1Cr18Ni9Ti不銹鋼動量輪輪體內(nèi)孔精密加工方法
編者按
針對1Cr18Ni9Ti不銹鋼動量輪輪體的內(nèi)孔加工難點，采用常規(guī)車削和磨削均無法保證精度要求。通過對不銹鋼材料切削特性和輪體內(nèi)孔加工工藝進行全面分析，結(jié)合現(xiàn)有加工方式的優(yōu)點和不足，創(chuàng)新采用精密車削工藝與手工研磨相結(jié)合的方法，突破加工瓶頸，實現(xiàn)了動量輪中心圓柱孔的加工精度要求，為同類型高精度輪系內(nèi)孔加工提供了參考方法。精密加工http://www.sghtsm.com/
01
序言
動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，來穩(wěn)定或改變衛(wèi)星的姿態(tài)。動量輪產(chǎn)品的加工精度直接影響整個航天器的運行壽命、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格，在實際生產(chǎn)中，由于內(nèi)孔采用常規(guī)車削和磨削無法保證尺寸和形狀公差，因此輪體內(nèi)孔精密加工成為動量輪制造瓶頸。
02
輪體加工特性分析
輪體是動量輪產(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。動量輪中心圓柱孔尺寸為φ50mm，尺寸公差等級為IT2級，公差值為0～3μm。該孔圓柱度要求＜3μm，表面粗糙度值Ra=0.8μm。
圖1 輪體及內(nèi)孔
由于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不銹鋼的切削性能對車削加工極其重要。該材料的相對可切削性為0.3～0.5，屬于難切削材料，其加工特性主要包括以下幾個方面[1]。
（1）刀具磨損快 材料的高溫強度及高溫硬度較高，切削過程中切屑切除困難，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：使用高精度車床，精車內(nèi)孔至成品尺寸。此方案實施過程中，分別使用高精度手動車床和數(shù)控車床進行試切，鑒于這兩種車床本身主軸徑向圓跳動誤差為2～3μm，基本處于零件精度要求極限，同時零件的材料特性使得刀具磨損極快，對零件的圓柱度產(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。在實際加工中，分別使用單晶剛玉和立方氮化硼砂輪對內(nèi)圓進行磨削，發(fā)現(xiàn)圓柱度始終在3μm左右浮動，合格率為50%，雖然表面粗糙度值達到Ra=0.2μm，但圓柱度超差風(fēng)險較大，仍然不能滿足零件精度要求。
后續(xù)通過對鋁合金、鈦合金材料進行試切試驗，發(fā)現(xiàn)使用精密車床車削后的表面圓柱度可達到2～3μm，而使用高精度內(nèi)圓磨床加工出的內(nèi)孔圓柱度可達到1μm。經(jīng)過比對分析得知，雖然機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)力變形及加工振動等環(huán)節(jié)，使得上述兩種工藝方法都不能嚴格保證高精度內(nèi)孔的加工質(zhì)量。
為避免機床精度對加工精度的影響，并且能依靠現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)輪體加工，同時嚴格保證內(nèi)孔尺寸和形狀精度要求，經(jīng)過多次工藝摸索驗證，確定使用研磨工藝來實現(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，為減輕研磨操作強度和提高效率，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。這樣就需對輪體的車削和研磨技術(shù)進行深入的研究。
圖片圖2 輪體內(nèi)孔加工工序
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(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 粗加工時選用YG8硬質(zhì)合金車刀進行加工，因為輪體材料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，在切削時含Ti的刀片磨損極快，所以在加工本材料時，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，為使車刀具有良好的切削強度，前角一般取較小值（12°～15°）；精加工時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，粗加工時主要是為了提高材料去除效率，精加工時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。粗加工時刀具主后角為6°～8°，精加工時主后角為8°～10°。
3）主偏角的選擇主要從對切削力的大小和方向這兩個方面的影響進行調(diào)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、切削刃的強度，在粗加工時，為了提高刀尖的強度，刃傾角一般取負值，可?。?°～0°；在精加工時，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，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、進給量和切削速度。具體選擇如下所述。
1）切削深度。粗加工時，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，為了減小工件彈性和塑性變形，切削深度取較小值，但不宜過小，否則會使得生產(chǎn)效率降低，精車時切削深度一般取0.1～0.15mm。
