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加工精密主轴时顶尖定位精度的精化方法
1 保证顶尖孔定位精度的一般工艺措施
加工精密主轴零件时，最典型的工件定位方式为两端顶尖孔定位，这种定位方式符合基准重合原则和基准统一原则。为保证顶尖定位精度，一般在对主轴的主要外圆表面进行终加工前，需重新对顶尖孔进行修研加工，常用的修研方法有：
①用油石或橡胶砂轮修研顶尖孔。将圆柱形油石或橡胶砂轮装夹在车床卡盘上，用金刚石笔将其修整为60°圆锥体；将工件顶夹在油石与车床后顶尖之间，并加入少量柴油或轻机油润滑，然后开动车床使油石高速转动进行修研，同时操作者手握工件断续转动。
②用铸铁顶尖修研顶尖孔。该方法原理同上，不同的是用铸铁顶尖代替油石顶尖，修研时应加入研磨剂，顶尖转速略低。
③用硬质合金顶尖修研顶尖孔。该方法加工效率高，但修研质量稍差，多用于修研普通轴顶尖孔或作为精密轴顶尖孔的粗研加工。
④用顶尖孔磨床研磨顶尖孔。该机床加工精度较高，顶尖孔表面粗糙度可达Ra0.32μm，圆度可达0.8μm。
加工精密主轴外圆时，主轴顶尖孔支承在固定的前、后顶尖上，此时工件的回转轴线由两个固定顶尖决定。理论上回转轴线是固定不变的，可加工出高精度的外圆。但当两顶尖孔存在形状误差(如圆度、角度误差等)或同轴度误差时，均会造成定位截面上的顶尖与顶尖孔之间呈非圆周线接触的有限点接触状态(如图1所示)，这将导致支承刚度不足而使工件轴线发生变动，造成加工面的圆度误差。在终磨(超精磨)图2所示精密主轴的主要外圆时，由于其圆度允差极小，即使对两顶尖孔进行了仔细修研，使两顶尖孔具有很低的表面粗糙度、较高的形状精度和同轴度，但其接触面积仍很难达到85%以上，工件轴线变动依然较明显，仍会对工件外圆圆度产生显著影响，外圆圆度超差现象时有发生。


(a)顶尖定位示意图 (b)定位截面有限点接触状态图
图1 双锥形顶尖定位状态图

图2 高精度磨床砂轮主轴简图

2 顶尖定位精度的精化方法
为提高加工精密主轴时顶尖的定位精度，保证主轴外圆终加工的圆度要求，可采取以下顶尖定位精度精化措施。
2.1采用外圆终磨专用球形顶尖
利用球体任意截面均为圆形和球体与锥孔接触均呈圆周线接触的特点，设计外圆终磨专用球形顶尖对工件进行顶夹定位(如图3所示)。球形顶尖可从几何原理上保证顶尖与顶尖孔在定位截面上始终保持圆周线接触状态，即使两顶尖孔存在较明显的锥度误差和同轴度误差，也不会改变其圆周线接触状态。采用球形顶尖定位时，定位圆截面的接触应力分布均匀，接触刚度显著提高，被磨削主轴零件因定位面接触变形引起的轴线位移基本消除，从而可显著提高主轴回转轴线的位置稳定性，使主轴外圆终磨后的圆度大大提高。

(a)顶尖定位示意图 (b)定位截面接触状态图
图3 球形顶尖定位状态图

2.2顶尖孔的多次修研
精密主轴零件的主要外圆表面(如主轴轴颈面)一般需经粗磨→半精磨→精磨→终磨(超精磨)等多道工序加工，在每道磨削工序之前均应对顶尖孔进行仔细修研，以逐步减小顶尖孔的表面粗糙度值，提高两顶尖孔的形状精度和同轴度，达到提高顶尖与顶尖孔接触精度的目的。
各道磨削工序前的顶尖孔修研精度应达到以下要求：
①粗磨外圆前修研精度：表面粗糙度Ra0.63μm以下，用标准顶尖着色检查，接触面积不小于60%；
②半精磨外圆前修研精度：表面粗糙度Ra0.32μm，用标准顶尖着色检查，接触面积不小于65%；
③精磨外圆前修研精度：表面粗糙度Ra0.32μm，用磨床工作顶尖着色检查，接触面积不小于75%，且在近大端接触。
④终磨外圆前修研精度：表面粗糙度Ra0.32μm，在终磨磨床上用专用终磨球形工作顶尖加研磨剂研磨并着色检查，接触面积不小于95%；同时应保证恒温加工条件(20±1℃)。

3 结语
工艺试验表明，通过对顶尖孔进行多次修研，并在外圆终磨前采用球形顶尖研磨，可显著提高顶尖孔质量，精化顶尖定位精度。球形顶尖的制造、使用、维护方便，研磨质量高，可使接触面积稳定达到95%以上，且易保证在近大端接触。通过采取顶尖定位精度的精化措施，精密主轴零件的外圆加工精度明显提高，圆度误差分散范围缩小(可稳定在0.005mm以内)，保证了精密主轴零件的加工合格率。