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一種磨床液壓主軸懸臂結構熱變形抑製措施

2019-5-30 來源：中國第一（yī）汽車股份有限公（gōng）司技術中心作者：王勳徐（xú）婉竹劉瑤董樂王樂

摘要】薄環狀零件（jiàn）越來（lái）越多地應用於發動機密封裝置，針對薄環狀不鏽鋼（gāng）密封件的平（píng）麵磨（mó）削工藝進行了試驗研究。磨削過程（chéng）中，液壓懸浮主軸高速旋轉與高黏度液壓油摩（mó）擦發熱，溫升使得支撐主軸懸臂膨脹變形，導致薄環狀零件尺寸加工精度降低。試驗驗證一種磨床液壓主軸懸臂結構熱變形的（de）抑製措施，即降低（dī）液壓油黏度，提（tí）高其導（dǎo）熱（rè）性，降低主軸懸臂結構變形量及熱穩定時間，提高零部件的加工精度和（hé）加工效率（lǜ）。

【關鍵詞】磨床主軸熱變形低黏度液壓油

一、前言

新型（xíng）高效汽車發動（dòng）機技術的研發和應用，在（zài）國（guó）內汽車產業自主新（xīn）產品（pǐn）開發中發揮了重要（yào）作用。為了實現高（gāo）溫、高壓工作狀態下發動機（jī）缸體（tǐ）的有效防漏（油、氣）和工作時（shí）間延長，越來（lái）越多（duō）的具有優異的機械加（jiā）工性能和穩定的熱化學耐蝕性的不鏽鋼環形（xíng）薄型零件應用於新型發動機密封裝置。然而傳統的車削加工方（fāng）法由於積屑瘤的產（chǎn）生以及刀具進給痕跡殘留於已（yǐ）加工表麵，很難得到高質量的加工表麵（miàn）及高等級尺寸精度。與此同時（shí），環形薄型零（líng）件具有低剛度（dù）特性，傳統（tǒng）的車削加工不易裝夾並會造（zào）成車削過程中工件切削深度方向的加工（gōng）精度降低。高精度液壓主軸磨削（xuē）加工方法在加工效率（lǜ）和（hé）加工精度方（fāng）麵較車削加工具有明顯優勢，越來越多（duō）地應用於汽車發動機高（gāo）精度關鍵零部件的成形加工。然而液壓懸浮主軸高（gāo）速旋轉與承載液壓油（yóu）摩擦發熱，導致液壓油溫度升高，使（shǐ）得機床支撐主（zhǔ）軸用懸臂結構溫升變（biàn）形，造成高精度磨床主軸在多次停機時重複定位精度降低，或（huò）需在再次（cì）開機時消耗較長時間達到機床主軸（zhóu）的熱穩定，降低零部件的尺（chǐ）寸加工精度及加工效率。

二、試驗裝置（zhì）及檢測方法

1. 試驗裝置

試驗用薄環狀工件的毛坯（pī）料（liào）為經過熱處理工藝的301不鏽鋼料。進行精密磨削前，需通普通磨削方式製（zhì）備精密磨削工藝用裝夾基準麵。最終精磨過程的試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

1.旋轉工作台　2.薄環工件　3.磨頭　4.磨削主（zhǔ）軸懸臂機（jī）構

為降低磨削過程中工作台熱（rè）量的產生導致工件熱變形，工作台采（cǎi）用條（tiáo）狀電永磁吸盤作為與工件的吸附麵。電永磁吸（xī）盤不僅可以提（tí）高工件的裝夾速度和裝夾精度，而且具有強勁（jìn）、實用（yòng）和高效等特點。本文中所使用的支撐磨床主軸用的（de）懸臂結構如圖2所示。

圖2 磨削主軸懸臂結構示意圖

1.磨頭　2.支撐主（zhǔ）軸用懸（xuán）臂結構　3.主軸液壓油　4.連接加固法蘭5.磨削主軸　6.力矩電動機　

7.磨削軸承載基體　8、9.動壓軸承

該磨削主軸采用（yòng）動壓支撐方式，且工作時處於高速運動狀態，主軸表麵與液（yè）壓油摩擦生熱導致液壓油區域（yù）溫度升高。由於該懸臂結構尺（chǐ）度較長，很容易造成懸臂結構的熱（rè）變形。當（dāng）主軸液壓油區域溫升與周圍環境熱交換達到穩定時，主軸懸臂結構變（biàn）形量達到穩定狀態。

