削機(jī)床（法國貝蒂立式車磨床）僅可采用金剛筆對砂輪尺寸進(jìn)行修整和補償，而金剛筆的硬度不具備修整CBN砂輪的能力，因此，從設(shè)備角度來看不適合選用CBN 砂輪進(jìn)行磨削。從零件的角度出發(fā)，磨削部位尺寸公差等級為C5，屬于精密加工，而剛玉材質(zhì)的砂輪硬度較低，在磨削過程中磨損較快，造成上刀量與下屑量不一致，難以控制零件尺寸精度。而SG 砂輪是一種新型磨料砂輪，該砂輪不但硬度高，而且韌性好，與普通剛玉砂輪相比，SG 砂輪具有磨耗比高、工件表面加工質(zhì)量好、砂輪自銳性好、磨削鋒利、磨削效率高等優(yōu)點，同時，采用金剛筆也可對SG 砂輪進(jìn)行修整，因此，前錐壁組件磨鉻層選擇SG 材料砂輪進(jìn)行加工。

從圖1 零件磨削部位示意圖可以看出，磨削部位屬于深腔內(nèi)孔磨削，加工部位距離零件端面約335mm，冷卻條件較差，不宜選擇粒度大的砂輪，同時考慮砂輪的耐用性，最終選取80#粒度的砂輪。對內(nèi)孔磨削，一般砂輪直徑應(yīng)小于內(nèi)孔直徑的1/3，因此，砂輪直徑尺寸選取Φ70mm。由于磨削部位還包括與內(nèi)孔相連的端面，因此，砂輪形狀宜選擇單面凹砂輪，可同時滿足端面和內(nèi)孔的磨削需求。

圖1 零件磨削部位示意圖示意圖（單位：mm）

2.2.2 磨削用量選擇

磨削余量選擇：前錐壁組件設(shè)計圖紙要求鉻層厚度為0.02mm～0.06mm，工藝中考慮鉻層加工余量以及鉻層與基準(zhǔn)面的同軸度誤差，要求鍍鉻層厚度不小于0.15mm（內(nèi)孔及端面），即磨削余量最小為0.09mm，該厚度滿足磨削余量需求，若鉻層厚度穩(wěn)定，可縮減至0.05mm。

砂輪速度選擇：砂輪速度一般選擇20m/s～25m/s。砂輪轉(zhuǎn)速過快容易產(chǎn)生燒傷，且現(xiàn)用車磨復(fù)合設(shè)備在砂輪線速度達(dá)到25m/s 以上時，易產(chǎn)生振動[1]。

工件速度選擇：工件的線速度可初步按砂輪的線速度進(jìn)行計算，再根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行調(diào)整，其和砂輪速度之間比例關(guān)系式如下。

式中：Vw為工件線速度（m/min）；Vc為砂輪線速度（m/s）。

（1）PM2.5檢測 PM2.5檢測使用DSL-03激光數(shù)字式PM2.5傳感器，內(nèi)置激光器和光電接收組件，運用光的散射原理，激光在顆粒物上產(chǎn)生散射光，由光電接收器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再通過特定算法計算出PM2.5質(zhì)量濃度、PM10質(zhì)量濃度、PM0.3～PM2.5粒子個數(shù)、PM2.5～PM10粒子個數(shù)。通過檢測可判斷該區(qū)域是否適合出行活動以及發(fā)出相應(yīng)預(yù)警。該傳感器具有體積小巧、安裝方便、檢測速度快、檢測數(shù)值穩(wěn)定準(zhǔn)確、抗干擾能力強等優(yōu)點。

砂輪線速度取23m/s，工件的線速度計算為8.625m/min～23m/min，工件直徑為Φ220mm，換算成機(jī)床轉(zhuǎn)速為12.4r/min～33.3r/min。適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速有利于提高零件表面質(zhì)量，因此，磨削時工件速度選擇33r/min。

進(jìn)給方式/進(jìn)給量選擇：內(nèi)孔磨削進(jìn)給方式主要有兩種，一種是橫向進(jìn)給，一種是震蕩進(jìn)給。震蕩進(jìn)給雖然加工效率較低，但其加工后的表面粗糙度小，對砂輪及磨削表面圓柱度要求較低，且加工過程中徑向切削力小，有利于零件變形控制。因此，選擇震蕩進(jìn)給方式進(jìn)行加工。

