1Cr18Ni9Ti不鏽鋼動量輪輪體內孔精密加工方法

編者（zhě）按

針對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼動（dòng）量（liàng）輪輪體的內孔加工難點，采用常規車削和磨削均無法保證（zhèng）精度要求。通過對不鏽鋼材料切削特性（xìng）和輪體內孔加工工藝進行（háng）全麵分析，結合現有加工方式的優點和不足（zú），創新采（cǎi）用精密車削工藝與手（shǒu）工研磨相結（jié）合的方（fāng）法，突破加工瓶頸，實（shí）現了動量輪中心圓柱孔的加工精度要求，為同類型高（gāo）精度輪係內孔加工（gōng）提供了參考方法。精密加工http://www.xjssy.cn/

01

序言
動量輪利用陀（tuó）螺定軸性和轉速變化而產生（shēng）的反作用（yòng）力矩，來穩定或改變衛星的（de）姿態。動量輪（lún）產品的加工精度直接影響整個航天器的運行壽（shòu）命、控（kòng）製精度和可靠性，而輪體內孔的加工質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，在實際生產中，由於內孔采用常規車削和（hé）磨削（xuē）無（wú）法保證尺（chǐ）寸和形狀公差（chà），因（yīn）此輪體內孔精密加工成為動（dòng）量（liàng）輪製造瓶頸（jǐng）。

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整體切削成形。1Cr18Ni9Ti屬難加工奧氏體不鏽鋼。輪體及（jí）內孔（kǒng）如圖1所（suǒ）示。動量輪（lún）中心圓柱孔（kǒng）尺寸為φ50mm，尺寸公差等級為IT2級，公差值為（wéi）0～3μm。該孔圓（yuán）柱度要求＜3μm，表麵粗糙度（dù）值Ra=0.8μm。

圖（tú）1　輪體（tǐ）及內孔
由於輪體（tǐ）材料的切削特（tè）性對車削加工有很（hěn）大的影（yǐng）響，因此了解和掌握（wò）1Cr18Ni9Ti不鏽鋼的（de）切削性能對車（chē）削加工極其重（chóng）要。該材料的相對可切削性為0.3～0.5，屬於難切削材料，其加工特性主要包括以下幾（jǐ）個方麵[1]。

（1）刀（dāo）具磨損（sǔn）快　材料的高溫強度及（jí）高（gāo）溫硬度較高，切削過程中切屑切除困難，切削力大，導致刀具磨損速度快。

（2）塑性和韌性高　由於材料的延伸（shēn）率為40%，是45鋼的250%～280%，所以（yǐ）切屑不易切離、卷曲和折斷，切削（xuē）溫度高。

（3）導熱性差　由（yóu）於切屑切離與折斷困難，所以刀具（jù）切削刃麵與工件間產生的摩擦熱增（zēng）加。由於1Cr18Ni9Ti不鏽鋼的導熱率較低（約為45鋼的1/3～1/2），因此材料的散熱能力（lì）差，被切屑帶走的熱（rè）量較少。刀具（jù）承擔的切（qiē）削（xuē）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（zēng）加，切削參數發生變化，工件的表麵質量變差。

依照常規加（jiā）工工藝，先（xiān）後選用兩種方法對試驗件內孔進行試切加工。加工方案如下。

方案1：使用高精（jīng）度車床，精車內（nèi）孔至成品尺寸（cùn）。此方案實施過程中，分別使用（yòng）高精度手動車床和數控車床（chuáng）進行試切，鑒於這兩種車床本身主（zhǔ）軸徑向圓跳（tiào）動誤差為2～3μm，基本處於零件精度（dù）要求極限，同時零件的材料特性使得刀具（jù）磨損極快（kuài），對零件的圓柱度產生影響，因而此方法加工（gōng）出的（de）零件圓柱度為3～6μm，表麵粗糙度值Ra=1.6μm，不能（néng）滿足零件精度要求（qiú）。

