1Cr18Ni9Ti不鏽鋼動量輪輪體內孔精密加工方法
編者按
針對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼（gāng）動量輪輪體的內孔加工難點，采用常規（guī）車削和磨削均無法保證精度要求。通過（guò）對不鏽鋼材料切削特性和輪體內孔（kǒng）加工工藝（yì）進行全麵分析，結（jié）合（hé）現有加工（gōng）方式的優（yōu）點和不足（zú），創新采用精（jīng）密車削工藝與（yǔ）手工（gōng）研（yán）磨相結合的方法，突破加工瓶頸，實現了動量輪中心圓柱孔的加工精度（dù）要求，為同類型高精（jīng）度輪係內孔加工提供了（le）參考方法。精密加工http://www.dgszm.com/
01
序言
動量（liàng）輪利用陀螺（luó）定軸性和（hé）轉（zhuǎn）速變化而產（chǎn）生的反作（zuò）用力矩（jǔ），來穩定或改變衛星的姿態。動量輪產品的加工精度直接影響（xiǎng）整個（gè）航天（tiān）器的運行壽命、控製精度和可靠性，而輪體內孔的加工質量則決定了（le）動量輪（lún）的（de）整體裝配精度。該部位的形狀及尺寸精度要求極為嚴格，在（zài）實際生產中，由於內孔（kǒng）采用常規車削和磨削無法保證尺寸和（hé）形狀公差，因此輪體內孔精密加工成為動量輪製造瓶頸。
02
輪體加工特性分析
輪體是動量輪產品的關鍵零件，由1Cr18Ni9Ti奧氏體不鏽鋼經鍛造後（hòu）整體（tǐ）切削（xuē）成形。1Cr18Ni9Ti屬難加工奧氏體不鏽鋼。輪體及內孔如圖1所示。動量輪中心圓柱孔尺寸為φ50mm，尺寸公差等級為IT2級（jí），公差值為0～3μm。該孔圓柱度要求＜3μm，表麵粗（cū）糙度值Ra=0.8μm。
圖1 輪體及內孔
由於輪體材料的切削特性對車削加工有很大的影響，因此了解和掌握1Cr18Ni9Ti不（bú）鏽鋼的切削性能（néng）對車削加工極其重要。該材料的相對可切削性為0.3～0.5，屬於（yú）難切削（xuē）材料，其加工特性（xìng）主要包括以下幾個方（fāng）麵[1]。
（1）刀具磨損快 材料的高溫強度及高溫硬度較高（gāo），切削過程中切屑切除困難，切削力大，導致刀具（jù）磨損速度快（kuài）。
（2）塑性和韌（rèn）性（xìng）高 由（yóu）於材料的延伸率為40%，是45鋼的250%～280%，所以（yǐ）切屑（xiè）不（bú）易切離、卷曲和折斷，切（qiē）削（xuē）溫（wēn）度高。
（3）導熱性差 由於切屑切離與折斷困（kùn）難，所以刀具切削刃麵與工件（jiàn）間產（chǎn）生的摩擦（cā）熱增加。由於1Cr18Ni9Ti不鏽鋼的導熱率較（jiào）低（約為45鋼的1/3～1/2），因（yīn）此材料的（de）散熱能力差，被切屑帶走的熱量較少。刀具承擔的切削熱量增加，使溫度提升，刀具磨損加（jiā）劇。
（4）加工硬化嚴重 隨著刀具的急速磨損，使得切削力增（zēng）加（jiā），切削參數發生變化，工件的表麵質量（liàng）變差。
依（yī）照常（cháng）規加工工藝，先後選（xuǎn）用兩種方法對試驗件內（nèi）孔進行試切加工。加工方案如下。
方案1：使用高精（jīng）度車床，精車內孔至成品尺寸。此方案實施過程中，分別使用高精度（dù）手動車床和數控車床進行試切（qiē），鑒於這（zhè）兩種車床本身主軸徑向圓跳（tiào）動誤差（chà）為2～3μm，基本處於零件精度要求極限，同時零件的材料特（tè）性使得刀具磨損極（jí）快，對零件的圓柱度產（chǎn）生（shēng）影響，因而此方法加工出的零件圓柱度為3～6μm，表麵（miàn）粗糙度值（zhí）Ra=1.6μm，不能滿足零件精度要（yào）求。
方（fāng）案2：直徑留0.15～0.2mm餘量半精車內孔（kǒng），然後使用精密內圓（yuán）磨床精磨內孔至成品尺寸。該磨床主軸回轉精度為0.5～1μm，能夠滿足零件精度要求。在實際加（jiā）工中，分（fèn）別使用單晶剛玉和立方（fāng）氮（dàn）化硼砂輪對內圓進行磨削，發現圓（yuán）柱度始終在3μm左右浮（fú）動，合格率（lǜ）為50%，雖然表麵粗糙度值達到Ra=0.2μm，但圓柱度超差風險較大，仍然不能滿足零件精度（dù）要求。