震蕩進(jìn)給過程中，其軸向進(jìn)給量是較為關(guān)鍵一個參數(shù)。軸向進(jìn)給量是指工件每轉(zhuǎn)一周，砂輪沿軸向方向移動的距離。軸向進(jìn)給量的大小按砂輪寬度B來選取。一般取軸向進(jìn)給量Fab=（0.2～0.8）Bmm/r，B是砂輪寬度。砂輪厚度為25mm，軸向進(jìn)給量為5mm/r～20mm/r，機(jī)床里軸向進(jìn)給量的單位是mm/min，因此，須結(jié)合工件轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算。若工件轉(zhuǎn)速為33r/min，則軸向進(jìn)給量為165mm/min～660mm/min。軸向進(jìn)給量越大，磨削效率越高，但會使砂輪上每個磨粒切削負(fù)荷增加，磨削力和磨削熱也隨之增加，故軸向進(jìn)給量選擇較小的165mm/min。

磨削深度選擇：在徑向磨削時，砂輪在X軸每次向工件移動的距離，稱為徑向磨削深度；在軸向磨削時，砂輪在Z軸每次向工件移動的距離，稱為軸向磨削深度；磨削深度增大，砂輪上每個磨粒切削負(fù)荷增加，容易破壞磨粒上的微刃，影響零件表面質(zhì)量和切削性能。

現(xiàn)用設(shè)備能夠達(dá)到的最小進(jìn)給為0.001mm。在徑向磨削時，每次磨削深度設(shè)定為0.001mm，軸向磨削時，每轉(zhuǎn)的進(jìn)給設(shè)定為0.001mm。

2.3 前錐壁組件車磨復(fù)合工藝研究

在完成前錐壁組件鉻層磨削單點技術(shù)研究后從總體工藝方案的角度出發(fā)，對該項技術(shù)應(yīng)用所需的其他條件進(jìn)行論證。

2.3.1 工藝方面

磨鉻層是安排在整個機(jī)械加工的最終工序，符合前錐壁類零件的典型工藝安排。在以往的工藝方案中，零件鉻層與大端內(nèi)止口的同軸度Φ0.02mm 是零件加工的瓶頸問題，該同軸度也是影響零件使用性能的重要指標(biāo)。受零件加工后變形、重復(fù)裝夾找正等情況影響，在鉻層磨削工序極難找正大端內(nèi)止口跳動在0.02mm 以內(nèi)。但若采用立式車磨復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，即可實現(xiàn)大端內(nèi)圓止口車加工工序與鉻層磨加工工序的一次裝夾加工，縮短工藝流程，放寬工序相關(guān)技術(shù)條件要求[2]。

采用車磨復(fù)合加工工藝，將零件原精車大端工序與原鉻層磨削工序內(nèi)容進(jìn)行合并，將證零件鉻層與大端內(nèi)止口一次裝夾加工，保證同軸度Φ0.02mm 技術(shù)條件要求，同時可放寬工序加工前找正要求，提高找正效率。

2.3.2 工裝方面

刃具：砂輪的具體尺寸在第2 部分已經(jīng)論證；夾持砂輪的刀柄原則上在不干涉的情況下，長度越短，系統(tǒng)剛性越強。從圖2 磨削干涉示意圖可以看出，前錐壁組件磨削加工部位距離零件上端面335.7mm，經(jīng)過對現(xiàn)場刀柄及主軸頭尺寸的測量，長度在120mm 以下的刀柄會使主軸頭與側(cè)壁發(fā)生干涉，最終選擇150mm 長的標(biāo)準(zhǔn)尺寸刀柄進(jìn)行加工。

圖2 磨削干涉示意圖（單位：mm）

量具：鉻層的直徑尺寸可使用專用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)及內(nèi)徑千分表進(jìn)行測量，技術(shù)條件采用千分表進(jìn)行檢查，符合檢測精度要求。

夾具：因砂輪軸向的行程距離機(jī)床表面的最小距離為50mm，而磨削部位距離零件底面僅5mm，故需將零件墊高加工，為減小零件裝夾變形，采用8 處壓板均布壓緊小端安裝邊的方式進(jìn)行裝夾。零件裝夾示意圖如圖3 所示。

圖3 磨鉻層工序工裝三維模型

2.4 風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

經(jīng)過以上方案論證，理論上可實現(xiàn)基于前錐壁組件的車磨復(fù)合加工。在驗證過程中可能出現(xiàn)以下幾點加工風(fēng)險：1）因砂輪懸深較長，剛性不足，磨削下屑量與上刀量不符，精密尺寸難以保證。措施：摸索上刀量與下屑量的關(guān)系，最終精磨時每次上刀量不大于尺寸公差（0.02mm）。2）直徑磨削時因砂輪磨損出現(xiàn)“喇叭口”的情況，加工直徑上大下小。措施：增加砂輪修磨次數(shù)，減少每次的磨削量。3）加工效率較低，磨削時間長。措施：首先保證零件質(zhì)量，摸索精加工磨削參數(shù)。后續(xù)可先進(jìn)行粗磨，最終剩余少量的余量進(jìn)行精磨。

3 項目實施

3.1 現(xiàn)場零件加工

3.1.1 加工前零件及砂輪狀態(tài)

