薄壁杯形零件的外圆加工

　　薄壁杯形零件是指一端开口， 另一端为底面， 且壁厚与直径之比小于1 /20 的杯子形零件。这种类型的零件外圆加工有两个难点： 一是壁薄容易变形， 工件的外圆圆度或同轴度超差; 第二个是加工外圆时， 由于弹性变形， 加工后出现口端大、底端小的喇叭口形， 使外圆直径两端的母线平行度超差。

　　1. 气门挺杆的工艺要求

　　现在轿车上大量使用一类杯形的气门挺杆， 我公司生产了几个品种的杯形气门挺杆， 其材料都用低碳钢，渗碳淬火处理。杯形挺杆的壁厚都很薄， 只有0. 75 ~1mm, 但是对外圆柱面的尺寸及形状误差要求较高， 圆图1 杯式挺杆示意图度和外圆直径两端母线的平行度要求较高， 都为0. 005mm, 如图1所示。

　　经过大量的生产实践总结，我们逐渐掌握了这类挺杆的加工工艺， 并满足了外圆的较高精度。外圆加工的工艺路线是： 冷挤压毛坯→去应力退火→粗车外圆→粗磨外圆→渗碳淬火→回火→半精磨外圆→精磨外圆。

　　2. 工艺要点分析

　　( 1) 去应力退火在后续的车外圆、磨外圆工序中去掉了外部金属， 金属内部残余应力失去了平衡， 使毛坯外圆发生一定的变形。为此， 在车外圆之前， 应对毛坯进行退火， 以消除内应力。

　　( 2) 渗碳淬火薄壁杯形挺杆在淬火时极易变形，为此， 我们采用密封式可控气氛多用炉， 承担渗碳淬火工序， 此多用炉全密封， 连续加热( 预热、加热、淬火、回火在一个炉内完成) , 气体保护进行渗碳淬火，能够保证工件的变形量很小。经测量我们生产的几种杯形挺杆外圆变形量≤ 0. 05mm.淬火时工件必须平放，以防变形过大， 后续工序不能消除变形量， 即挺杆的轴线垂直于水平面摆放。

　　( 3) 精磨外圆以 外径31mm 的杯形挺杆为例，淬火前保留( 半径) 厚度约0. 15mm 的加工余量， 精磨外圆工序分两遍磨削， 第一遍的磨削余量为0. 015 ~0. 02mm,第二遍余量为0. 005 ~0. 007mm.由于壁薄， 磨削外圆时， 工件在磨削区内很容易发生弹性变形， 而且口端比底端变形量大, 出磨削区之后, 工件回弹, 就开口端尺

　　寸大而底端小, 反映到挺杆外圆直径两端母线间的平行度常会超差, 最大时可达0. 015mm。为了达到圆度和平行度要求, 我们采用高精度外圆磨床MGT1050, 并进行了一系列的调整试验。

　　3. 调整试验

　　无心磨床磨削工件时， 影响几何精度和外圆磨削精度的因素主要有工件的安置高度( 中心高) 、导轮的几何形状及其位置角度等。

　　( 1) 调整工件的中心高工件的中心高按下式计算：

　　h = γπ/360 ×(D导+ D件) ( D砂+ D件) /( D导+ D砂+ 2D件)选用砂轮型号为P450 ×150 ×250WA/SA80LV, 导轮型号为P350 ×225 ×203A80PR.将砂轮直径、导轮直径及工件直径( 以31mm 工件为例) 代入上式计算，得出工件中心高h =12. 98mm, 若砂轮及导轮修整到直径分别为400mm 和300mm 后， 再计算其高度h = 11. 43mm,式中工件与磨削轮、导轮接触点的切线角γ取7°。

　　我们把工件的中心高从10mm 到14mm 分别调整后，测量它对圆度和平行度的影响， 结果如表1 所示：

　　从表1 中看出薄壁挺杆的最佳中心高位置， 比一般的圆柱状零件的计算高度要高。这是因为薄壁零件对压力更敏感， 更容易发生弹性变形。随着中心高的提高，工件和砂轮中心连线与水平线的夹角β变小， 从砂轮和导轮对工件的法向力中分解出的水平方向的挤压力变小， 工件的弹性变形也变小了， 这样杯形挺杆口端和底端的弹性变形差异也随着缩小了( 见图2 ) , 对改善平行度有利， 同时也改善了圆度。但是， 中心高的调整是有极限的， 过高时工件在磨削区内会不稳定而跳起。

　　调高工件中心高以后， 由于水平推力减小， 砂轮对工件的磨削力也减小了。因此提高工件中心高的同时，也要对工件的纵向进给速度、导轮工作转速等其他参数做相应调整， 来增加磨削时间。

　　( 2) 导轮几何形状及位置角度的调整贯穿磨时，为使工件有纵向进给速度， 导轮在垂直面内应有一倾斜角度α， α也影响磨削精度。为使工件与导轮仍满足线接触， 提高磨削稳定性， 就需要导轮修整器的金刚石笔滑座， 在水平面内也相应转过一个角度α′( α′< α) .此外， 由于工件的安置高度比两轮中心高出h, 而使工件的接触点处于略低于高度h 的某一位置h′， 因此金刚石笔位置也应偏移h′值。

　　图2 工件外圆磨削水平挤压力分析

　　1. 导轮2. 托板3. 砂轮4. 工件

　　①调节导轮主轴在垂直平面内的倾斜角α。

　　②对应调节导轮修整器在水平面内的回转角。

　　③计算金刚石笔偏移量h′= h ×D导/ ( D导+ D件)= [ 13. 5 ×350 ÷ ( 350 + 31) ] mm = 12. 4mm调整参数后修整导轮， 再磨削挺杆， 测量平行度结果如表2:

　　从表2 中结果看出， 导轮在垂直面内的倾斜角α和导轮修整器回转角α′取较小值时， 最有利于薄壁杯形挺杆的外圆磨削。

　　当调整到导轮与工件达到接近线接触时， 工件圆度和平行度最好。这样的调整应根据不同设备在实践中具体摸索。

　　我们在试验时发现， 导轮的工作转速提高一些， 杯形挺杆外圆平行度也略有改善。这说明随着导轮在垂直面内的倾斜角α减小， 相应导轮的工作转速也应调高一些， 有利于平行度的改善。

　　4. 结语

　　文中探讨了加工薄壁杯形零件的工艺方法， 并讨论和解决了薄壁杯形挺杆的外圆加工中， 容易发生外圆变形和母线平行度超差的问题， 希望能给同行一点帮助。