1Cr18Ni9Ti不鏽鋼動量輪輪體內孔精密加工方（fāng）法

編者按

針對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼動量輪輪體的內孔加工難點，采用常規車削和磨削均無法保證精（jīng）度要求。通過對不鏽鋼（gāng）材料切削特（tè）性和輪體內孔加工工藝（yì）進行全麵分析，結合現有加工方式的優（yōu）點和不足，創新采用精密車削工藝與手工研磨相結合的方法，突破加工瓶（píng）頸，實現了動量輪中心圓柱孔（kǒng）的加工精度要求，為同類型高精度輪係內孔加工提供了參考方法。精密（mì）加工http://www.dlzxxx.cn/

01

序言
動量輪（lún）利用陀螺定軸性和轉速變化而產生的反作用（yòng）力矩，來穩定或改變（biàn）衛星的姿態。動量輪產品的加工精度直接影響整（zhěng）個航天器的運行壽命（mìng）、控製精度和可靠性，而輪（lún）體內孔（kǒng）的加工質量則決定了動量輪的整（zhěng）體裝配（pèi）精度。該部位的形狀（zhuàng）及尺寸精度要求（qiú）極為嚴格，在實際生產中，由於（yú）內孔采用常規（guī）車削和磨削無法保證尺寸和形狀公差，因此輪體內孔精（jīng）密加（jiā）工（gōng）成為動量輪製（zhì）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（yóu）1Cr18Ni9Ti奧氏體不鏽鋼經（jīng）鍛造後整體切削成形。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（chǐ）寸為φ50mm，尺寸公差等級為IT2級（jí），公差值為0～3μm。該孔（kǒng）圓柱度要求＜3μm，表麵（miàn）粗糙度值Ra=0.8μm。

圖1　輪體及內孔
由於輪體材料的切（qiē）削（xuē）特性對車削（xuē）加工有很大的影響，因此（cǐ）了解和掌握1Cr18Ni9Ti不鏽鋼的（de）切削（xuē）性能對車削（xuē）加工極其重要。該（gāi）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（yào）包括以下幾個方麵[1]。

（1）刀具磨損（sǔn）快　材料的高溫（wēn）強度及高溫硬度較高，切（qiē）削過程中切屑（xiè）切除（chú）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（de）延伸率為40%，是45鋼的250%～280%，所（suǒ）以切屑不易切離、卷曲和（hé）折（shé）斷，切削溫度高。

（3）導熱（rè）性差　由於切屑切離與折斷困難，所以刀具切削刃麵與工件間產生的摩擦熱增加。由於1Cr18Ni9Ti不鏽鋼的導熱率較低（dī）（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（rè）量較少。刀具承（chéng）擔的切（qiē）削熱量增加，使溫度提升，刀具磨損（sǔn）加劇。

（4）加工（gōng）硬化（huà）嚴重　隨著刀具的急（jí）速（sù）磨損，使得切削力增加，切削參數發生變化，工件（jiàn）的表麵質量變差。

依照常（cháng）規加工工（gōng）藝，先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控車床進行試切，鑒於這兩種車床本身主軸（zhóu）徑向圓跳動誤差為2～3μm，基本處於零件精（jīng）度要求極限，同時零件的材料特性（xìng）使得刀具磨損極快，對零件（jiàn）的圓柱度產生影（yǐng）響，因而此方法加（jiā）工出的零件圓柱度為3～6μm，表麵粗糙度（dù）值Ra=1.6μm，不能滿（mǎn）足零件精度要求。

方案（àn）2：直徑留0.15～0.2mm餘量半精車內孔（kǒng），然後使用精密內圓磨床精磨內（nèi）孔至成品尺寸。該磨床（chuáng）主軸回轉精度為0.5～1μm，能（néng）夠滿足零件精度要求（qiú）。在實際加工中，分別使（shǐ）用單晶剛玉和立方氮化硼砂輪對內圓進行磨（mó）削，發現（xiàn）圓柱度始終在（zài）3μm左右浮動，合格（gé）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，仍然不能滿足零件精度（dù）要（yào）求。

後（hòu）續通過對鋁合金、鈦合金材料進行試切試（shì）驗，發現使用精密（mì）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（kǒng）圓柱度可達到（dào）1μm。經過比（bǐ）對分析得知，雖然機床精度是加（jiā）工此類高精度產品的重要因素，但材（cái）料（liào）的切削特性、零件的結構特性也是（shì）決定輪體（tǐ）內孔加工質量的關（guān）鍵因素。刀具和砂輪（lún）磨損、裝夾變形、切削應力變形及（jí）加工振動等環節，使（shǐ）得上述兩種工藝方法都不能嚴格保證高精度內孔的加工質（zhì）量。

