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該文針對(duì)微小球頭類零件無(wú)法采用傳統(tǒng)加工方法的問(wèn)題,提出采用光學(xué)曲面磨床配合自制專用工裝的新加工方法,具有合格率高、操作簡(jiǎn)單及加工精度可控的優(yōu)點(diǎn),很好地解決了微小球頭類零件的加工難題。1序言球可以看作是一個(gè)圓弧繞其軸線旋轉(zhuǎn)而成的曲面。球頭類零件由于存在復(fù)雜曲面,所以通常采用數(shù)控加工,以保證尺寸、位置精度和表面質(zhì)量要求。隨著機(jī)床性能及刀具材料、性能的不斷提升,對(duì)于球頭直徑≥8mm、材料硬度≤64HRC的球頭類零件,可采用傳統(tǒng)方法加工,包括:①采用全向車刀或擺線刀的數(shù)控車床加工。②采用對(duì)刀具位置調(diào)整要求極高的旋風(fēng)銑加工。③采用專用砂輪修整裝置的成形磨削加工。④采用定制杯形砂輪的展成法磨削加工。⑤采用專用磨塊進(jìn)行批量生產(chǎn)的銼削加工(只能進(jìn)行形狀規(guī)則的半球軸端加工)。然而,結(jié)合微小球頭類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析認(rèn)為,采用傳統(tǒng)加工方法較難實(shí)現(xiàn)微小球頭類零件的精密成形加工。2微小球頭類零件的特點(diǎn)微小球頭類零件的特點(diǎn):①在軸端具有曲面球頭結(jié)構(gòu),分為小半球面、半球面和大半球面結(jié)構(gòu)等,如圖1所示,硬度60HRC左右。②球頭直徑較小,一般球頭直徑≤3.5mm。③加工時(shí)球頭過(guò)渡段受徑向力段易折斷。④零件尺寸較小,刀具結(jié)構(gòu)對(duì)工件加工影響較大。⑤成形砂輪的修整難度較大。由微小球頭類零件的特點(diǎn)可知,采用傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行軸端微小球頭的成形加工顯得力不從心。對(duì)于少量精度要求一般的微小球頭類零件,可采用軟態(tài)下雕銑粗加工,熱處理后進(jìn)行拋光處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于精度要求較高的微小球頭類零件,仍需尋找更適合的加工方法。由于微小球頭類零件實(shí)現(xiàn)精密硬加工的難度較大,不易實(shí)現(xiàn)批量加工,因此根據(jù)軸端球頭的形成機(jī)理(讓棒料高速旋轉(zhuǎn),以圓弧包絡(luò)線的形式形成球頭)以及設(shè)備的加工原理,提出一種微小軸端大半球類球頭零件的加工方法:制作專用工裝,讓桿件高速旋轉(zhuǎn),配合光學(xué)曲線磨床集點(diǎn)成線的加工原理,以包絡(luò)線的形式進(jìn)行球頭的精密成形加工。3光學(xué)曲線磨床加工方式光學(xué)曲線磨床主要由床身、坐標(biāo)工作臺(tái)、砂輪臺(tái)和投影系統(tǒng)組成,工作臺(tái)可做縱向、橫向和垂直方向運(yùn)動(dòng);砂輪可做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng),同時(shí)在砂輪臺(tái)的導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng);砂輪臺(tái)可做縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及繞X/Y/Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)多圓弧面、對(duì)數(shù)曲面或阿基米德螺旋曲面的磨削加工。光學(xué)曲線磨床加工是利用光學(xué)投影放大系統(tǒng)將工件放大投影到屏幕上,與屏幕上的工件放大圖相對(duì)照,加工時(shí)操作砂輪對(duì)工件進(jìn)行磨削,將超過(guò)放大圖輪廓線部分的多余材料磨掉,直至物像的輪廓與放大圖全部重合為止。可放大25倍、50倍比對(duì)。光學(xué)曲線磨床使用的金剛石砂輪結(jié)構(gòu)類型有平砂輪、尖砂輪等,如圖2所示。根據(jù)設(shè)備使用的砂輪結(jié)構(gòu)可知,使用圖2b所示尖砂輪配合數(shù)字控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)直徑≥0.2mm的曲面磨削加工。如果配合工件的旋轉(zhuǎn),可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)曲線回轉(zhuǎn)面的成形加工。4加工實(shí)例分析某型號(hào)產(chǎn)品用球頭桿結(jié)構(gòu)如圖3所示。工件材料為GCr15,硬度58~64HRC。球面表面粗糙度值Ra=0.4μm,球面不能有接刀痕等明顯刀削紋;球頭部分尺寸、位置精度和硬度要求較高,球頭與軸過(guò)渡段直徑僅1.2mm,加工數(shù)量500根。該零件的加工存在以下難點(diǎn):①球頭尺寸精度要求較高,零件軸徑較小。②球頭過(guò)渡段直徑僅1.2mm,加工剛度低,受力易折斷。③加工余量大,對(duì)加工工藝,裝夾便捷性、穩(wěn)定性和棒料旋轉(zhuǎn)徑向圓跳動(dòng)量等方面的要求較高。④對(duì)球頭表面粗糙度質(zhì)量要求較高。若采用光學(xué)曲線磨床實(shí)現(xiàn)球頭桿的精密成形加工,還需制作專用工裝,保證砂輪沿工件輪廓移動(dòng)時(shí),球頭桿繞軸線回轉(zhuǎn)形成球頭結(jié)構(gòu)。由于球頭桿的尺寸較小,如果砂輪沿砂輪架上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),將減少砂輪與旋轉(zhuǎn)工件的有效接觸時(shí)間,因此,為提高加工效率,在工件加工時(shí)調(diào)整固定好砂輪的高度位置,取消砂輪沿砂輪架的往復(fù)運(yùn)動(dòng),使砂輪旋轉(zhuǎn)時(shí)始終與工件表面有效接觸,砂輪在高速回轉(zhuǎn)時(shí)只沿成形輪廓線移動(dòng)。5工裝設(shè)計(jì)采用小功率電動(dòng)機(jī)(轉(zhuǎn)速1400r/min)和小車床夾頭,將夾頭固定在工作臺(tái)上,使用彈簧夾頭(可裝夾直徑10mm以內(nèi)的各種工件)裝夾工件。調(diào)整工作臺(tái)高度,使工件投影焦距在砂輪正常移動(dòng)范圍內(nèi)。通過(guò)帶輪傳動(dòng),使夾頭轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min,旋轉(zhuǎn)方向與砂輪旋轉(zhuǎn)方向相反。經(jīng)調(diào)試,工件徑向圓跳動(dòng)≤0.005mm,工裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

