1Cr18Ni9Ti不銹鋼動(dòng)量輪輪體內(nèi)孔精密加工方法

何華東，李曉寶，胡曉光，張振

天津航天機(jī)電設(shè)備研究所 天津 300301

1 序言

動(dòng)量輪利用陀螺定軸性和轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的反作用力矩，來(lái)穩(wěn)定或改變衛(wèi)星的姿態(tài)。動(dòng)量輪產(chǎn)品的加工精度直接影響整個(gè)航天器的運(yùn)行壽命、控制精度和可靠性，而輪體內(nèi)孔的加工質(zhì)量則決定了動(dòng)量輪的整體裝配精度。該部位的形狀及尺寸精度要求極為嚴(yán)格，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于內(nèi)孔采用常規(guī)車削和磨削無(wú)法保證尺寸和形狀公差，因此輪體內(nèi)孔精密加工成為動(dòng)量輪制造瓶頸。

2 輪體加工特性分析

輪體是動(dòng)量輪產(chǎn)品的關(guān)鍵零件，由1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼經(jīng)鍛造后整體切削成形。1Cr18Ni9Ti屬難加工奧氏體不銹鋼。輪體及內(nèi)孔如圖1所示。動(dòng)量輪中心圓柱孔尺寸為φ50mm，尺寸公差等級(jí)為IT2級(jí)，公差值為0～3μm。該孔圓柱度要求＜3μm，表面粗糙度值Ra=0.8μm。

由于輪體材料的切削特性對(duì)車削加工有很大的影響，因此了解和掌握1Cr18Ni9Ti不銹鋼的切削性能對(duì)車削加工極其重要。該材料的相對(duì)可切削性為0.3～0.5，屬于難切削材料，其加工特性主要包括以下幾個(gè)方面[1]。

（1）刀具磨損快 材料的高溫強(qiáng)度及高溫硬度較高，切削過(guò)程中切屑切除困難，切削力大，導(dǎo)致刀具磨損速度快。

（2）塑性和韌性高 由于材料的延伸率為40%，是45鋼的250%～280%，所以切屑不易切離、卷曲和折斷，切削溫度高。

（3）導(dǎo)熱性差 由于切屑切離與折斷困難，所以刀具切削刃面與工件間產(chǎn)生的摩擦熱增加。由于1Cr18Ni9Ti不銹鋼的導(dǎo)熱率較低（約為45鋼的1/3～1/2），因此材料的散熱能力差，被切屑帶走的熱量較少。刀具承擔(dān)的切削熱量增加，使溫度提升，刀具磨損加劇。

（4）加工硬化嚴(yán)重 隨著刀具的急速磨損，使得切削力增加，切削參數(shù)發(fā)生變化，工件的表面質(zhì)量變差。

依照常規(guī)加工工藝，先后選用兩種方法對(duì)試驗(yàn)件內(nèi)孔進(jìn)行試切加工。加工方案如下。

方案1：使用高精度車床，精車內(nèi)孔至成品尺寸。此方案實(shí)施過(guò)程中，分別使用高精度手動(dòng)車床和數(shù)控車床進(jìn)行試切，鑒于這兩種車床本身主軸徑向圓跳動(dòng)誤差為2～3μm，基本處于零件精度要求極限，同時(shí)零件的材料特性使得刀具磨損極快，對(duì)零件的圓柱度產(chǎn)生影響，因而此方法加工出的零件圓柱度為3～6μm，表面粗糙度值Ra=1.6μm，不能滿足零件精度要求。

方案2：直徑留0.15～0.2mm余量半精車內(nèi)孔，然后使用精密內(nèi)圓磨床精磨內(nèi)孔至成品尺寸。該磨床主軸回轉(zhuǎn)精度為0.5～1μm，能夠滿足零件精度要求。在實(shí)際加工中，分別使用單晶剛玉和立方氮化硼砂輪對(duì)內(nèi)圓進(jìn)行磨削，發(fā)現(xiàn)圓柱度始終在3μm左右浮動(dòng)，合格率為50%，雖然表面粗糙度值達(dá)到Ra=0.2μm，但圓柱度超差風(fēng)險(xiǎn)較大，仍然不能滿足零件精度要求。