2. 檢測方法

如圖3所示為（wéi）檢測主軸懸臂結構變形量示意圖，將千分表（Mitutoyo, 1109S－10, 位置分辨能力1μm）固定於懸臂結構與磨頭的連（lián）接處，隨後使液壓主軸處於工（gōng）作狀態，轉速為3 600r/min

。將磨床工作台處於靜止狀態，其上表麵作為檢測基準麵，測量懸臂結構（gòu）相對於（yú）磨床（chuáng）工作（zuò）台的（de）位置相對變化量。該（gāi）相對變化（huà）量（liàng）直接影響被磨削工件的磨削去除量深度（dù）值，從而影響（xiǎng）零部（bù）件磨（mó）削加

工後的尺寸精度。由於磨削過程中液壓油的摩擦發熱，使得本研究使（shǐ）用的磨床主（zhǔ）軸懸臂相對於工作台位置距離增大。

圖3 主軸懸臂結構變（biàn）形量（liàng）檢測方法

1. 工作台　2.磨頭　3.支（zhī）撐主軸用懸臂（bì）結構　4. 主（zhǔ）軸液壓油5.連接加固法蘭　6.磨削主軸　

7.力矩電動機　8.磨削（xuē）軸承載基體9、10.動壓軸承　11.千分表

主軸懸臂結構變形量（liàng）檢測結果及其達到（dào）熱交換穩定狀態所需的（de）時間如圖4所示，為保證試（shì）驗數據的可重複性，本試驗進（jìn）行了兩次試驗數據的檢測提取，兩次試驗的結果相互吻合，主軸懸臂結構的熱變（biàn）形（xíng）量為60 μm及熱（rè）穩定時間約為（wéi）200 min。

圖4 主軸懸臂結（jié）構變形量及其（qí）達到穩定狀（zhuàng）態（tài）所需時（shí）間

三、液壓（yā）主軸懸臂（bì）結構熱變形抑製措施

為了降低高速磨削（xuē）主軸（zhóu）與液壓油間的摩擦生熱，可降低液壓油黏度，以減小主軸與液壓油接觸麵之間的摩擦因數以降低產熱率，並且增大相互接觸麵之間的導熱率，降低熱平衡所需時間（jiān）。目前該磨床使用的主軸液壓油為工業用美孚10號主（zhǔ）軸油，其40℃時的運動黏度為10mm2/s。為了驗證低黏度液壓油在降低主軸摩擦生熱方麵的有效性（xìng），目前本研究選用體積膨脹係數小、比熱容大、具有良好的黏溫特性的低黏度2號（hào）主軸（zhóu）液壓油，其40℃時的運動（dòng）黏度（dù）為2.1 mm2/s，其密度基本與純水相同。為了驗證本文所提出的降低磨削主軸摩擦生（shēng）熱措施的工業實用性，將降低運動黏度的主軸液壓油（yóu）裝載於發動機薄（báo）環件精密磨床，檢測主軸懸臂的熱變形量及熱平衡所需的時間（jiān），如圖5所（suǒ）示。

圖5 液壓油（yóu）改進前後主軸懸臂變形量（liàng）及其達到穩定狀態所需時間

基於本文提出的降低液壓主軸液壓油運動黏度的措（cuò）施以降低主軸摩擦生熱的措施可有效降低主軸懸臂的熱變形量，改進後的熱變形量由改進前的60μm降為20μ m （降為改進（jìn）前（qián）的約33%），且熱（rè）交換穩定時間由改進前（qián）的200min降為約50min （時間（jiān）節約為改進前的75%）。改進後，隻需不足1h的熱機時間即可進（jìn）行零部（bù）件的精密磨削加工，且每次停機後主軸變形量低（dī）於20μm，有效提升關鍵零部件的加工效率和（hé）加工尺寸精度控製。

四、結語

本研究針（zhēn）對薄環狀工件的平麵精密磨削尺寸精度（dù）提升進行了試驗研究。磨削過程中，液壓懸浮主軸（zhóu）高速旋（xuán）轉與高黏度（dù）液壓油摩擦發熱，使得支（zhī）撐主軸懸臂溫度升高、與工作台相對磨削位置熱膨（péng）脹（zhàng）變化，導（dǎo）致薄環狀零件尺寸加工（gōng）精度降低（dī）。本文提出並試驗驗證一種磨床液壓主軸懸（xuán）臂結構熱（rè）變（biàn）形的有效抑製措施，即（jí）降低液壓油（yóu）黏度（dù），提高（gāo）其周圍工作環境的熱傳導率，降低主軸懸臂（bì）結構的熱變形量及（jí）熱穩定時間，提高零部件（jiàn）的加工精度和實際生產加工（gōng）效率。

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