套类零件内孔的精密加工

4.2　套类零件内孔的精密加工

4.2.1　孔的磨削加工

孔的精密加工主要是磨削。内圆磨削和外圆磨削一样，也分为一般磨削、精密磨削、超精密磨削和镜面磨削。但内圆磨削的工作条件较差，镜面磨削比较困难，所以很少采用。

精密套类零件磨削时的关键问题，是如何保证内孔和外圆的同轴度。一种方案是以外圆表面作为定位基准，来磨削内孔；另一种方案是以内孔表面作为定位基准，来磨削外圆。可根据工件的形状和大小，以及加工精度的不同，来选择不同的加工方案。

1）以外圆表面作为基准磨孔

（1）用四爪单动卡盘装夹

较短的套可用四爪单动卡盘装夹，用百分表校正外圆和端面的圆跳动，调整卡盘使其跳动量在公差范围内，再磨削内孔。

（2）用中心架支承

较长的套一端用四爪单动卡盘装夹，另一端须搭中心架支承（图4.2），才能保证磨削精度。但此时须用百分表分别校正工件在卡盘端和中心架处的圆跳动，调整四爪单动卡盘和中心架的位置，使工件外圆的轴心线与头架主轴的轴心线相重合，才能磨削内孔。

这类套也可用两只中心架来支承外圆，用百分表校正好中心架的位置，工件通过万向接头与磨床头架主轴相连（图4.3）。这种安装方法不受磨床头架主轴误差的影响，故定位误差小，加工精度较高，但调整中心架很费时，质量也不稳定。

图4.2　用卡盘和中心架安装工件

图4.3　用两只中心架安装工件

（3）用顶尖和中心架装夹工件

当工件一端有中心孔，外圆表面已磨削加工时，可用图4.4所示的方法来装夹工件。安装时由于弹簧的压力，将工件左端的中心孔始终紧靠并支承在头架的顶尖上，而右端的支承轴颈用中心架支承，并用百分表校正轴颈外圆，来调整中心架的中心位置。使用这种方法装夹时，要注意工件的支承轴颈与中心孔应有较高的同轴度。由于只需校正工件靠中心架一端，所以比较简便，加工精度也较高。

图4.4　用顶尖和中心架装夹工件

（4）用V形夹具装夹工件

图4.5　用V形夹具装夹工件

工件在V形夹具上装夹方法如图4.5所示。V形夹具的支承架1，以侧面紧靠工作台并用螺钉固定，工件4安放在四块镶有硬质合金块2的V形架3上，上方有压板7通过螺杆8将装有羊毛毡6的压块5压住工件外圆，调整合适后用螺钉9紧固。磨削时，为了防止划伤工件表面，需在羊毛毡上注入少量润滑油。

V形夹具与磨床头架主轴间的传动夹头要能浮动，既能达到传递动力的目的，又能保证工件在V形架上转动自如。

图4.6　传动夹头

传动夹头的结构如图4.6所示。传动轴11穿过浮动套10（轴和套有很大间隙），拧紧螺母7压缩弹簧6，并通过垫圈5使浮动套10紧靠在传动轴的端面上，迫使传动轴11向左顶。传动轴11经圆锥销12联接在套13上，套用螺纹与工件相联接，于是工件经传动轴上的钢球3顶在平头前顶尖前端的平面上，从而消除了工件的轴向窜动。

浮动套10空套在传动夹头本体9内，外圆上有两只对称的凹坑，与两只螺钉2的圆头相配，螺钉2可调节浮动套与本体内孔间的间隙，并用螺母1紧固。这样使浮动套在任何方向都能浮动。

螺钉8用螺母4固定在头架拨盘上，当拨盘转动时，通过螺钉8带动本体9转动，然后通过装在传动轴11上的鸡心夹头，使传动轴转动，从而带动工件转动。

用V形夹具装夹磨削工件，可使内孔与外圆的同轴度稳定在0.005mm内，最高可达0.002mm。而前面几种用卡盘或顶尖和中心架装夹工件，磨削后的同轴度由百分表校正时的调整精度而定，一般只能达到0.01mm。