后續(xù)通過(guò)對(duì)鋁合金、鈦合金材料進(jìn)行試切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用精密車床車削后的表面圓柱度可達(dá)到2～3μm，而使用高精度內(nèi)圓磨床加工出的內(nèi)孔圓柱度可達(dá)到1μm。經(jīng)過(guò)比對(duì)分析得知，雖然機(jī)床精度是加工此類高精度產(chǎn)品的重要因素，但材料的切削特性、零件的結(jié)構(gòu)特性也是決定輪體內(nèi)孔加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。刀具和砂輪磨損、裝夾變形、切削應(yīng)力變形及加工振動(dòng)等環(huán)節(jié)，使得上述兩種工藝方法都不能嚴(yán)格保證高精度內(nèi)孔的加工質(zhì)量。

為避免機(jī)床精度對(duì)加工精度的影響，并且能依靠現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)輪體加工，同時(shí)嚴(yán)格保證內(nèi)孔尺寸和形狀精度要求，經(jīng)過(guò)多次工藝摸索驗(yàn)證，確定使用研磨工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔高精度要求。輪體內(nèi)孔加工工序如圖2所示。同時(shí)，為減輕研磨操作強(qiáng)度和提高效率，研磨前將孔余量精準(zhǔn)控制在0.01～0.02mm，圓柱度優(yōu)于8μm，表面粗糙度值Ra＜1.6μm。這樣就需對(duì)輪體的車削和研磨技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

圖2 輪體內(nèi)孔加工工序

3 輪體精密車削加工方法

針對(duì)材料的切削特性，從刀具及切削參數(shù)選用、切削液應(yīng)用和零件裝夾定位等方面確定了零件具體的車削加工措施和方法[2]。

（1）刀具材料的選用 粗加工時(shí)選用YG8硬質(zhì)合金車刀進(jìn)行加工，因?yàn)檩嗴w材料1Cr18Ni9Ti含有Ti元素，該元素易與刀具材料中的同元素發(fā)生親和作用，在切削時(shí)含Ti的刀片磨損極快，所以在加工本材料時(shí)，避免選用YT類硬質(zhì)合金刀具材料。精加工選用不含Ti元素的涂層刀具進(jìn)行切削，可選擇Al2O3為基體的涂層材料，其化學(xué)惰性大且和不銹鋼材料的親和作用小。

（2）刀具幾何角度的選擇 粗加工階段，由于余量較多、剛性較好，所以此時(shí)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(yīng)考慮減少切削力和提高表面質(zhì)量，具體選擇如下所述。

1）刀具在粗加工時(shí)，為使車刀具有良好的切削強(qiáng)度，前角一般取較小值（12°～15°）；精加工時(shí)為了使刀具更加鋒利，并有效降低切削力，從而獲得更高的表面質(zhì)量，前角一般取較大值（15°～20°）。

2）后角選擇方法和前角類似，粗加工時(shí)主要是為了提高材料去除效率，精加工時(shí)是為了減小后刀面和材料被切削面之間的接觸面，以及降低刀具磨損等。粗加工時(shí)刀具主后角為6°～8°，精加工時(shí)主后角為8°～10°。

3）主偏角的選擇主要從對(duì)切削力的大小和方向這兩個(gè)方面的影響進(jìn)行調(diào)整。粗加工時(shí)，使用較小的主偏角，一般取60°～75°；精加工時(shí)，為了減小徑向切削力，應(yīng)選90°～95°的大主偏角。

4）刃傾角主要影響切削力的方向和刀尖、切削刃的強(qiáng)度，在粗加工時(shí)，為了提高刀尖的強(qiáng)度，刃傾角一般取負(fù)值，可取-5°～0°；在精加工時(shí)，為使切屑排向工件待切削表面，并最大限度減小徑向切削力，刃傾角應(yīng)取正值，可取0°～3°。

（3）切削用量的選擇 粗、精加工切削用量的選擇原則為：粗加工主要考慮刀具壽命和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，切削用量數(shù)值應(yīng)大些；精加工主要考慮切削力和工件的弱剛性特點(diǎn)，減小切削變形，提高表面質(zhì)量，切削用量應(yīng)小些。影響切削力大小的切削要素中，由大至小分別為切削深度、進(jìn)給量和切削速度。具體選擇如下所述。

