基于在线测量改进深盲孔轴承座内孔磨削加工工艺

靳国栋，马磊，李福全，韩红雨，卢阳

1. 洛阳轴承研究所有限公司 河南洛阳 471039

2. 洛阳北方企业集团有限公司 河南洛阳 471039

1 序言

高精密深盲孔的加工一直是机械加工行业的技术难题，本文以某深盲孔零件为研究对象，通过工艺试验，为深盲孔磨削加工提供一种新方法，并进行加工应用。

2 产品特性及加工难点

本文介绍的精密深盲孔轴承座为某型号长寿命电动机内重要部件，主要作用是固定内部零件。电动机芯轴转速极高，对轴承座的内孔尺寸、几何公差加工要求较高，其结构如图1所示。

图1 深盲孔轴承座结构

该轴承座材料为9Cr18Mo，热处理硬度48～53HRC，为型腔结构，形状规则，壁薄，端面为基准面。其加工精度和表面质量要求高，难点在于内孔的加工，要求端面与内孔垂直度≤0.002mm，内孔圆度≤0.002mm，内孔直线度≤0.002mm。盲孔深70mm，退刀槽宽2.6mm。

3 加工工艺及存在问题

内孔磨削加工原工艺：以外径为定位支承，采用电磁无心夹具装夹工件→粗磨内孔→靠底面精磨内孔→靠底面研磨内孔。

该工艺加工内孔无法通过常规设备一次加工合格，只能通过后期研磨保证内孔精度要求。存在加工问题如下。

1）深盲孔磨削时内孔精度检测难度大，检测频繁。采用常规模拟量规无法对盲孔进行测量；三坐标仪需采用加长测头离线检测，检测效率低；由于内孔精度高，检测时受温度影响较大，不适合工序间的检测。

2）孔深度大，磨削时易产生锥度、尺寸超差。盲孔较深，采用内圆磨床加工内孔，砂轮轴向移动时易造成砂轮前端比后端损耗大。砂轮接杆受径向切削力弯曲变形等因素影响，使内孔产生锥度，且锥度≥0.01，导致尺寸精度、几何公差无法满足要求。

3）内孔精度靠手工研磨保证，产品一致性差，易出现划伤现象。采用研磨棒对内孔研磨，留研磨量0.02mm，研磨时易出现喇叭口，内孔直线度要求0.002mm，研磨难度较高，需反复研磨、检测。单件研磨时间约2h，研磨成品需恒温4h检测，效率较低且极易出现研磨划伤现象。

4 工艺改进

为解决根据原工艺进行内孔加工时存在的问题，需对该轴承座的内孔加工工艺进行优化调整。

4.1 设备选择

为满足轴承座内孔表面粗糙度及几何公差的精度要求，拟采用高速（最高转速20000r/min）五轴加工中心进行加工。固定工件后在线测量找正，并调整内孔轴线与端面垂直。采用厚度＜2.6mm的CBN砂轮，将砂轮接杆安装在刀座上，进行圆柱面磨削加工。

在线测量和智能修正技术可自动探测加工基准面，并动态重建加工坐标系，消除由基准传递引起的误差，自动检测加工余量，减少夹具使用数量，缩短生产周期，降低制造成本。

4.2 加工原理

通过编制加工程序，调用在线检测宏程序，控制流程如图2所示。将感应探头安装在刀座上，运行在线检测宏程序，移动感应探头，当探头与工件接触时，自动记录探头的坐标值。通过多点接触重建工件的检测轮廓，将数据提取到加工程序中进行自动补偿修正，在线检测如图3所示。

图2 在线检测控制流程

图3 在线检测

同理，自动找正水平面方法为：根据三点定面原理，通过提取探头与平面接触点的坐标值，驱动各轴转动，使三点Z轴坐标相同，保证测量平面与刀具主轴垂直。

加工时首先通过标定检测，确定实际尺寸偏差，修正在线检测数据，为下一工序中吃刀量的设置提供准确数据。过程中通过宏程序自动实现测量补偿加工，无需人工干预，实现产品一次装夹，合格下机。

4.3 装夹方式

若采用常规装夹方式，装夹力对内孔加工影响较大。考虑到工件尺寸精度和几何公差要求，根据外圈结构，拟采用台阶固定的方式装夹工件，装夹方式如图4所示，此种方式可避免零件因装夹变形导致加工超差。

图4 装夹方式

4.4 工艺过程

优化后加工工艺：以外径为定位支承，粗磨内孔→靠底面精磨内孔→靠底面以台阶固定方式装夹工件→粗修内孔→精修内孔。

精磨内孔工序采用内圆磨床，留修磨量0.03mm，控制锥度≤0.01。修磨内孔采用五轴加工中心，依靠机床在线检测进行自动调整，使基准面处于水平位置，砂轮轴在小范围内振荡往复磨削，提高表面粗糙度。由于精磨内孔时锥度较大，为避免砂轮前端损耗过大，修磨时分粗修和精修加工。粗修时使用粒度较小的砂轮，增大进给量，提高切削效率，降低内孔锥度；精修时使用粒度较大的砂轮，保证内孔尺寸精度、表面粗糙度，并进一步降低锥度。加工过程如图5所示，采用厚度为2mm的CBN砂轮，磨头高速旋转时，上下运动一个行程（砂轮完全移开加工面），主轴绕工件轴线偏转一定角度，拟合成一个正圆轨迹。

图5 加工过程示意

加工过程中结合在线测量技术监控加工余量，对磨削工艺参数进行设置。粗、精修磨加工参数见表1。

表1 粗、精修磨加工参数

根据机床加工能力，3遍粗修+1遍在线检测，以及1遍精修+1遍在线检测，理论修磨时间约95min，远小于研磨0.02mm余量和恒温检测所用时间。

5 效果对比

原工艺与新工艺的加工效果如图6、图7所示。图6a为原工艺加工内孔表面情况，内孔有轴向和周向研磨痕迹，在40倍放大镜下可见加工纹路较细（见图6b），方向不规则；图7a为新工艺加工内孔表面情况，加工痕迹为沿轴向的斑纹，纹路较明显（见图7b），表面一致性较好。

图6 原工艺加工效果

图7 新工艺加工效果

内孔不同深度处直径检测数据见表2。由表2可知：在线检测和三坐标检测数据均符合设计要求，在线检测与三坐标检测圆柱度偏差仅0.0002mm，在恒温间加工、检测时，在机对零件尺寸和圆柱度的检测数据可作为评价依据。

表2 内孔直径检测数据 （单位：mm）

表面粗糙度检测数据见表3。由表3可知：原工艺采用研磨方法，内孔表面粗糙度优于新工艺，两种工艺加工的表面质量均满足设计要求。

表3 内孔表面粗糙度检测数据 （单位：μm）

综上所述，新加工工艺在尺寸精度、几何公差和表面质量方面均满足设计要求；加工效率高；对尺寸精度、几何公差和表面质量可实现严格控制，降低人为因素对内孔质量一致性的影响，可靠性高；可实现内孔精加工一次装夹、自动检测并合格下机的自动化加工。

6 结束语

本文通过分析精密深盲孔轴承座内孔原工艺存在的问题，提出了工艺改进方法，通过工艺试验及对比分析得出以下结论。

1）新工艺可实现精密深盲孔轴承座内孔的磨削加工，加工方案合理可行。

2）新工艺在尺寸精度和几何公差方面较原工艺更稳定可靠。

3）新工艺采用在线检测、精修成形加工，实现一次装夹加工出合格产品，提高了内孔加工效率。

4）消除了人工研磨内孔时人为因素对产品一致性的影响，提高了内孔表面一致性。