後續通過對鋁合金、鈦合金材料進行試切試驗，發現使用精密車床車削後的表麵圓柱度可達到2～3μm，而使用高精度內圓磨床加工出的內孔圓柱度可（kě）達到1μm。經過比對分析得知，雖然機床精（jīng）度是加工此類高（gāo）精度產品的重要因（yīn）素，但材料的切削特性、零件的結構特性也是決定輪體內孔加工質量的關鍵因素。刀具和（hé）砂輪磨損、裝夾變形、切削應力變形及加工振動等（děng）環節，使（shǐ）得上述（shù）兩種工藝方法都不能嚴格保證高精度內孔的加工質量。
為避免機床精度對加工精度的影響，並且能依（yī）靠（kào）現有（yǒu）設備實現輪體加工，同時嚴格保證內孔尺寸和形狀精度要求，經過多次工藝摸索驗證，確定使用研磨工藝來實現內孔高精度要求。輪體內孔（kǒng）加工工序如圖2所示。同時（shí），為減輕研磨操作強度和提高效率，研磨前將孔餘量精準控製在0.01～0.02mm，圓柱度優於8μm，表麵粗糙（cāo）度值Ra＜1.6μm。這樣就需（xū）對輪體的車削（xuē）和研磨技術進行深入的研究。
圖片圖2 輪體內孔加工（gōng）工序（xù）
03
輪體精密車削加工方法
針對材料的切削特性，從刀具及切削參數選用、切削液應用和零件裝夾定位等（děng）方麵確定了零件具（jù）體的車削加（jiā）工措施和方（fāng）法[2]。
（1）刀具材料的選用 粗加工時選用（yòng）YG8硬質合金車刀進行（háng）加工，因為輪體（tǐ）材料1Cr18Ni9Ti含有Ti元素，該元素（sù）易與刀具材料中的同元素（sù）發生親和作用，在切削時含Ti的刀片（piàn）磨損極快，所以在加工本材料時，避免選用YT類（lèi）硬質合金刀具材料。精（jīng）加工選用不含Ti元素的塗層刀具進（jìn）行切削，可選擇Al2O3為基體的塗層材料，其化學惰性大且（qiě）和不鏽鋼材（cái）料的親和（hé）作用小。
（2）刀具幾何角（jiǎo）度的選擇 粗加工階段，由於餘量較（jiào）多、剛性較好，所以此時主要滿足高效去除材料的需求；精加工階段，工件因薄壁特征，徑向剛度較差，故刀具的幾何角度主要應考慮減少切削力和提（tí）高（gāo）表麵質（zhì）量，具體選擇如下所述。
1）刀具在粗加工時，為使（shǐ）車刀具有良好的切削強度，前角一般取較（jiào）小值（12°～15°）；精加工時為了使刀（dāo）具更加（jiā）鋒利，並有效降低切削力，從而（ér）獲得更高的表麵質量，前角一般取較大值（15°～20°）。
2）後角選擇方法和前角類似，粗加工時主要是為了提高材料去除（chú）效率，精加工時是為了減小後（hòu）刀麵和材料被切削麵之間的接觸麵，以及降低刀具磨損（sǔn）等。粗加工時刀具主（zhǔ）後角為6°～8°，精加工時主後（hòu）角為8°～10°。
3）主偏（piān）角的選擇主要從對切（qiē）削力的大小和方向這兩個（gè）方麵的影響進行調整。粗加工時，使用較小的主偏角，一般取60°～75°；精加工時，為了減小（xiǎo）徑（jìng）向切削力，應選90°～95°的大主偏角。
4）刃傾角主要影響切削力的方向（xiàng）和刀尖、切削刃（rèn）的強度，在粗加工時，為（wéi）了提高刀尖的強度，刃傾角一般取負值，可取－5°～0°；在精（jīng）加工時，為使切屑排向工件待切削表麵，並最大限度減小徑（jìng）向切削力，刃傾角應取正值，可（kě）取0°～3°。
（3）切削用量的選擇 粗、精加工（gōng）切削用量的選擇（zé）原則為（wéi）：粗加工主要考慮刀具壽命和提高勞動生產率，切削用量數值應（yīng）大些；精（jīng）加工主要考慮切削力和工件的弱剛性特點，減小切削變（biàn）形，提高表麵質（zhì）量，切（qiē）削用量應小（xiǎo）些。影響切削力大小的切（qiē）削要素中，由大至（zhì）小分別為切削深度、進（jìn）給量和切削速度。具體選擇如下所述。