方案2：直徑留0.15～0.2mm餘量半（bàn）精車內孔，然（rán）後（hòu）使用精密內圓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（yào）求（qiú）。在實際加工中，分別使用單晶剛（gāng）玉和立方氮化硼砂（shā）輪（lún）對內圓進行磨削，發現圓柱度始終在3μm左（zuǒ）右浮動，合格率為50%，雖然表麵粗糙度（dù）值達到Ra=0.2μm，但圓柱度超差風險較大，仍然不能滿（mǎn）足零件精度要求。

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（dá）到2～3μm，而使用高（gāo）精度內圓磨床加工出的內孔圓柱度可達到1μm。經過比對分析（xī）得知，雖然機床精度是加工此類高精度產品的重要因素，但材料的切削特性、零件的結構特性也是決定輪體內孔（kǒng）加工質量的關鍵因素。刀（dāo）具和砂輪磨損、裝夾（jiá）變（biàn）形、切削應力（lì）變形及（jí）加工振動等（děng）環節，使得上述兩種工藝方法都不能嚴格保證高精度（dù）內孔的加工質量。

為避免機床精度對加工精度的影響，並且能依靠（kào）現有設備實現輪體加工，同時（shí）嚴格（gé）保證內孔尺寸和形狀精度要求，經（jīng）過多次工藝摸索驗證，確定使（shǐ）用研磨工藝來實現內孔高精度要求。輪體內孔加工工序如圖2所示。同時（shí），為減輕研磨操作強（qiáng）度和提（tí）高效率（lǜ），研磨（mó）前將孔餘量精準控製在0.01～0.02mm，圓柱度優於8μm，表麵（miàn）粗糙度值Ra＜1.6μm。這樣就需（xū）對輪體的車削和研磨技術進行（háng）深入的（de）研究。

圖片圖2　輪體內孔加工工（gōng）序（xù）
03

輪（lún）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、切削液應用和零件裝（zhuāng）夾定位等方麵確定了零件具體的車削加工措施（shī）和方法[2]。

（1）刀具材料的選用　粗加工時選用YG8硬（yìng）質合金車刀進行加工，因為輪（lún）體材（cái）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（zài）切削時含（hán）Ti的刀片磨損（sǔn）極（jí）快，所以在加（jiā）工本材料時，避免選用YT類（lèi）硬質合金刀具材料。精加工選（xuǎn）用不含Ti元素的塗層刀具進行切削，可選擇Al2O3為基體的塗層材料，其（qí）化學（xué）惰性（xìng）大且和不鏽鋼材料的親和作用小。

（2）刀（dāo）具幾何（hé）角度的（de）選擇（zé）　粗加工階段（duàn），由於餘量較多、剛性較好（hǎo），所以此時主要滿足高效去除材（cái）料的需求；精（jīng）加工階段，工件因薄壁特征（zhēng），徑向剛（gāng）度較差，故刀具的幾（jǐ）何角度主要應（yīng）考慮減少切削力和提（tí）高表麵（miàn）質量，具體選擇（zé）如（rú）下所述。

1）刀具（jù）在粗加（jiā）工時（shí），為使車刀具有（yǒu）良好的切削強度，前角一（yī）般取較小值（12°～15°）；精加工時為（wéi）了使刀具更加鋒利，並有效（xiào）降低切（qiē）削力，從而獲得更高的表麵質量，前角一般取較大值（15°～20°）。

2）後角（jiǎo）選（xuǎn）擇方法和前（qián）角類似，粗（cū）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刀麵和材料被切削麵之間的接觸麵，以及降低刀具磨損等。粗加工時刀具主後角為6°～8°，精加工時主後角為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麵的（de）影響進行調整。粗加工時，使用較小的主偏角，一般取（qǔ）60°～75°；精加工時，為了減小徑向切削力，應選90°～95°的大主偏角。