2）以内孔表面作为基准磨外圆

以外圆表面作为基准磨孔时，除用夹具装夹外，其它方法效率都不高，只能用于单件或小批量生产，并且加工精度也不高。所以在大批量生产或要求孔与外圆同轴度较高的情况下，都采用以内孔表面作为基准来磨削外圆。

（1）用阶台式心轴装夹工件

阶台式心轴如图4.7所示。它利用工件的内孔和端面定位，用螺母拧紧即可。这类心轴的外圆定位通常按g5级公差制造，阶台端面与圆柱面的垂直度误差要小于0.01mm。这类心轴也可以做得较长，可以同时装夹几个工件一起磨外圆，如图4.8所示的心轴同时装夹了5个工件，为了防止螺母拧紧时，因工件端面与心轴轴线不垂直而产生歪斜，可在工件和螺母间加一个十字垫圈，即可保证安装精度。

图4.7　阶台式心轴

图4.8　带十字垫圈的阶台心轴

（2）用微锥心轴装夹工件

微锥心轴的锥度在1／5000～1／7000之间，如图4.9所示。由于心轴的定位面锥度极小，因此当工件内孔与心轴配合时，有很大的接触面，从而获得很高的定位精度。

（3）用专用心轴装夹工件

图4.9　微锥心轴1—工件；2—心轴

专用心轴有很多种类，根据工件内孔的形状和长度而制成不同形式。图4.10所示为顶尖式心轴，这种心轴带有两个60°锥套，像顶尖一样支承在工件孔口60°倒角上。装拆工件时，一端的锥套可以从心轴上卸下。

图4.10　顶尖式心轴1—螺母　2—垫圈；3—60°锥套　4—心轴体

图4.11为磨钻床主轴套筒外圆的专用心轴。它是以工件两端孔定位，心轴的两段φ40mm外圆略带锥度，其小端直径为φ39.985mm；大端直径为φ40.020mm，以保证与工件内孔紧密接触。右端套有孔与心轴精密配合，其配合间隙为0.002mm，用这种心轴装夹磨钻床主轴套筒，其内孔与外圆的同轴度可控制在0.01mm内。

若套类零件有更高的精度和同轴度要求（如同轴度要求在0.005mm内），则可采用密珠心轴。密珠心轴所用的密珠套和密珠心轴的工作状况如图4.12所示。密珠套可以制造滚珠尺寸稍有差异的几套，以供选择配用，但每套滚珠的尺寸必须相同。密珠套上孔中心连线制成螺旋形，以便装入时可慢慢旋入。要求滚珠与工件孔径和心轴直径尺寸间有0.002mm的过盈，并对滚珠的圆度和直径等都有很高的要求，以保证加工后工件的内外圆达到很高的同轴度。

图4.11　用专用心轴磨套筒外圆

图4.12　密珠心轴

4.2.2　孔的珩磨

珩磨是低速大面积接触的磨削加工，是磨削加工的一种特殊形式。它不仅能切除较大的加工余量，而且是一种提高工件尺寸精度、形状精度和获得较细表面粗糙度的有效加工方法。

1）珩磨的加工原理

珩磨是采用细粒度砂条（油石）组成的珩磨头作回转和往复运动，以实现对工件孔进行低速微量磨削和摩擦抛光加工。

珩磨头的回转运动和往复运动（图4.13（a））使砂条上的磨粒在工件孔的表面上的切削轨迹成交叉网纹（图4.13（c）），因而容易获得粗糙度较细的加工表面。

径向加压运动是通过珩磨头的中间推杆，当推杆向下时，前端两个圆锥使顶销将砂条向外胀开，以一定压力压向工件孔壁。图4.13（b）为珩磨机的简图。

珩磨头与珩磨机主轴采用浮动联接，珩磨头以工件孔壁导向，可以保证余量均匀。由于砂条很长，珩磨时工件表面的凸出部分先与砂条接触，接触压力较大，使凸出部分很快被磨去，直至修正到工件表面与砂条全部接触。由于接触面积不断增大，砂条的磨削作用不断减弱，摩擦抛光作用不断增强，被加工孔的圆度和圆柱度逐步提高，最后完成孔表面的加工要求。

