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。

图1

　　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。

1.导轮 2.托板 3.砂轮 4.工件
图2 工件外圆磨削水平挤压力分析

　　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。

　　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。

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薄壁杯形零件的外圆加工

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