4）刃傾角主要影響切削力的方向和刀尖、切削刃的強度（dù），在粗加工時，為了提高刀尖的強度，刃傾角一般取負值（zhí），可取－5°～0°；在精加工時，為（wéi）使切屑排向工件待切削表麵，並最大限度（dù）減（jiǎn）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（de）選（xuǎn）擇原則為：粗加工主要考慮刀（dāo）具壽命和提高勞（láo）動生產率，切削用量數（shù）值應大些；精加工主要考慮切削力和工件（jiàn）的弱（ruò）剛性特點，減小切削變形，提高表麵質量（liàng），切削用量應小些。影響切（qiē）削力大小的切削要素中，由大至（zhì）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（dù）。粗加工時，切削深度（dù）應取（qǔ）較大值，可避免在加工（gōng）硬化（huà）層內切削（xuē），並提高加工效率，一般取2～4mm。精加工時，為了減小工件（jiàn）彈（dàn）性和塑性變形，切削（xuē）深度（dù）取較小值，但不宜過（guò）小，否則會使得生產效率降低，精車時切（qiē）削深度一般取0.1～0.15mm。

2）進給量。由於進給量對切削（xuē）力的影（yǐng）響較小，因此為了提（tí）高（gāo）切削效率，進給量可取相對較（jiào）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（xuē）速度影響工件的表麵質量和（hé）刀具壽命（mìng）。粗加工切削速度不宜選擇太高，一般取30～40m/min；精加工（gōng）時由於零件結構剛性較差，因此（cǐ）通過改變刀具角度控製切削力，提升精加工（gōng）表麵質（zhì）量，切削速度與粗加工一（yī）致（zhì）。

（4）切削液的選用　1Cr18Ni9Ti不鏽鋼（gāng）材料具有一定的（de）黏性，切削（xuē）加工性差，切削時易產生積（jī）屑瘤，從而破壞（huài）已加工表麵，這就要求選擇冷卻（què）性、潤滑性和滲透性都好的極壓乳（rǔ）化液。使用l∶50的水配製成的極壓乳化液，在（zài）切削加工中（zhōng）能保證零（líng）件的（de）表麵質量並有效降低切（qiē）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生微米級（jí）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（gōng）表麵作複雜的移（yí）動（dòng）和運動來實現的。研具與工件間的磨粒和研磨（mó）劑在相對運動中（zhōng），起物理機械磨削作（zuò）用（yòng），使磨粒能從工件表麵上摩擦磨損掉極薄的一層材（cái）料，可對加工表麵進行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度，同時（shí）獲得高表麵質量。由於研（yán）磨加工（gōng）對機床精（jīng）度（dù）要求不高，因此使用研磨工藝可確保輪體內（nèi）孔尺（chǐ）寸（cùn）和形狀精度滿（mǎn）足設計要求。

4.1 研磨前的準備（bèi）工作

（1）研磨方（fāng）式及研磨劑的（de）選用　為了便於操作，配（pèi）製研磨膏進行研磨，研磨分類及適用範圍見表1。針對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼材（cái）料，采用SA單晶剛玉研磨粉（fěn），粗研粒度選擇F600，精研粒（lì）度選擇F1000。研磨膏成分配比見表（biǎo）2[3]。

表1　研磨分類及適用範圍圖片
表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入磨料，而且不會嵌入工件表麵，並使其磨粒發（fā）揮（huī）切削作（zuò）用的（de）工具（jù）。研磨部分的材料一般比工件軟，常用的研具材（cái）料為灰（huī）鑄（zhù）鐵、10或20低碳鋼及黃銅等。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，製作了可調式內孔研具。研磨套采用單槽結構，外圓製作了（le）交叉螺旋槽，用於（yú）存儲多（duō）餘的研磨劑（jì）。研磨套與芯棒通過1∶20錐麵配合，使用螺釘、壓板進行調節，便（biàn）於研磨套磨損後尺寸調整。研磨（mó）套長度為工件被研內孔長度（dù）的2～3倍。研磨工藝是一種誤差平均（jun1）法，研磨（mó）前內孔圓（yuán）柱度允許誤差較高，但一（yī）般不應超過研磨（mó）後誤（wù）差的6～10倍，故（gù）研磨前內孔（kǒng）圓柱度應控製在（zài）0.01mm左（zuǒ）右。研磨套外圓與工件內孔保持0.01～0.02mm間隙。輪體研具如圖4所示（shì）。

