一種回轉(zhuǎn)體工件預(yù)應(yīng)力磨削方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)械加工方法，具體涉及一種預(yù)應(yīng)力磨削方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磨削加工是對(duì)工件進(jìn)行精加工的一種常用機(jī)械加工方法，包括平面磨削和外圓磨 肖IJ。在磨削加工中，大幅度提高砂輪線速度，可以提高加工效率，并使工件獲得更高的加工 精度。例如，德國磨削專家Carl. J. Salomom在"熱溝"理論的基礎(chǔ)上提出了"超高速磨削"， 其砂輪指線速度大于150m/s，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的高效率精密加工。在"超高速磨削"理論中， 對(duì)工件的轉(zhuǎn)速并沒有特別要求，通常要求工件轉(zhuǎn)速v w> 500r/min。為了進(jìn)一步提高加工效 率，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上提出了"高效深磨"理論，例如，在70年代末，德國P. G. Werner教授 預(yù)言"高效深磨"存在合理性，并在1983年研制世界上第一臺(tái)高效深磨磨床，在保持砂輪超 高速旋轉(zhuǎn)（大于150m/s)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高工件轉(zhuǎn)速（v w= lkr/min，且磨削深度越大，取 值越小）和增加磨削深度。
[0003] 在許多應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于精密零件及重載部件的功能行為很大程度上取決于它們的 表面狀態(tài)，這是由于零件加工表面狀態(tài)直接影響其疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性、耐磨性及尺寸穩(wěn)定 性等。研宄和實(shí)踐表明，通過調(diào)整和控制使已加工表面具有合適的殘余壓應(yīng)力，可改善零 件的抗疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)其使用壽命?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常采用退火處理、滾壓、噴丸、熨平和激 光沖擊等處理方法使得工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，但是這些方法存在設(shè)備昂貴、會(huì)使工件 表面易產(chǎn)生過冷作硬化、降低其沖擊韌性等缺陷。為了解決該問題，"預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切削的殘 余應(yīng)力及表面形態(tài)"【華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），第36卷第4期，2008年4月版； 第6-9頁】一文中公開了在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行硬態(tài)切削獲得殘余應(yīng)力的方法，其基本原理是： 切削前預(yù)先給工件施加一個(gè)彈性范圍內(nèi)的預(yù)應(yīng)力，切削過程中工件加工表面會(huì)產(chǎn)生塑性變 形，切削后釋放該預(yù)應(yīng)力，由于基體的彈性恢復(fù)，已加工表面會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力切 削的優(yōu)點(diǎn)在于只需通過切削加工就能使工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，且不會(huì)引起額外的表面 硬化。為了獲得預(yù)應(yīng)力，現(xiàn)有技術(shù)中通常在進(jìn)行切削加工前通過施力機(jī)構(gòu)對(duì)工件施加作用 力，并在加工過程中始終保持該施力狀態(tài)；例如，上述"預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切削的殘余應(yīng)力及表面 形態(tài)" 一文中以軸承的內(nèi)圈滾道和外圈外圓表面進(jìn)行預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切削為例，采用預(yù)先對(duì)軸 承套圈的內(nèi)孔脹緊撐大，再通過徑向加載的方式使軸承套圈內(nèi)產(chǎn)生周向預(yù)拉應(yīng)力。然而，現(xiàn) 有技術(shù)中獲得預(yù)應(yīng)力的方法存在以下不足：
