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石墨材料零件外圓磨削難點(diǎn)及解決方法
2023-09-11 10:08:01

1  序言

石墨是一種黑色非金屬材料[1],密度較低,為2.25g/cm3。由于其具有耐高溫、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、質(zhì)輕和可塑性好等優(yōu)點(diǎn),因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。石墨制品一般都有很高的質(zhì)量要求。但是石墨材料本身具有的特性使其在加工時(shí)容易產(chǎn)生各種問題,如在磨削外圓時(shí),會(huì)出現(xiàn)橢圓超大、尺寸超差及加工表面質(zhì)量缺陷等,從而造成加工產(chǎn)品質(zhì)量不合格甚至報(bào)廢。

通過對(duì)石墨材料加工經(jīng)驗(yàn)的長(zhǎng)期積累,以及對(duì)加工過程中遇到的問題的合理分析,對(duì)磨削石墨外圓時(shí)的切削參數(shù)、磨削方式、砂輪的選擇以及裝夾力度等工藝因素進(jìn)行優(yōu)化,能夠有效地克服加工石墨材料零件外圓時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量問題,保證加工精度,減少缺陷。


2  磨削外圓時(shí)出現(xiàn)的問題

2.1 裝夾變形

因零件的外形尺寸和自身韌性大的特點(diǎn),故零件在裝夾時(shí),會(huì)隨著工裝的形狀而發(fā)生微量的變化,進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。零件的裝夾如圖1所示。

微信圖片_20230911100550.png

圖1 零件的裝夾

(1)影響零件的圓度和同軸度 同軸度的兩個(gè)加工基準(zhǔn)是內(nèi)孔與心軸,零件內(nèi)孔與小錐度心軸過盈配合,心軸的磨損或頂尖與中心孔接觸不良可能會(huì)引起跳動(dòng)超差。上一道工序的內(nèi)孔采用車床加工,有裝夾變形的情況發(fā)生,可能造成內(nèi)孔呈橢圓狀,從而影響外圓的加工精度。

(2)影響零件的尺寸 石墨材料具有很大的韌性,當(dāng)石墨零件裝夾在心軸上時(shí),由于心軸有錐度,因此零件會(huì)被心軸撐大,從而產(chǎn)生變形,進(jìn)而使零件實(shí)際尺寸偏小,造成超差。

2.2 零件表面產(chǎn)生各種缺陷

石墨材料零件在磨削過程中,由于質(zhì)地較軟[2],會(huì)受到砂輪顆粒和磨削方式等因素的影響,使零件表面產(chǎn)生各種缺陷:①多角形缺陷。在零件表面沿軸線方向存在一條條等距的直線痕跡。②螺旋形缺陷。磨削表面呈現(xiàn)一條螺旋痕跡。③劃傷或劃痕。表面出現(xiàn)明顯的刻入式的磨削痕,有大有小、有長(zhǎng)有短。


3  解決方法

3.1 砂輪的選擇

選擇砂輪時(shí),砂輪的特性(磨料、粒度、硬度、結(jié)合劑和砂輪組織等)對(duì)磨削石墨材料零件外圓的質(zhì)量有著極其重要的影響。如果砂輪選擇不當(dāng),則石墨零件的表面粗糙度就難以達(dá)到要求。此外,砂輪的切削性能還需要有保證。加工石墨零件時(shí),選擇偏硬一些的砂輪,其磨料不容易脫落,既可以避免脫落的磨料對(duì)加工表面產(chǎn)生不利影響,又能保證砂粒的鋒利。零件的加工過程如圖2所示。

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圖2 零件的加工過程

3.2 磨削方式

一般采用粗、精磨方式進(jìn)行加工[3]。粗磨時(shí),零件的留磨量大,采用定位橫向進(jìn)給的方式。由于砂輪與石墨零件有較大的接觸面,磨削時(shí)容易發(fā)熱,因此在粗磨時(shí)冷卻要充分。精磨時(shí),采用縱向走刀磨削,在磨削過程中作橫向進(jìn)給,砂輪吃刀量

小,可有效保證零件的加工精度和尺寸要求。

3.3 裝夾零件的方法

一般采用有錐度的心軸穿孔加工外圓,由于石墨零件與心軸采用過盈配合的方式,所以裝夾的力度要適當(dāng)。零件的裝夾如圖3所示。一般在粗磨時(shí)采用較大的裝夾力,這是由于在粗磨過程中,進(jìn)給量比較大,零件受到擠壓,并且零件受到的磨削力較大,采用較大的裝夾力可以避免零件與心軸發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。精磨時(shí),在零件與心軸沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),裝夾力越小越好,這是為了避免石墨零件被心軸撐大而發(fā)生彈性變形,進(jìn)而影響零件尺寸。粗磨時(shí)過盈量一般為0.005~0.1mm,精磨時(shí)過盈量為0.003~0.005mm。

微信圖片_20230911100550_2.png

圖3 零件的裝夾


4  石墨制品加工實(shí)例

4.1 零件實(shí)例

零件材料牌號(hào)為M125P,特點(diǎn)是質(zhì)地輕、密度小,為脆性材料。加工圖樣要求內(nèi)孔與外圓同軸度為0.01mm,表面粗糙度值Ra=0.8μm。用M1420A外圓磨床加工[4],按RT檢測(cè)03表配磨尺寸,計(jì)算間隙值并填入RT-40表,加工時(shí)采用穿心軸加工。磨削后的零件如圖4所示。