6工藝設(shè)計(jì)考慮到工件數(shù)量、球頭桿及砂輪結(jié)構(gòu),由于尖砂輪圓角較小,加工損耗大,為降低尖砂輪的損耗,提高加工效率,在去除大余量時(shí)選擇采用平砂輪加工,分步加工過(guò)程如圖5所示。制定球頭桿加工工藝如下。1)用平砂輪粗加工球頭桿,A、B段留余量0.02mm,C段留余量0.1mm,砂輪平移速度為3mm/min,砂輪轉(zhuǎn)速為12000r/min。2)用尖砂輪加工球頭桿輪廓,A、B段加工控制尺寸精度,C段留余量0.01mm,砂輪平移速度為1.5mm/min,砂輪轉(zhuǎn)速為12000r/min。3)用尖砂輪精修C段球頭,砂輪平移速度為0.5mm/min,砂輪轉(zhuǎn)速為12000r/min。

7加工效果檢測(cè)球頭桿采用分步加工,由于平砂輪具有自動(dòng)修磨功能,因此加工圓柱表面質(zhì)量較好;尖砂輪主要負(fù)責(zé)精加工,加工余量小,砂輪損耗小。在進(jìn)行500根球頭桿加工的過(guò)程中,尖砂輪修整4次。加工零件實(shí)物如圖6所示,零件檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。由檢測(cè)結(jié)果可知,此方法加工球頭桿滿足設(shè)計(jì)要求。8結(jié)束語(yǔ)微小球頭類零件由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),無(wú)法采用傳統(tǒng)

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