[0004] 1、需要使用專用的施力裝置對(duì)工件進(jìn)行施力，使得工件夾具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，操作 更加麻煩；并且對(duì)于在切削加工時(shí)工件需要旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，例如進(jìn)行外圓磨削時(shí)，為了確保獲 得持續(xù)的預(yù)應(yīng)力，施力機(jī)構(gòu)必須隨著工件一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而增加了整體慣量，降低了穩(wěn)定性， 影響加工精度。
[0005] 2、針對(duì)特定的加工零件，通常需要設(shè)計(jì)特定的施力裝置，成本高。
[0006] 3、預(yù)應(yīng)力的大小不便于控制，尤其是在加工過程中，工件上的預(yù)應(yīng)力無法根據(jù)需 要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種回轉(zhuǎn)體工件預(yù)應(yīng)力磨削方法， 該方法無需采用施力機(jī)構(gòu)即可讓工件在磨削加工過程中獲得預(yù)應(yīng)力，并且在加工過程中該 預(yù)應(yīng)力的大小可靈活調(diào)節(jié)。
[0008] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是：
[0009] 一種回轉(zhuǎn)體工件預(yù)應(yīng)力磨削方法，包括以下步驟：
[0010] (1)在磨床上裝夾好待加工的工件；
[0011] (2)進(jìn)行對(duì)刀操作，先讓砂輪和工件處于低速狀態(tài)，逐步調(diào)整砂輪位置，直到工件 表面剛出現(xiàn)火花后，將砂輪線速度調(diào)至超高速狀態(tài)v s> 150m/s，將工件轉(zhuǎn)速調(diào)至超高速離 心狀態(tài)，使得工件產(chǎn)生離心膨脹效應(yīng)，獲得預(yù)應(yīng)力；
[0012] (3)按一定徑向進(jìn)給量進(jìn)行磨削加工；加工完畢后，先將砂輪和工件分離，再各自 減速至零。
[0013] 優(yōu)選的，在步驟⑵中，所述工件轉(zhuǎn)速vw> 8kr/min。
[0014] 優(yōu)選的，在步驟（2)中，所述工件轉(zhuǎn)速8kr/min < vw< 10kr/min。
[0015] 優(yōu)選的，在步驟（3)中，所述徑向進(jìn)給量ap= 10~100 μm/kr。
[0016] 通過將工件最高轉(zhuǎn)速控制在小于l〇kr/min的范圍內(nèi)，可以防止因工件超高速轉(zhuǎn) 動(dòng)而對(duì)磨床主軸穩(wěn)定性造成影響，同時(shí)也可以減緩因工件超高速轉(zhuǎn)動(dòng)而對(duì)砂輪壽命產(chǎn)生的 影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，磨床主軸在超高速狀態(tài)下的穩(wěn)定性會(huì)越來越好，因此在磨床工作時(shí) 主軸穩(wěn)定性足夠好的前提下工件轉(zhuǎn)速也可以大于l〇kr/min。
[0017] 優(yōu)選的，在步驟（3)中，砂輪按設(shè)定徑向進(jìn)給量進(jìn)給并開始磨削后，工件或/和砂 輪以變速狀態(tài)進(jìn)行磨削加工；當(dāng)砂輪停止徑向進(jìn)給進(jìn)入光磨階段后，工件或砂輪以變速狀 態(tài)進(jìn)行光磨，光磨完畢后將砂輪和工件分離并各自減速至零。
[0018] 在磨削加工過程中進(jìn)行變速的目的在于有效抑制磨床主軸顫振、減小受迫振動(dòng)和 改變砂輪與工件的轉(zhuǎn)速比；對(duì)于磨削階段來說，可以改善工件表面完整性和延長(zhǎng)砂輪使用 壽命，對(duì)于光磨階段來說，可以達(dá)到緩解工件表面產(chǎn)生"棱角"現(xiàn)象的效果。在現(xiàn)有的光磨 技術(shù)中，光磨時(shí)一般保持砂輪和工件轉(zhuǎn)速不變，從而形成恒定的速度比值，此時(shí)磨床的振動(dòng) 處于一種有規(guī)律狀態(tài)，工件與砂輪之間保持在一種有規(guī)律的動(dòng)態(tài)相對(duì)位置關(guān)系，從而在工 件表面形成有規(guī)律的非等量磨削，影響工件表面質(zhì)量，出現(xiàn)"棱角"現(xiàn)象；而在磨削和光磨過 程中采用變速方法后，使砂輪和工件的速度比值不斷改變，不但能夠效抑制磨床主軸顫振、 減小受迫振動(dòng)，而且使得磨床的振動(dòng)處于一種無規(guī)律狀態(tài)，工件與砂輪之間也保持在一種 無規(guī)律的動(dòng)態(tài)相對(duì)位置關(guān)系，這樣工件表面的各個(gè)位置能夠獲得均勻的磨削，改善了工件 表面完整性，并緩解了工件表面產(chǎn)生"棱角"現(xiàn)象的問題。在變速過程中，如果砂輪無需軸 向進(jìn)給，則砂輪保持軸向位置不變進(jìn)行變速；如果砂輪需要軸向進(jìn)給，則砂輪一邊進(jìn)行軸向 進(jìn)給，一邊進(jìn)行變速。
