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一種磨床液壓主軸懸臂結(jié)構(gòu)熱變形抑制措施

2019-5-30 來源：中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心作者：王勛徐婉竹劉瑤董樂王樂

摘要】薄環(huán)狀零件越來越多地應(yīng)用于發(fā)動機(jī)密封裝置，針對薄環(huán)狀不銹鋼密封件的平面磨削工藝進(jìn)行了試驗研究。磨削過程中，液壓懸浮主軸高速旋轉(zhuǎn)與高黏度液壓油摩擦發(fā)熱，溫升使得支撐主軸懸臂膨脹變形，導(dǎo)致薄環(huán)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(jié)構(gòu)熱變形的抑制措施，即降低液壓油黏度，提高其導(dǎo)熱性，降低主軸懸臂結(jié)構(gòu)變形量及熱穩(wěn)定時間，提高零部件的加工精度和加工效率。

【關(guān)鍵詞】磨床主軸熱變形低黏度液壓油

一、前言

新型高效汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，在國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)自主新產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。為了實現(xiàn)高溫、高壓工作狀態(tài)下發(fā)動機(jī)缸體的有效防漏（油、氣）和工作時間延長，越來越多的具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能和穩(wěn)定的熱化學(xué)耐蝕性的不銹鋼環(huán)形薄型零件應(yīng)用于新型發(fā)動機(jī)密封裝置。然而傳統(tǒng)的車削加工方法由于積屑瘤的產(chǎn)生以及刀具進(jìn)給痕跡殘留于已加工表面，很難得到高質(zhì)量的加工表面及高等級尺寸精度。與此同時，環(huán)形薄型零件具有低剛度特性，傳統(tǒng)的車削加工不易裝夾并會造成車削過程中工件切削深度方向的加工精度降低。高精度液壓主軸磨削加工方法在加工效率和加工精度方面較車削加工具有明顯優(yōu)勢，越來越多地應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)高精度關(guān)鍵零部件的成形加工。然而液壓懸浮主軸高速旋轉(zhuǎn)與承載液壓油摩擦發(fā)熱，導(dǎo)致液壓油溫度升高，使得機(jī)床支撐主軸用懸臂結(jié)構(gòu)溫升變形，造成高精度磨床主軸在多次停機(jī)時重復(fù)定位精度降低，或需在再次開機(jī)時消耗較長時間達(dá)到機(jī)床主軸的熱穩(wěn)定，降低零部件的尺寸加工精度及加工效率。

二、試驗裝置及檢測方法

1. 試驗裝置

試驗用薄環(huán)狀工件的毛坯料為經(jīng)過熱處理工藝的301不銹鋼料。進(jìn)行精密磨削前，需通普通磨削方式制備精密磨削工藝用裝夾基準(zhǔn)面。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(zhuǎn)工作臺　2.薄環(huán)工件　3.磨頭　4.磨削主軸懸臂機(jī)構(gòu)

為降低磨削過程中工作臺熱量的產(chǎn)生導(dǎo)致工件熱變形，工作臺采用條狀電永磁吸盤作為與工件的吸附面。電永磁吸盤不僅可以提高工件的裝夾速度和裝夾精度，而且具有強(qiáng)勁、實用和高效等特點。本文中所使用的支撐磨床主軸用的懸臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磨削主軸懸臂結(jié)構(gòu)示意圖

1.磨頭　2.支撐主軸用懸臂結(jié)構(gòu)　3.主軸液壓油　4.連接加固法蘭5.磨削主軸　6.力矩電動機(jī)　

7.磨削軸承載基體　8、9.動壓軸承

該磨削主軸采用動壓支撐方式，且工作時處于高速運動狀態(tài)，主軸表面與液壓油摩擦生熱導(dǎo)致液壓油區(qū)域溫度升高。由于該懸臂結(jié)構(gòu)尺度較長，很容易造成懸臂結(jié)構(gòu)的熱變形。當(dāng)主軸液壓油區(qū)域溫升與周圍環(huán)境熱交換達(dá)到穩(wěn)定時，主軸懸臂結(jié)構(gòu)變形量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2. 檢測方法