圖片

圖4　輪體研具

4.2 研磨（mó）過程

（1）操作方（fāng）法　內孔研磨在手（shǒu）動車床進行，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（wài）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）起動車床主軸，帶（dài）動研具（jù）旋轉，雙（shuāng）手把持工件在研磨套外圓做軸向往複勻速移動（dòng），移動距離要盡（jìn）可能覆蓋研磨（mó）套全長。

4）研磨（mó）5～8min後，將工（gōng）件取下，擦掉研具和工件表麵的研磨劑，然後塗敷（fū）新（xīn）的研磨（mó）劑，重新套上進行研磨。

5）研磨過程中，根（gēn）據孔徑變化，適時調大研磨套直徑，以適應工（gōng）件所要求的尺寸和精度。調節研磨套時，要控製與（yǔ）工件的間隙量，間隙（xì）太小容易將孔麵拉毛，增大操作強度（dù）；間（jiān）隙過大容易出現橢圓或（huò）錐度的情況。

6）研磨時如有過多的研磨（mó）劑被擠出，應及時擦掉，否則會使孔口擴大，孔麵帶錐成喇叭口狀。

7）采用多（duō）次調（diào）頭裝夾的方式，通（tōng）過研磨軌跡的不（bú）斷變化（huà），避免（miǎn）同一誤差放大，避免孔麵誤差對工件圓柱（zhù）度的影響。

（2）速度（dù）參數　研磨轉速不宜過（guò）高，一般為30～100r/min。粗研采用80～100r/min，半精研采（cǎi）用40～80r/min，精（jīng）研則采用30r/min。通過工件在研具上研磨（mó）出（chū）的網紋來判斷研磨速度是否合適。當研（yán）具上研磨出的（de）網（wǎng）紋呈（chéng）45°交叉線時，往複運動速度適當（dāng）。往複運動的速度不（bú）論太快還是太慢，都影響工件的精度和耐磨性。

（3）注意（yì）事項　研磨前，確保孔（kǒng）口（kǒu）無毛刺，孔口棱邊圓滑（huá），可避免研磨過程中出（chū）現屑渣裹入（rù）研磨膏中造成工件內孔劃傷現象；研磨套開口單槽和交叉螺旋槽棱角無銳（ruì）邊，保證槽口均為鈍邊且光滑過渡；工件應及時清洗，確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（rè）量（liàng）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（diǎn）內徑千分尺測量，圓柱度不測量。研磨加工後輪體內孔尺寸采用（yòng）三坐標測量機測量（liàng），圓（yuán）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（zhèng）量具和工件表麵清潔（jié）度，以及（jí）在相同溫度（dù）環境下測（cè）量。將三（sān）點內徑千分尺測量值與三坐標測量機測量結（jié）果比對，檢測結果（guǒ）在誤差範圍內。輪體內孔尺寸（cùn）及圓柱度測量結果見表（biǎo）3。

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圖5　圓柱度測量

表3　輪體內孔尺寸及圓柱度測量結果圖片
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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（mì）車削工藝與手（shǒu）工研磨相結合的（de）方法（fǎ）。此方法經過數控車床半精加工和手動研磨兩道工序，保證了輪（lún）體內孔尺寸（cùn）φ50mm滿足公差＜3μm，圓柱度達到（dào）1μm，內孔表麵粗糙度值Ra＜0.2μm。加工精度完全符合設計要求。此方法製造成本低，效率高，質量穩定可靠，為（wéi）其他航天器輪係零件（jiàn）的內孔（kǒng）精密（mì）加工提供了參考。