加工前測量夾具端面跳動不大于0.005mm，零件裝夾后與夾具端面間隙不大于0.01mm；夾具徑向僅提供粗基準(zhǔn)，與零件間隙配合；零件自由狀態(tài)找正鍍鉻面圓周跳動0.015mm，鍍鉻面與大端圓周基準(zhǔn)面同軸度Φ0.03mm；壓緊過程中始終對待磨的鍍鉻表面進(jìn)行壓表檢查，指針無變化。說明零件無裝夾變形影響；砂輪表面經(jīng)過2 次修整，表面氣孔均勻，無裂紋等缺陷；冷卻液澆注充分，澆注位置為磨削接觸點。

3.1.2 零件加工

按預(yù)先設(shè)定好的工藝和參數(shù)對零件鍍鉻部位進(jìn)行磨削加工。

每加工0.03mm 余量對零件尺寸進(jìn)行一次測量，同時對砂輪進(jìn)行修整，加工過程中上刀量與下屑量保持一致，無讓刀以及“喇叭口”等情況出現(xiàn)。

加工后如圖4 所示，經(jīng)自由狀態(tài)尺寸及形位公差測量，零件鉻層精密尺寸及同軸度等形位公差全部合格，表面粗糙度可達(dá)Ra0.4，符合圖紙要求，磨削表面無燒傷痕跡，零件合格交付。

圖4 零件加工后實物圖

3.1.3 加工小結(jié)

SG 砂輪可以對鉻層進(jìn)行磨削，加工后無磨屑堵塞砂輪氣孔，砂輪表面狀態(tài)良好。在指定的參數(shù)下，鉻層的下屑量與上刀量吻合，不易燒傷，砂輪磨損較小，磨削性能較好。前錐壁組件鉻層磨削后尺寸可控，表面粗糙度符合Ra0.4 的要求，加工后徑向、軸向跳動為0mm，滿足圖紙技術(shù)要求。車磨復(fù)合加工工藝可降低工藝基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換帶來的形位公差縮嚴(yán)，直接保證圖紙要求，從工藝流程上減少一道加工工序。

磨削直徑時加工效率較低，單件直徑磨削時間約190min。

3.2 工藝優(yōu)化迭代

基于目前掌握的參數(shù)，雖然可以加工出合格的鉻層尺寸，但是在加工效率方面仍有很大的提升空間，后續(xù)主要對磨削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在保證質(zhì)量的前提下提高徑向磨削的加工效率[3]。

3.2.1 參數(shù)優(yōu)化

對零件內(nèi)圓磨削加工部位的加工參數(shù)及加工后零件狀態(tài)進(jìn)行分析與優(yōu)化。影響鉻層磨削效率的因素主要有軸向進(jìn)給量、每層磨削深度、砂輪修整次數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速以及砂輪轉(zhuǎn)速。其中，砂輪轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速的可提升空間較小，砂輪修整次數(shù)將影響砂輪使用性能，在保證質(zhì)量的前提下，主要從軸向進(jìn)給量和每層磨削深度兩個方面進(jìn)行優(yōu)化。

在軸向進(jìn)給量提高的情況下，零件加工后的尺寸與理論值出現(xiàn)差異，不利于質(zhì)量控制；而在每層磨削深度逐漸提高的情況下，保證質(zhì)量的同時，其磨削時間大幅縮短。經(jīng)過加工驗證，每層磨削深度從0.001mm 提升至0.004mm 后，對零件質(zhì)量無顯著影響。經(jīng)過試驗，當(dāng)徑向余量為0.15mm 時，采用0.004mm 的每層磨削深度粗磨至余量0.03mm，再進(jìn)行兩次精磨，總計加工時間72min，相比改進(jìn)前總時間190min提效62.1%。

3.2.2 加工小結(jié)

加工小結(jié)如下：1）通過調(diào)整每層磨削深度，可大幅提高加工效率。2）增大軸向進(jìn)給量會加劇砂輪磨損，造成下屑量與上刀量不符。

4 總結(jié)

該文通過查閱鉻層相關(guān)技術(shù)資料以及鉻層磨削加工技術(shù)交流，從理論出發(fā)，結(jié)合工廠實際情況，通過磨削工具選擇，磨加工參數(shù)設(shè)定以及車磨復(fù)合加工工藝研究，形成了一套能夠保證前錐壁組件鍍鉻層相關(guān)尺寸、技術(shù)條件、表面粗糙度一次加工合格的技術(shù)方案。在保證產(chǎn)品交付質(zhì)量的前提下，基于鉻層的磨削參數(shù)試驗，對如何提高零件加工效率做出了更進(jìn)一步的探索，大幅提高零件加工效率，打通鉻層磨削加工的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)零件高質(zhì)量、高效率合格交付。