2）進給量。由于進給量對切削力的影響較小，因此為了提高切削效率，進給量可取相對較大數(shù)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；精加工時由于零件結(jié)構(gòu)剛性較差，因此通過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，雖然不會使工件產(chǎn)生變形，但在切削過程中，切削振動和徑向切削力仍然能使零件產(chǎn)生微米級變形，只需滿足研磨余量即可。輪體的裝夾如圖3所示。
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圖3 輪體的裝夾
04
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，相對工件加工表面作復(fù)雜的移動和運動來實現(xiàn)的。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，使磨粒能從工件表面上摩擦磨損掉極薄的一層材料，可對加工表面進行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，同時獲得高表面質(zhì)量。由于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(shè)計要求。
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，配制研磨膏進行研磨，研磨分類及適用范圍見表1。針對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。研磨膏成分配比見表2[3]。
表1 研磨分類及適用范圍圖片
表2 研磨膏成分及用途圖片
（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，用于存儲多余的研磨劑。研磨套與芯棒通過1∶20錐面配合，使用螺釘、壓板進行調(diào)節(jié)，便于研磨套磨損后尺寸調(diào)整。研磨套長度為工件被研內(nèi)孔長度的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。
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圖4 輪體研具
4.2 研磨過程
（1）操作方法 內(nèi)孔研磨在手動車床進行，采用機械與手工配合的研磨方法。
1）研磨棒夾持在車床卡盤上，轉(zhuǎn)動卡盤，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）起動車床主軸，帶動研具旋轉(zhuǎn)，雙手把持工件在研磨套外圓做軸向往復(fù)勻速移動，移動距離要盡可能覆蓋研磨套全長。
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，重新套上進行研磨。
5）研磨過程中，根據(jù)孔徑變化，適時調(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，要控制與工件的間隙量，間隙太小容易將孔面拉毛，增大操作強度；間隙過大容易出現(xiàn)橢圓或錐度的情況。
6）研磨時如有過多的研磨劑被擠出，應(yīng)及時擦掉，否則會使孔口擴大，孔面帶錐成喇叭口狀。
7）采用多次調(diào)頭裝夾的方式，通過研磨軌跡的不斷變化，避免同一誤差放大，避免孔面誤差對工件圓柱度的影響。
（2）速度參數(shù) 研磨轉(zhuǎn)速不宜過高，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。通過工件在研具上研磨出的網(wǎng)紋來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，往復(fù)運動速度適當(dāng)。往復(fù)運動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 研磨前，確?？卓跓o毛刺，孔口棱邊圓滑，可避免研磨過程中出現(xiàn)屑渣裹入研磨膏中造成工件內(nèi)孔劃傷現(xiàn)象；研磨套開口單槽和交叉螺旋槽棱角無銳邊，保證槽口均為鈍邊且光滑過渡；工件應(yīng)及時清洗，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行精研加工。
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方法驗證
輪體采用此精密加工方法進行加工驗證。研磨加工過程輪體內(nèi)孔尺寸采用三點內(nèi)徑千分尺測量，圓柱度不測量。研磨加工后輪體內(nèi)孔尺寸采用三坐標(biāo)測量機測量，圓柱度采用圓度儀測量（見圖5）。最終表面粗糙度采用對比塊測量。保證量具和工件表面清潔度，以及在相同溫度環(huán)境下測量。將三點內(nèi)徑千分尺測量值與三坐標(biāo)測量機測量結(jié)果比對，檢測結(jié)果在誤差范圍內(nèi)。輪體內(nèi)孔尺寸及圓柱度測量結(jié)果見表3。
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圖5 圓柱度測量
表3 輪體內(nèi)孔尺寸及圓柱度測量結(jié)果圖片
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結(jié)束語
針對1Cr18Ni9Ti不銹鋼動量輪輪體的內(nèi)孔尺寸高精度加工問題，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)過數(shù)控車床半精加工和手動研磨兩道工序，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。