图4.13　珩磨的加工原理

（a）珩磨原理　（b）珩磨机　（c）切削轨迹

2）珩磨加工的特点

（1）加工精度高

珩磨能获得很高的尺寸精度和形状精度，尺寸公差等级可达IT6，圆度和圆柱度可达0.003～0.005mm。但珩磨不能修正被加工孔的位置偏差，孔的位置精度和轴心线的直线度应由前道工序保证。

（2）表面质量高

由于珩磨速度低（一般在100m／min以下，仅为磨削的1／30～1／100），而且砂条与孔壁是面接触，因此每一颗砂粒的平均磨削压力很小，工件发热少，孔的表面不会烧伤，变形层也极薄，从而可以获得表面质量很高的孔。

珩磨后的表面有交叉网纹，有利于润滑油的贮存及油膜的保持，从而延长了零件的使用寿命。珩磨后孔的表面粗糙度值一般为Ra0.2～0.4μm，最高可达0.02μm。

（3）生产率较高

珩磨时虽然珩磨头的转速较低，但往复速度高，参加切削的砂粒数目多，所以能很快地切除加工余量。

（4）应用范围广泛

珩磨的应用范围很广，可以加工的孔径范围为5～500mm，孔的长径比可达10。珩磨在大批、大量生产中用得最为普遍，例如，发动机的气缸孔、连杆孔、液压油缸孔等，珩磨已成为典型的加工方法。

珩磨可以加工铸铁、淬硬或不淬硬的钢件，但不宜加工易堵塞砂条的韧性金属材料。珩磨不适用于加工带键槽的孔和花键孔等断续表面。

4.2.3　孔的研磨

1）研磨孔的方法

研磨孔的原理与研磨外圆相同。研具常用可调节直径的研磨心棒，它由研磨心轴1、研磨套3和调节螺母2、4组成（图4.14）。研磨心轴的中间部分是1∶50的外圆锥和研磨套的内圆锥相配合，两端有螺纹与螺母相配。研磨套用铸铁制成，外圆表面开有大的螺旋槽，以便于贮存研磨剂，轴向开有直槽，使套在胀缩时具有一定弹性。当研磨套装入心轴后，调节两端螺母，使心棒伸入工件孔中，再在研磨套上涂一层均匀的研磨剂，调节螺母使研磨套产生弹性变形，给工件以适当的研磨压力。然后将研磨心棒装在车床上，使心棒缓慢转动，并用手握住工件（或用工具夹住工件），将工件在研磨套全长上来回移动，对工件内孔进行研磨。

图4.14　研磨心棒

图4.15　在珩磨机上研磨内孔

当工件的孔较大、重量较重时，可将工件装夹在夹具上，在珩磨机或钻床上研磨。图4.15为在珩磨机上研磨内孔的情况，研磨心棒用圆销装在浮动联轴器上，联轴器的另一端则通过圆销装在珩磨机或钻床上。研磨心棒作低速缓转，并作上下移动。研磨时要注意经常保持研磨心棒对内孔表面有适当压力，以避免因研磨心棒在工件孔内太松，研磨后内孔产生喇叭口。

在单件或小批生产时，可使用比较简单的整体式研磨棒，一般要用4～5根研磨棒。研磨棒的尺寸以递增0.01mm为宜，最后一根研磨棒与工件孔的配合间隙为0.005mm，这样可以保证内孔不会产生喇叭口，同时圆度也能控制在0.005mm内。

2）内孔研磨的特点

（1）工件孔的尺寸公差等级可达IT6以上；表面粗糙度值为Ra0.2～0.05μm。

（2）不能纠正孔的位置精度，只能由前道工序来保证。

（3）生产率较低，研磨前孔必须经过磨削、精铰或精镗等工序。研磨余量不能太大，对于中小尺寸的孔，研磨加工余量约为0.025mm。

4.2.4　孔的挤压加工

孔的挤压加工如图4.16所示。挤压时，工件固定不动，挤压工具（钢球或心轴等）仅做轴向移动，强行推（拉）过具有过盈的孔，工具通过内孔后孔被挤压胀大。用钢球挤压时，孔径不大于50mm；用心轴挤压时，孔径不大于100mm。心轴后端为硬质合金挤压头，外圆表面经精密磨削。图4.16（c）为用滚柱对锥孔进行挤压加工。

图4.16　孔的挤压加工