渗碳孔数控内磨工艺技术研究

1. 前言

渗碳内孔经过渗碳淬火表面热处理后，硬度高达 60HRC 以上，具有较高的硬度，很好的耐磨性，属于难加工材料，要保证生产效率、产品质量难度大。零件经渗碳淬火热处理后有变形、表面光洁度差，需对渗碳孔磨削加工。改进之前是普通内圆磨床加工，效率低而且合格率不高，磨削参数完全依靠操作者主观经验，一旦参数选用不合适，磨削部位热集中，容易发生烧伤，磨削力大且受力不均，加上磨削应力、热应力作用，有时还会因磨削裂纹报废。

所以普通磨床加工效率低和产品烧伤问题，影响了零件交付。急需对渗碳内孔进行攻关，提高加工合格率改进质量。

2. 攻关内容

2.1 重难点分析

数控内磨替代普通内磨工艺研究：掌握数控内圆磨床加工程序，设计制造数控内磨夹具，零件试加工，优选出合适砂轮加工。

数控内磨磨削参数优选研究：寻求最高加工效率、和表面无烧伤、较小粗糙度的表面质量磨削参数，设计实验，选定磨削影响参数和水平，开展磨削加工试验，获得优选的磨削参数。

2.2 技术方案

针对普通内圆磨床加工，磨削参数受人为因素的影响，表面质量不稳定，加工效率低的问题，采用数控内圆磨床替代普通内磨方案，并掌握内圆磨削原理及数控程序，同时开展工艺试验研究，制作专用夹具，优化工艺参数，实现效率提升 20% 以上，并保证表面质量。

2.2.1 数控内磨替代普通内磨研究

2.2.1.1 数控内圆磨床设备系统：

设备及砂轮：精密数控内圆磨床（型号GI-200CNC），砂轮材质为棕刚玉和单晶刚玉，粒度为60 和80 目。砂轮修整次数1 次，安排在精加工前，粗加工后，在金钢石固定座数控走刀修整。

（2）加工对象件：某发动机测扭油缸。基本参数见表1。

（3）粗糙度测量设备：在数控内圆磨床上根据试验计划的参数进行齿轮工件磨削加工，加工好的零件清洗干燥后，采用探针式粗糙度轮廓仪测量磨削孔表面粗糙度，每个试验件测量2 次粗糙度值，去平均值。

2.2.1.2 数控内圆磨床数控主要参数：

大砂轮直径： 50mm

小砂轮直径： 20mm

轴向速度： 800-1500mm/min

小砂轮转速： 10000-15000rpm 转换线速度约为： 11-12m/s

大砂轮转速：8 000-10000rpm 转换线速度约为： 21-26m/s

总切厚度：单边 0.3-0.4mm

工件转速： 120rpm ；可调倍率 25% 50% 100%

2.2.2 数控内磨加工参数优化

2.2.2.1 内圆磨主要参数

测扭油缸内孔磨削，是对渗碳层磨削，磨削参数设定不合理容易烧伤，影响零件表面粗糙度、加工效率。

砂轮转速 n ：在砂轮直径一定的前提下，砂轮转速决定了砂轮磨削的线速度，

和砂轮磨削工件的磨削速度。所以砂轮转速是内圆磨削的重要参数。

砂轮轴向进给速度 ΔV_a ：在工件长度一定的情况下，轴向磨削速度越大，一次行

程磨削的时间越短，加工效率就越高，所以轴向速度是影响加工效率的重要参数。

径向进给量 a_p ：单次进给量越大，去除的材料越多，在总余量不变的前提下，

进给量越大，磨削的次数减少，从而降低了加工时间，提高了效率，同时需考虑进给量的增大，对表面质量的影响，因此径向进给量是影响加工效率和质量的重要参数。

2.2.2.2 技术路线（1）主要参数约束

砂轮线速度：为保证砂轮的使用性能和使用安全，加工过程中一般不能超过厂家允许的最大值，同时考虑砂轮和砂轮杆的动平衡稳定性，不宜过大。但是过低的线速度影响加工效率。

式中： v_s 代表加砂轮线速度 m/s ；n 代表转速 rpm ；d 代表砂轮直径。

砂轮轴向进给速度：砂轮的轴向进给速度直接决定着加工时间，进给速度过大，机床刚性不足容易出现震纹，影响加工质量，但是过小的进给速度直接影响加工效率，同时考虑加工孔长度，和振动影响，短孔应降低速度采用匀速往复、长孔适当提高速度。所以：小孔:800mm/min≤v≤1600mm/min；大孔:10mm/min≤v≤80mm/min