微信圖片_20230911100550_2.png

圖4 磨削后的零件

4.2 實(shí)際加工分析

同軸度的兩個(gè)加工基準(zhǔn)是零件內(nèi)孔與心軸外圓,心軸的磨損或頂尖與中心孔接觸不良可能會(huì)引起跳動(dòng)超差。上一道工序的零件內(nèi)孔采用車床加工,有裝夾變形的情況發(fā)生,可能造成內(nèi)孔呈橢圓狀,從而影響外圓的加工。

零件的彈性變形、裝夾時(shí)的夾緊力,會(huì)影響加工精度及導(dǎo)致出現(xiàn)測(cè)量誤差。加工最大的難點(diǎn)在于石墨零件外圓的表面粗糙度。由于石墨屬于非金屬材料,砂輪脫落的顆粒與切削液組成的混合液會(huì)劃傷工件表面;循環(huán)切削液中的微小顆粒雜質(zhì)沖入磨削區(qū)也會(huì)引起劃痕;砂輪鈍化會(huì)使工件表面出現(xiàn)多棱或螺旋紋缺陷。

4.3 解決方法

(1)零件的同軸度保證 心軸在使用前先在偏擺儀上用杠桿千分表測(cè)量,確保心軸兩端外圓對(duì)中心孔的跳動(dòng)均在0.005mm以下時(shí)方能使用。

(2)零件的尺寸保證 零件的加工分粗、精磨兩部分。粗磨時(shí)不考慮表面粗糙度與變形,只保證為后序精磨時(shí)留磨量。加工時(shí)采取定位切入磨削方式,吃刀量偏大,分多次加工,進(jìn)給量控制在0.01~0.02mm/r。使零件與心軸的裝夾力稍大一些,約有0.005~0.01mm的過盈量,這樣可以提高工作效率。精磨時(shí),先對(duì)零件進(jìn)行尺寸測(cè)量,如果零件發(fā)生變形,出現(xiàn)橢圓狀,圓柱度超過0.01mm的進(jìn)行研孔保證,裝夾時(shí)力度要適中,心軸與零件的過盈量控制在0.003~0.006mm,這樣裝夾零件的彈性變形小,幾何公差得以保證。磨削時(shí),機(jī)床采用往復(fù)走刀磨削方式,進(jìn)給量為0.001~0.005mm/r,吃刀量小、磨削量小,磨削時(shí)產(chǎn)生的壓力作用時(shí)間短,可以更加精確地配磨尺寸。往復(fù)走刀不僅可以提高外圓的表面質(zhì)量,還能夠減少零件加工表面產(chǎn)生的磨削痕,使表面更加平整。

(3)零件的表面粗糙度保證 保證所加工外圓的表面粗糙度,主要是通過砂輪的選擇和修整。零件硬度低時(shí),磨粒鈍化慢,使磨粒在變鈍前就脫落,應(yīng)該選擇硬一點(diǎn)的砂輪;零件硬度較低并且韌性較大時(shí),由于切屑容易堵塞砂輪,因此要選擇粒度粗、氣孔大的砂輪。結(jié)合石墨質(zhì)軟的性質(zhì),選擇硬度為K或L、陶瓷結(jié)合劑且粒度為60#的鉻剛玉砂輪最為有效。

在精磨加工時(shí),砂輪磨損很小,一般修去0.05mm就足以滿足砂輪恢復(fù)切削性能的能力。修正速度要慢一些,大概為150~200mm/min。最后進(jìn)行光修,目的是去除砂輪上個(gè)別突出的微刃和松散的砂粒。

(4)切削液 在加工石墨材料零件時(shí),要保證切削液干凈,機(jī)床需要裝有過濾系統(tǒng),防止砂輪脫落的顆粒與切削液組成的混合液劃傷工件表面或微小顆粒雜質(zhì)混入循環(huán)切削液中沖入磨削區(qū)。

(5)定值測(cè)量 當(dāng)石墨零件在機(jī)床上完成加工后,需要進(jìn)行恒溫定值,等零件穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)量,然后依據(jù)配套表計(jì)算間隙值并填表。


5  結(jié)束語

本文介紹了石墨零件外圓磨削時(shí)出現(xiàn)的問題和解決方法,總結(jié)并分享磨削加工的經(jīng)驗(yàn)和技巧。在加工石墨材料零件時(shí),要結(jié)合材料自身的特點(diǎn)和圖樣要求,進(jìn)行認(rèn)真的工藝分析,選擇合適的夾具、砂輪和磨削方式,以此解決裝夾變形、尺寸超差和零件表面缺陷問題,從而生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。


專家點(diǎn)評(píng)

本例中的石墨材料具有自潤(rùn)滑、耐腐蝕等優(yōu)良性能,在機(jī)械加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但石墨材料質(zhì)地較軟,外圓磨削時(shí)容易出現(xiàn)橢圓變形、尺寸超差和表面質(zhì)量缺陷。作者針對(duì)石墨零件外圓磨削時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量問題,結(jié)合材料特點(diǎn)和零件特征進(jìn)行原因分析和實(shí)例加工,總結(jié)出外圓磨削的經(jīng)驗(yàn)和技巧。通過選擇合適的砂輪和磨削方式,優(yōu)化心軸裝夾方法等工藝改進(jìn)措施,有效地解決了裝夾變形、尺寸超差和表面劃痕等問題,提高生產(chǎn)效率并降低了成本。文章結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容完整、邏輯清晰且論證有力,具有很好的參考和應(yīng)用價(jià)值。


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