1）切削深度。粗加工時(shí)，切削深度應(yīng)取較大值，可避免在加工硬化層內(nèi)切削，并提高加工效率，一般取2～4mm。精加工時(shí)，為了減小工件彈性和塑性變形，切削深度取較小值，但不宜過(guò)小，否則會(huì)使得生產(chǎn)效率降低，精車時(shí)切削深度一般取0.1～0.15mm。

2）進(jìn)給量。由于進(jìn)給量對(duì)切削力的影響較小，因此為了提高切削效率，進(jìn)給量可取相對(duì)較大數(shù)值，一般在粗加工時(shí)取0.15～0.2mm/r，精加工時(shí)取0.03～0.06mm/r。

3）切削速度。切削速度影響工件的表面質(zhì)量和刀具壽命。粗加工切削速度不宜選擇太高，一般取30～40m/min；精加工時(shí)由于零件結(jié)構(gòu)剛性較差，因此通過(guò)改變刀具角度控制切削力，提升精加工表面質(zhì)量，切削速度與粗加工一致。

（4）切削液的選用 1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料具有一定的黏性，切削加工性差，切削時(shí)易產(chǎn)生積屑瘤，從而破壞已加工表面，這就要求選擇冷卻性、潤(rùn)滑性和滲透性都好的極壓乳化液。使用l∶50的水配制成的極壓乳化液，在切削加工中能保證零件的表面質(zhì)量并有效降低切削溫度。

（5）安裝定位方法 輪體徑向剛度較差，夾緊力沿軸向分布，雖然不會(huì)使工件產(chǎn)生變形，但在切削過(guò)程中，切削振動(dòng)和徑向切削力仍然能使零件產(chǎn)生微米級(jí)變形，只需滿足研磨余量即可。輪體的裝夾如圖3所示。

圖3 輪體的裝夾

4 內(nèi)孔精密研磨方法

研磨加工是利用研具在施加一定壓力的情況下，相對(duì)工件加工表面作復(fù)雜的移動(dòng)和運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研具與工件間的磨粒和研磨劑在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，起物理機(jī)械磨削作用，使磨粒能從工件表面上摩擦磨損掉極薄的一層材料，可對(duì)加工表面進(jìn)行0.01～0.1μm的微量切削，從而可高精度控制工件尺寸和形狀精度，同時(shí)獲得高表面質(zhì)量。由于研磨加工對(duì)機(jī)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(shè)計(jì)要求。

4.1 研磨前的準(zhǔn)備工作

（1）研磨方式及研磨劑的選用 為了便于操作，配制研磨膏進(jìn)行研磨，研磨分類及適用范圍見(jiàn)表1。針對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料，采用SA單晶剛玉研磨粉，粗研粒度選擇F600，精研粒度選擇F1000。研磨膏成分配比見(jiàn)表2[3]。

表1 研磨分類及適用范圍

表2 研磨膏成分及用途

（2）研具結(jié)構(gòu)及尺寸 研具是用于涂敷或嵌入磨料，而且不會(huì)嵌入工件表面，并使其磨粒發(fā)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鑄鐵、10或20低碳鋼及黃銅等。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，選取黃銅為研磨套材料，45鋼調(diào)質(zhì)料為芯棒材料，制作了可調(diào)式內(nèi)孔研具。研磨套采用單槽結(jié)構(gòu)，外圓制作了交叉螺旋槽，用于存儲(chǔ)多余的研磨劑。研磨套與芯棒通過(guò)1∶20錐面配合，使用螺釘、壓板進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于研磨套磨損后尺寸調(diào)整。研磨套長(zhǎng)度為工件被研內(nèi)孔長(zhǎng)度的2～3倍。研磨工藝是一種誤差平均法，研磨前內(nèi)孔圓柱度允許誤差較高，但一般不應(yīng)超過(guò)研磨后誤差的6～10倍，故研磨前內(nèi)孔圓柱度應(yīng)控制在0.01mm左右。研磨套外圓與工件內(nèi)孔保持0.01～0.02mm間隙。輪體研具如圖4所示。