[0019] 在變速時(shí)，無論是磨削加工階段還是光磨階段，變速的對(duì)象可以是工件或砂輪，或 者兩者同時(shí)變速，變速的形式可以是加速也可以是減速，變速的方式可以是連續(xù)變速，也可 以是階梯式變速。
[0020] 作為一種優(yōu)選方案，在磨削加工階段中，所述工件或/和砂輪的變速狀態(tài)為：保持 工件轉(zhuǎn)速不變，提高砂輪線速度；在光磨階段中，所述工件或/和砂輪的變速狀態(tài)為：保持 砂輪線速度不變，降低工件轉(zhuǎn)速。采用這種優(yōu)選方案除為了實(shí)現(xiàn)抑制主軸顫振、減小受迫振 動(dòng)和改變砂輪與工件轉(zhuǎn)速比外，其原因在于：在磨削加工階段中，通過提高砂輪線速度，一 方面可使傳入工件的熱量進(jìn)一步減小，磨削溫度降低，另一方面由于作用在同一磨削區(qū)的 磨粒數(shù)量增加，可緩解因提高工件轉(zhuǎn)速而使其表面粗糙度增大的問題；在光磨階段中，由于 砂輪停止徑向進(jìn)給，砂輪只于工件表面的"棱角"接觸，對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的形成已影響 不大，通過降低工件轉(zhuǎn)速，單顆磨粒的未變形磨削厚度減?。ㄏ鄬?duì)于光磨階段降低砂輪線 速度而言），有利于改善工件的表面粗糙度。
[0021] 作為一種優(yōu)選方案，當(dāng)采用連續(xù)變速方式時(shí)，在磨削加工階段中，砂輪以2m/s2~ 5m/s 2的線加速度進(jìn)行加速；在光磨階段中，工件以800 π rad/S2~1200 π rad/S2的角加速 度進(jìn)行減速。
[0022] 當(dāng)采用階梯式變速方式時(shí)，在磨削加工階段中，砂輪以6m/s2~8m/s 2的線加速度 加速6m/s~10m/s后勾速1~2s，將此過程視為一個(gè)加速階梯，循環(huán)3~5次；在光磨階 段中，工件以1200 31以(1/82~1600 31以(1/82的角加速度減速5001'/111丨11后勻速1~28，將 此過程視為一個(gè)減速階梯，循環(huán)2次。
[0023] 作為一個(gè)例子，所述工件為由GCrl5材料制成的軸承內(nèi)圈，進(jìn)行超高速離心磨削 加工時(shí)工件初始轉(zhuǎn)速為81^/1^11;在磨削加工階段中，砂輪以2111/ 82~5111/82線加速度進(jìn)行 連續(xù)加速；在光磨階段中，工件以800 π rad/S2~1200 π rad/S2角加速度進(jìn)行連續(xù)減速，當(dāng) 工件轉(zhuǎn)速下降至7kr/min時(shí)，將砂輪和工件分離并各自減速至零。在光磨階段中，工件變速 下限確定為7kr/min，其原因在于：當(dāng)光磨約2s后，工件的表面完整性與光磨時(shí)間無關(guān)，確 定工件變速下限，可保證加工效率。
[0024] 在加工過程中，工件變速時(shí)的具體角加速度和砂輪變速時(shí)的具體線加速度可根據(jù) 以下兩個(gè)條件來確定：
[0025] (1)轉(zhuǎn)速變化幅度應(yīng)在電主軸圓跳動(dòng)控制的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。現(xiàn)階段的電主軸可通過 動(dòng)平衡技術(shù)將主軸某轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的圓跳動(dòng)控制在一個(gè)精確的范圍內(nèi)，其余轉(zhuǎn)速范圍的圓跳 動(dòng)相對(duì)較大。假設(shè)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)的電主軸常用轉(zhuǎn)速為8kr/min，通過動(dòng)平衡技術(shù)，可將該電 主軸在6kr/min~10kr/min范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速的圓跳動(dòng)控制在0· 5um~Ium之間，其余段轉(zhuǎn)速 的圓跳動(dòng)大于lum，因此轉(zhuǎn)速的變化應(yīng)在設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。
[0026] (2)變速過程的時(shí)間由加工時(shí)間確定，而該加工時(shí)間則由總磨削深度和徑向進(jìn)給 量ap確定。
[0027] 綜合上述兩個(gè)條件，當(dāng)確定變速幅度和變速時(shí)間后，便可以計(jì)算并選取合理的角 加速度和線加速度，使工件和砂輪可在各自電主軸圓跳動(dòng)控制的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速。
[0028] 本發(fā)明的工作原理是：通過將工件的轉(zhuǎn)速提升到超高速離心狀態(tài)，使得工件產(chǎn)生 離心膨脹效應(yīng)，從而獲得預(yù)應(yīng)力；在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)