如圖3所示為檢測主軸懸臂結(jié)構(gòu)變形量示意圖，將千分表（Mitutoyo, 1109S－10, 位置分辨能力1μm）固定于懸臂結(jié)構(gòu)與磨頭的連接處，隨后使液壓主軸處于工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為3 600r/min

。將磨床工作臺處于靜止?fàn)顟B(tài)，其上表面作為檢測基準(zhǔn)面，測量懸臂結(jié)構(gòu)相對于磨床工作臺的位置相對變化量。該相對變化量直接影響被磨削工件的磨削去除量深度值，從而影響零部件磨削加

工后的尺寸精度。由于磨削過程中液壓油的摩擦發(fā)熱，使得本研究使用的磨床主軸懸臂相對于工作臺位置距離增大。

圖3 主軸懸臂結(jié)構(gòu)變形量檢測方法

1. 工作臺　2.磨頭　3.支撐主軸用懸臂結(jié)構(gòu)　4. 主軸液壓油5.連接加固法蘭　6.磨削主軸　

7.力矩電動機(jī)　8.磨削軸承載基體9、10.動壓軸承　11.千分表

主軸懸臂結(jié)構(gòu)變形量檢測結(jié)果及其達(dá)到熱交換穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間如圖4所示，為保證試驗數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，本試驗進(jìn)行了兩次試驗數(shù)據(jù)的檢測提取，兩次試驗的結(jié)果相互吻合，主軸懸臂結(jié)構(gòu)的熱變形量為60 μm及熱穩(wěn)定時間約為200 min。

圖4 主軸懸臂結(jié)構(gòu)變形量及其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間

三、液壓主軸懸臂結(jié)構(gòu)熱變形抑制措施

為了降低高速磨削主軸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面之間的摩擦因數(shù)以降低產(chǎn)熱率，并且增大相互接觸面之間的導(dǎo)熱率，降低熱平衡所需時間。目前該磨床使用的主軸液壓油為工業(yè)用美孚10號主軸油，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面的有效性，目前本研究選用體積膨脹系數(shù)小、比熱容大、具有良好的黏溫特性的低黏度2號主軸液壓油，其40℃時的運動黏度為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熱措施的工業(yè)實用性，將降低運動黏度的主軸液壓油裝載于發(fā)動機(jī)薄環(huán)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，如圖5所示。

圖5 液壓油改進(jìn)前后主軸懸臂變形量及其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間

基于本文提出的降低液壓主軸液壓油運動黏度的措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(jìn)后的熱變形量由改進(jìn)前的60μm降為20μ m （降為改進(jìn)前的約33%），且熱交換穩(wěn)定時間由改進(jìn)前的200min降為約50min （時間節(jié)約為改進(jìn)前的75%）。改進(jìn)后，只需不足1h的熱機(jī)時間即可進(jìn)行零部件的精密磨削加工，且每次停機(jī)后主軸變形量低于20μm，有效提升關(guān)鍵零部件的加工效率和加工尺寸精度控制。

四、結(jié)語

本研究針對薄環(huán)狀工件的平面精密磨削尺寸精度提升進(jìn)行了試驗研究。磨削過程中，液壓懸浮主軸高速旋轉(zhuǎn)與高黏度液壓油摩擦發(fā)熱，使得支撐主軸懸臂溫度升高、與工作臺相對磨削位置熱膨脹變化，導(dǎo)致薄環(huán)狀零件尺寸加工精度降低。本文提出并試驗驗證一種磨床液壓主軸懸臂結(jié)構(gòu)熱變形的有效抑制措施，即降低液壓油黏度，提高其周圍工作環(huán)境的熱傳導(dǎo)率，降低主軸懸臂結(jié)構(gòu)的熱變形量及熱穩(wěn)定時間，提高零部件的加工精度和實際生產(chǎn)加工效率。

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