1）切（qiē）削深度。粗加工時，切削深度（dù）應取較大值，可避免在加工硬化層內切削，並提高加工效率，一般取2～4mm。精加工時，為了減（jiǎn）小工件彈性和塑性變形，切削深（shēn）度取較小值，但不宜過小，否則會使得生產效率降低，精車時切削深度一般取0.1～0.15mm。
2）進給（gěi）量。由於進給量對切（qiē）削力的影響較小，因此為了提高切削效率，進給量可取相對較大數值，一般在粗加工時取0.15～0.2mm/r，精加工時取0.03～0.06mm/r。
3）切削速度。切削速度影響工件（jiàn）的表麵質量和刀具壽命。粗加工切削速度不宜選（xuǎn）擇太高，一般取30～40m/min；精加工（gōng）時由於零件結構剛性較差，因此通（tōng）過改變刀具（jù）角度控製切削力，提升精加工（gōng）表麵質量，切削速度與粗（cū）加工一致。
（4）切削液的選用 1Cr18Ni9Ti不鏽鋼材料具有（yǒu）一定的黏性，切削（xuē）加工（gōng）性差，切削時易（yì）產生積屑瘤（liú），從而破（pò）壞已加工表（biǎo）麵（miàn），這就（jiù）要求（qiú）選擇冷卻性、潤滑性和滲透性（xìng）都好的（de）極壓乳（rǔ）化液。使用l∶50的（de）水配製成的（de）極壓乳化液（yè），在切削加工中能（néng）保證零件的（de）表麵質量並有效降（jiàng）低切削溫度。
（5）安（ān）裝定（dìng）位方法 輪體徑向剛度較差，夾緊力沿軸向分布，雖然不會使工件產生變（biàn）形（xíng），但在（zài）切削過（guò）程中，切削振動和徑向切削力仍然能使零（líng）件產生微米級變形，隻需滿足研磨餘量即可。輪體的裝夾如圖3所示。
圖片
圖3 輪體的裝夾
04
內孔精密研（yán）磨（mó）方法
研磨加（jiā）工是（shì）利（lì）用研具在施加一定壓力的情況下，相對工件加工表麵作複雜的移動和運動（dòng）來實（shí）現的（de）。研具與工件間的磨粒和研磨劑在相對運動中，起物理機械磨削作用，使磨粒能從工件表麵上摩擦磨（mó）損掉極薄的一層（céng）材料（liào），可對加工表麵進（jìn）行0.01～0.1μm的微量切削，從而可高精度控製工件尺寸和形狀精（jīng）度，同時獲得高表麵質量。由於研磨加工對機床精度要求不高，因此使用研磨工藝可確保輪體內（nèi）孔尺寸和形狀精度滿足設計要求。
4.1 研磨前的（de）準（zhǔn）備工作
（1）研（yán）磨方式及研磨劑（jì）的選用 為了（le）便於操作，配製研磨膏進行研磨（mó），研磨分類及適用範圍（wéi）見表1。針（zhēn）對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼材料，采用SA單晶剛玉研磨粉，粗研粒度選擇F600，精研（yán）粒度選擇F1000。研磨膏成（chéng）分配比（bǐ）見表2[3]。
表1 研磨分（fèn）類（lèi）及適用範圍圖片
表（biǎo）2 研磨膏成分及用途圖片
（2）研具結構及尺寸 研具是用於塗敷或嵌（qiàn）入磨料，而且不會嵌入工件表麵，並使其（qí）磨粒（lì）發揮切削作用的工具。研磨部分的材料一般比工件軟，常用的研具材料為灰（huī）鑄鐵、10或20低碳鋼（gāng）及黃銅等。結合生產實際，選取黃銅為研磨套材料，45鋼調質料為芯棒材料，製作（zuò）了可調式內孔研具。研磨套采用單槽結構，外圓製作了交叉螺（luó）旋槽，用於存儲多餘的研磨劑。研磨套與芯棒通過1∶20錐麵配合，使用螺（luó）釘、壓板進行（háng）調節，便於研磨套磨（mó）損後尺寸調整（zhěng）。研（yán）磨套長度為工件被研（yán）內孔長（zhǎng）度的2～3倍。研磨工藝是一種誤差平均法，研磨前內孔圓（yuán）柱度允許誤差較高，但一般（bān）不應超過研磨後誤差的（de）6～10倍，故研磨前內孔圓柱度應控製在（zài）0.01mm左右（yòu）。研磨套外圓與工件內孔保持（chí）0.01～0.02mm間隙。輪體研（yán）具如圖4所示。
圖（tú）片
