一種磨床液壓主軸懸臂結（jié）構熱變（biàn）形抑製措施
2019-5-30 來源：中國（guó）第一汽（qì）車股（gǔ）份有限公司技術中（zhōng）心 作者：王勳（xūn） 徐婉竹 劉瑤 董樂 王樂
摘（zhāi）要（yào）】薄環狀零（líng）件越來（lái）越多（duō）地應用於發動機（jī）密封裝置（zhì），針對薄環狀不鏽（xiù）鋼密封件的（de）平麵磨削工（gōng）藝進（jìn）行了試驗研究。磨削過程中，液壓（yā）懸浮主軸高速旋轉與（yǔ）高黏度液壓油摩（mó）擦發熱，溫升使（shǐ）得支撐主軸懸臂膨脹變形，導致薄環狀零（líng）件尺寸加工精度降低。試（shì）驗驗證（zhèng）一種磨床液壓主軸懸臂（bì）結構熱變形的抑製措施，即降低液（yè）壓油黏度，提高其導熱性，降低主（zhǔ）軸懸（xuán）臂結構變形量及（jí）熱穩（wěn）定（dìng）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（dù）液壓油
一、前言
新型高效汽車發動機技術的研發和（hé）應用，在國內汽車產（chǎn）業自主（zhǔ）新產品開發中發揮了重要作用。為了實現高溫、高壓工作狀態下發動機缸體的（de）有效防漏（油、氣）和工作時間延（yán）長，越來越多的具有優異（yì）的機械加工性能和穩定的熱化（huà）學耐蝕性的不鏽鋼環形薄（báo）型零件應用於新型發動機密封裝置。然而傳統的車削（xuē）加工方法由於積屑瘤的產生以及刀具進給痕（hén）跡殘留（liú）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，環形薄型零件具有低剛度特性（xìng），傳統的車削（xuē）加工不易裝（zhuāng）夾（jiá）並會造成車削過程中工件（jiàn）切削深（shēn）度方（fāng）向的加工精度降低。高精度液壓主軸磨削加工方法在加（jiā）工效率和加工精度方麵較車削加工具有明顯（xiǎn）優勢，越來越多地應用於汽車發動機高精度關鍵零（líng）部件的成形加工。然而液壓懸浮主軸高速旋轉與承載（zǎi）液壓油摩擦發熱，導致液壓油溫度升高，使得機床（chuáng）支撐主（zhǔ）軸（zhóu）用懸（xuán）臂結構溫升變形，造成高精度磨床主軸在多次停機時重複定位精度降低（dī），或需在再次開機時消耗較長時間（jiān）達到機床主（zhǔ）軸的熱穩定（dìng），降低零部件的（de）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
試驗用薄環狀工件的毛坯（pī）料為經過熱（rè）處理工藝的301不（bú）鏽（xiù）鋼料。進行精密磨削前，需（xū）通普（pǔ）通磨削（xuē）方式製備精密磨削工藝用（yòng）裝（zhuāng）夾基準麵。最終精磨（mó）過程的試驗裝置如圖1所示。
圖1 試驗裝置（zhì）
1.旋轉工作台 2.薄環工件 3.磨頭 4.磨削主（zhǔ）軸（zhóu）懸臂機構
為降低磨削過程中工作台熱量（liàng）的產生導致工件熱變形，工作（zuò）台采用條狀電永磁吸盤作為與工件的吸附麵（miàn）。電永磁（cí）吸盤不僅可以提高工件的（de）裝夾速度和裝夾精度（dù），而且具有強勁、實用和高效等（děng）特點。本文中所使用的支撐磨床主軸用的懸臂結構（gòu）如圖2所（suǒ）示。
圖（tú）2 磨削主軸懸臂（bì）結構示意（yì）圖
1.磨頭 2.支撐主軸用懸臂結構 3.主軸液（yè）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（xuē）主（zhǔ）軸采用（yòng）動壓支撐方式，且工作時處於高速運動狀態（tài），主軸表（biǎo）麵與液壓油摩（mó）擦生熱導致（zhì）液壓油區域溫度升高。由於該懸臂結構尺（chǐ）度較長，很（hěn）容易（yì）造成懸臂結構的熱變形（xíng）。當（dāng）主軸液壓油區域溫（wēn）升與周圍環境熱交換達到穩定時（shí），主軸懸臂結構變形量達到穩定狀態。
2. 檢測方法