径向切深：切深厚度过大会影响表面的粗糙度、而且容易引起烧伤，过小会增加加工次数，降低加工效率，按进给量设置 0.002-0.005mm ，小孔：0.002mm≤ap≤0.005mm

按进给速度设置 0.02-0.05mm ，大孔:0.02mm/min≤ap≤0.05mm/min。

（2）试验计划

实际加工生产中，机床设备由普通内圆磨床调整为数控内圆磨床，减少了人为操作的不利因素。冷却液、工件材料已确定，所以控制磨削参数来设计试验，探究磨削参数对测扭油缸渗碳层磨削的影响，以磨削参数为影响因素，内孔表面的粗糙度为试验指标，根据现场操作者磨削经验以及砂轮厂家提供的磨削参数范围，进行均匀试验组。

2.2.2.3 试验结果

（1）小孔磨削试验结果

按照试验方案完成6 组试验。从每组试验中选取1 个样品进行粗糙度检测，其中每个表面测量2 次粗糙度值，取平均值作为最终表面粗糙度值并填入表中。

按照表 3 中试验方案完成 6 组试验加工，从加工开始到结束，记录时间并填入表中。

（1）大孔磨削试验结果

按照表 3 中试验方案完成 6 组试验，从每组试验中选取 1 个样品进行粗糙度检测，其中每个表面测量 2 次粗糙度值，取平均值作为最终表面粗糙度值并填入表中。

按照表 3 中试验方案完成 6 组试验加工，从加工开始到结束，记录时间并填入表中。

2.2.2.4 结果分析

（1）加工效率分析：优化测扭油缸加工参数时，在保证加工质量的情况下应该提高加工效率，磨工加工时间体现加工效率。

（2）表面粗糙度分析

随着转速和切深度增大，相应的磨粒切痕越大，虽然砂轮表面参加的有效磨削刃数增加，但同时也使砂轮表面参加工作的磨刃的不平度增加，从而使表面粗糙度增大，磨粒深度增大，表面凹凸程度增大。

砂轮速度 V 增大，磨削切深减少，相应的磨刃的切痕减少，且每个磨刃对工件的作用次数增加，因此磨刃的等高性好。同时，随着砂轮速度增加，形成的包格线变多，表面痕迹均匀分布，致使表面粗糙度降低，圆度降低。

随着切深增加，磨粒受力增大，容易发生局部破碎，易造成划痕，造成砂轮不平，致使粗糙度增加，虽然磨削深度增加，有效的磨削刃增多，但增加的磨削刃一般切深很小，只能对工件表面起到滑擦和耕犁作用，引起隆起现象，使表面更加不平，因此，粗糙度增加，由试验可知，磨削深度对粗糙度的影响显著。

从试验结果可见，粗磨进给量对粗糙度影响不大，精磨的进给量直接决定了最终的表面粗糙度。

（3）表面烧伤分析：表面烧伤会影响工件表面的性能，比如抗疲劳性能、耐腐蚀性能等。因此加工过程应尽量避免烧伤问题发生。

综上，以减小加工时间和表面粗糙度为目标，最终得到加工参数为：小孔：进给量 0.006mm 、轴向速度： 1600mm/min ，转速 15000rpm ；大孔：进给率 0.05mm/ min，轴向速度： 80mm/min ，转速 8000rpm. 。粗磨进给量对粗糙度影响不大，精磨的进给量直接决定了最终的表面粗糙度。

3 实施过程

综上，利用优化后的参数进行实施加工，同时为了提高最终表面粗糙质量，设置小孔进给精磨量为 0.002mm 、大孔精磨 0.02mm/min 。优化后各种约束都趋于边界，生产效率提高，成本下降。

4 结论

从改进前后加工参数对比看出，对测扭油缸的磨削，数控内圆磨工艺取代普通内圆磨工艺，可以解决加工效率低、人工操作不稳定的问题。技术上主要有以下几点结论：

掌握数控内圆磨工艺及程序控制，可以取代普通人工内圆磨床，避免人工凭经验操作的失误问题，提高了加工效率；

进行了试验研究，对数控内磨磨削参数优选，以减少加工时间和表面粗糙度为目标，最终得到加工参数为：大孔：进给量 0.006mm 、轴向速度： 1600mm/ min，转速 15000rpm ；小孔：进给速度 0.05mm/min ，轴向速度： 80mm/min ，转速 8000rpm, 。

采用优化后的数控参数加工，无烧伤、拉钩、裂纹等质量问题，同时效率提高了 20% 以上。