圖（tú）4 輪（lún）體研具
4.2 研磨過程
（1）操作（zuò）方法 內（nèi）孔研磨在手（shǒu）動車床進（jìn）行，采用機械與手工配合的研磨方（fāng）法。
1）研磨棒夾持在車床卡盤上，轉動卡盤，將研磨膏均勻塗抹在研磨套外圓表麵。
2）雙手把持工件，將工件內孔慢慢旋入研磨套外圓。
3）起動車床（chuáng）主軸，帶動研具旋轉，雙手把持工件在研磨套外圓做軸向往（wǎng）複勻速移動，移動距離要盡可能覆蓋研磨套全長。
4）研磨5～8min後，將工件（jiàn）取下，擦掉研具和工件表麵的（de）研磨劑，然後塗敷新的研磨劑，重新套上進行研磨。
5）研磨過程中，根據孔徑變（biàn）化，適（shì）時調大研（yán）磨套直徑，以適應工件所要求的尺寸和精度（dù）。調節研磨（mó）套時，要控製與工件的間隙量，間隙太小容（róng）易將孔麵拉毛，增大操作強度（dù）；間隙過大容易出現橢圓或錐度的情況。
6）研磨時如有（yǒu）過多的研磨劑被擠出，應及時擦掉，否則會使孔口擴大（dà），孔麵帶錐（zhuī）成（chéng）喇叭口狀（zhuàng）。
7）采用多次調（diào）頭（tóu）裝夾的方（fāng）式，通過研磨軌跡的不斷（duàn）變化，避免同一誤（wù）差放（fàng）大（dà），避免孔麵誤（wù）差對工件圓柱度的（de）影（yǐng）響。
（2）速度參數 研磨轉速不宜過高，一般為30～100r/min。粗研采（cǎi）用80～100r/min，半精（jīng）研采用40～80r/min，精（jīng）研（yán）則采用30r/min。通過工件（jiàn）在研具上研磨出的網紋來（lái）判（pàn）斷研磨速度是否合適。當研具上研磨出的網紋呈45°交叉線時（shí），往複運動速度適（shì）當。往複運動的速度不論太快還（hái）是太慢，都影響（xiǎng）工件的精度和耐磨性。
（3）注意事項 研磨前，確保孔口無毛刺，孔口棱邊圓（yuán）滑，可避免研磨過程中出現屑渣（zhā）裹入研磨膏中造成工（gōng）件內孔劃傷現象；研磨套開口單（dān）槽和交叉螺旋槽棱角無銳邊，保證槽（cáo）口均（jun1）為（wéi）鈍邊且光滑過渡；工件應及時清洗，確（què）保每次在工件與研具清理幹淨後再塗敷新的研磨劑；精研前，工件放（fàng）置30min以上，使（shǐ）零件熱量充分釋放後再進行精研加工。
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方法驗證
輪體采用此精密加（jiā）工方法進行加工驗（yàn）證。研磨加工過程輪體內孔尺寸采用三（sān）點內徑千分尺測量，圓柱度不測量。研磨加工（gōng）後輪體（tǐ）內孔（kǒng）尺寸采用三坐標測量機測（cè）量，圓柱度采用圓度儀測量（見圖5）。最終表麵粗糙度采用對比塊測量。保證量具和工件表（biǎo）麵清潔度，以及在相同（tóng）溫度環境下測量。將三點內徑千分尺測（cè）量（liàng）值（zhí）與三坐標測量機測量（liàng）結果比對（duì），檢測結果在（zài）誤差範圍內。輪體內孔尺寸及圓柱度測（cè）量結果（guǒ）見表3。
圖片
圖5 圓柱（zhù）度測量
表3 輪體內孔尺寸及圓柱度測量結果圖（tú）片
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結束語
針對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼動量輪輪體的內孔尺寸高精度加工問題，提出（chū）采用精密車削工藝（yì）與手工研磨相（xiàng）結合的方法。此方法經（jīng）過數控車床半精加工和（hé）手動研磨兩（liǎng）道工序，保證了輪體內孔尺寸φ50mm滿足（zú）公差（chà）＜3μm，圓柱度達到1μm，內孔表麵粗糙度值Ra＜0.2μm。加工（gōng）精度完全符合（hé）設計要求。此方法製造成本低，效率（lǜ）高（gāo），質量穩（wěn）定可靠，為其他（tā）航天器輪係零件的內（nèi）孔精密加工提供了參考。