如圖3所示為檢測主軸懸臂結構變形量示（shì）意圖，將千分表（Mitutoyo, 1109S－10, 位置（zhì）分辨能力1μm）固定於懸臂結構與磨頭的連接處，隨後使液壓主軸處於工作狀態，轉速為（wéi）3 600r/min
。將磨床（chuáng）工作台處於靜止狀態（tài），其上表麵作為檢測基準麵，測量懸臂（bì）結構相對於磨床工作台的位置相對變化量。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，使得本研究使用的磨床主軸懸臂相對於工作台位置距離增大。
圖3 主軸懸臂結構變形量檢測（cè）方法
1. 工作台 2.磨頭（tóu） 3.支撐主軸用懸（xuán）臂結（jié）構 4. 主軸液壓油5.連接（jiē）加固法蘭（lán） 6.磨（mó）削主軸
7.力矩電動機 8.磨削軸承載基體9、10.動壓軸承 11.千分（fèn）表
主軸懸臂結構變形量檢測結果及其達到熱交換穩定狀態所需的時（shí）間如圖4所示，為保證試驗數據的可重複性，本試（shì）驗（yàn）進行了兩次試驗（yàn）數據的檢測提（tí）取，兩次試驗的結果相（xiàng）互吻合（hé），主軸懸臂結構的熱變形量為60 μm及熱穩（wěn）定時間約為200 min。
圖4 主軸懸臂結構（gòu）變形（xíng）量及其達到（dào）穩定狀態所需時間
三、液壓主軸懸臂結（jié）構熱變形抑製措施（shī）
為了降低高（gāo）速磨削主軸與液壓油間的摩擦生熱（rè），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（dǎo）熱率，降低熱（rè）平衡所需時間。目前該磨床使用的（de）主軸液壓油為工（gōng）業用美孚10號（hào）主軸油，其40℃時的運（yùn）動黏度（dù）為10mm2/s。為了驗證低黏度液壓油在降低主軸（zhóu）摩擦生熱方麵的有（yǒu）效性，目前（qián）本研究選用體積膨脹係數小、比熱容大（dà）、具有良好的（de）黏溫特性的低黏度（dù）2號主（zhǔ）軸液壓油，其（qí）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（zhóu）摩擦生熱措施的工業實（shí）用性，將降低運動黏度的主軸液壓油裝（zhuāng）載於發（fā）動機薄環件精密磨床，檢測主軸懸臂（bì）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（gǎi）進前後主軸懸臂變（biàn）形量及其達（dá）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（yùn）動黏度的（de）措施以（yǐ）降低主軸摩擦（cā）生熱的措施可有效降低主軸懸（xuán）臂（bì）的熱變形量，改進後的熱變形量由改進前的60μm降為（wéi）20μ m （降為改進前的約33%），且熱交換穩定時間由改進前的200min降為（wéi）約（yuē）50min （時（shí）間（jiān）節約（yuē）為改進前的75%）。改進後，隻（zhī）需不足1h的熱機時間即可進行零部件的精密磨削加（jiā）工，且每次停機後主軸變形量低於20μm，有效提升關鍵零部件的加工效率和加工尺寸精度控製。
四、結語
本研究針對薄環狀工件的平麵精密磨削尺（chǐ）寸精度提升進行（háng）了試（shì）驗研究。磨（mó）削過程中，液壓懸浮（fú）主軸高速旋轉與高黏度液壓油摩擦發熱，使得支撐主軸懸臂溫（wēn）度升高（gāo）、與工作台相對磨削位置熱膨脹變化，導致薄（báo）環狀（zhuàng）零件尺寸加工精度降低。本文提出並試驗驗證（zhèng）一種磨床液壓主軸懸臂結構熱（rè）變形的有效（xiào）抑製措施，即降低液壓油黏（nián）度，提高其（qí）周圍工作環境的熱傳導率，降低主（zhǔ）軸懸臂結構的熱變形量及熱穩定時（shí）間，提高零部件的加工精（jīng）度和實（shí）際生產加工效率（lǜ）。
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