圖4 輪體研具

4.2 研磨過(guò)程

（1）操作方法 內(nèi)孔研磨在手動(dòng)車床進(jìn)行，采用機(jī)械與手工配合的研磨方法。

1）研磨棒夾持在車床卡盤(pán)上，轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)，將研磨膏均勻涂抹在研磨套外圓表面。

2）雙手把持工件，將工件內(nèi)孔慢慢旋入研磨套外圓。

3）起動(dòng)車床主軸，帶動(dòng)研具旋轉(zhuǎn)，雙手把持工件在研磨套外圓做軸向往復(fù)勻速移動(dòng)，移動(dòng)距離要盡可能覆蓋研磨套全長(zhǎng)。

4）研磨5～8min后，將工件取下，擦掉研具和工件表面的研磨劑，然后涂敷新的研磨劑，重新套上進(jìn)行研磨。

5）研磨過(guò)程中，根據(jù)孔徑變化，適時(shí)調(diào)大研磨套直徑，以適應(yīng)工件所要求的尺寸和精度。調(diào)節(jié)研磨套時(shí)，要控制與工件的間隙量，間隙太小容易將孔面拉毛，增大操作強(qiáng)度；間隙過(guò)大容易出現(xiàn)橢圓或錐度的情況。

6）研磨時(shí)如有過(guò)多的研磨劑被擠出，應(yīng)及時(shí)擦掉，否則會(huì)使孔口擴(kuò)大，孔面帶錐成喇叭口狀。

7）采用多次調(diào)頭裝夾的方式，通過(guò)研磨軌跡的不斷變化，避免同一誤差放大，避免孔面誤差對(duì)工件圓柱度的影響。

（2）速度參數(shù) 研磨轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，一般為30～100r/min。粗研采用80～100r/min，半精研采用40～80r/min，精研則采用30r/min。通過(guò)工件在研具上研磨出的網(wǎng)紋來(lái)判斷研磨速度是否合適。當(dāng)研具上研磨出的網(wǎng)紋呈45°交叉線時(shí)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度適當(dāng)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度不論太快還是太慢，都影響工件的精度和耐磨性。

（3）注意事項(xiàng) 研磨前，確保孔口無(wú)毛刺，孔口棱邊圓滑，可避免研磨過(guò)程中出現(xiàn)屑渣裹入研磨膏中造成工件內(nèi)孔劃傷現(xiàn)象；研磨套開(kāi)口單槽和交叉螺旋槽棱角無(wú)銳邊，保證槽口均為鈍邊且光滑過(guò)渡；工件應(yīng)及時(shí)清洗，確保每次在工件與研具清理干凈后再涂敷新的研磨劑；精研前，工件放置30min以上，使零件熱量充分釋放后再進(jìn)行精研加工。

5 方法驗(yàn)證

輪體采用此精密加工方法進(jìn)行加工驗(yàn)證。研磨加工過(guò)程輪體內(nèi)孔尺寸采用三點(diǎn)內(nèi)徑千分尺測(cè)量，圓柱度不測(cè)量。研磨加工后輪體內(nèi)孔尺寸采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量，圓柱度采用圓度儀測(cè)量（見(jiàn)圖5）。最終表面粗糙度采用對(duì)比塊測(cè)量。保證量具和工件表面清潔度，以及在相同溫度環(huán)境下測(cè)量。將三點(diǎn)內(nèi)徑千分尺測(cè)量值與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果比對(duì)，檢測(cè)結(jié)果在誤差范圍內(nèi)。輪體內(nèi)孔尺寸及圓柱度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 輪體內(nèi)孔尺寸及圓柱度測(cè)量結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼動(dòng)量輪輪體的內(nèi)孔尺寸高精度加工問(wèn)題，提出采用精密車削工藝與手工研磨相結(jié)合的方法。此方法經(jīng)過(guò)數(shù)控車床半精加工和手動(dòng)研磨兩道工序，保證了輪體內(nèi)孔尺寸φ50mm滿足公差＜3μm，圓柱度達(dá)到1μm，內(nèi)孔表面粗糙度值Ra＜0.2μm。加工精度完全符合設(shè)計(jì)要求。此方法制造成本低，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，為其他航天器輪系零件的內(nèi)孔精密加工提供了參考。