為避（bì）免機床精度對加工精度的影響，並且能依靠現有（yǒu）設備（bèi）實現輪體加工，同時嚴格保證內（nèi）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。輪體內孔加工工序如圖（tú）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，表麵粗糙度值Ra＜1.6μm。這樣（yàng）就需對輪體的車削（xuē）和研磨技術進行深入的研究。

圖片圖2　輪體內孔加工工序
03

輪體精密車削加工方法（fǎ）
針對材料的切削特性，從刀具（jù）及切削參數選用、切削液應用和零件裝夾定位等方麵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（yòng）YG8硬質合金車刀進行加工，因為（wéi）輪體材料（liào）1Cr18Ni9Ti含有Ti元素，該（gāi）元素易與刀具材料中的同元素發生親和作用，在切削時含（hán）Ti的刀片磨損極快，所以在加工本材（cái）料時，避免選用YT類硬質合金刀具材料。精加工選用不含Ti元素的塗層刀具進行切削（xuē），可選擇Al2O3為基體的塗層材（cái）料，其（qí）化學惰性大且和不鏽鋼材料的親和作用小。

（2）刀具幾何角度的選擇　粗加工階段，由於餘量較多、剛性較好，所以此時主要滿足高效去除材（cái）料的（de）需求；精加工（gōng）階段，工件因薄壁（bì）特征，徑（jìng）向剛度較差，故刀具（jù）的幾何角度主要（yào）應考慮減少切（qiē）削力和提高表麵質量，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（xiǎo）值（12°～15°）；精加工（gōng）時為了使刀具更加（jiā）鋒利（lì），並有效降低切削力，從而獲（huò）得更高的表麵質量，前角一般取較大值（zhí）（15°～20°）。

2）後角選擇方法和前角類似，粗加工時（shí）主要是為了提（tí）高材料去（qù）除效（xiào）率，精加工時是為了減小後刀（dāo）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（hòu）角為6°～8°，精加（jiā）工時主後角為8°～10°。

3）主偏角的選擇主要從（cóng）對切削力的大小和方向這兩個方麵的影（yǐng）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（jiǎn）小徑向切削力，應選90°～95°的大主（zhǔ）偏（piān）角。

4）刃傾角主要（yào）影響切削力的方向和刀尖（jiān）、切削刃的強度，在粗加工時（shí），為了（le）提高刀尖的強度，刃傾角一般取負（fù）值，可（kě）取－5°～0°；在精加工時，為使切屑排向工件（jiàn）待切削表麵，並最大限度減小徑向切削力，刃傾角（jiǎo）應取正值，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率（lǜ），切削用量數值應（yīng）大些；精加工主要考慮切削力和工件（jiàn）的弱剛性特點，減小切削（xuē）變形，提高表麵質量，切削用量應小些。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（shù）。

1）切削深度。粗加工時，切削深度應取較大值，可避免在加工硬化層內切（qiē）削，並提高加工效率，一般取2～4mm。精（jīng）加工時，為了減小（xiǎo）工件彈性（xìng）和塑性變形，切削深度取較小值，但不宜過小，否（fǒu）則（zé）會使得生（shēng）產效率降低（dī），精車時切削深度一般取0.1～0.15mm。

2）進給量。由於進給量對切削力的影響較小，因此為了提高（gāo）切削效率，進（jìn）給量可取相（xiàng）對較大數值，一般在粗加工時取0.15～0.2mm/r，精（jīng）加工時取0.03～0.06mm/r。

3）切削速度（dù）。切削速度影響工件的（de）表麵質量和刀具壽命。粗加工切削速度不宜選擇太高，一般取30～40m/min；精加（jiā）工時由於零件結構剛性較差，因此通過改變刀具角度控製（zhì）切削力，提升精加工表麵質量，切削速度與粗加工一致。

（4）切削液的選用　1Cr18Ni9Ti不鏽鋼材料具有一定的黏性，切削加工性（xìng）差，切削時易產（chǎn）生積屑瘤，從而破壞已（yǐ）加工表麵，這就要求（qiú）選擇冷卻性、潤滑性和滲透性都好的極壓（yā）乳（rǔ）化（huà）液。使用l∶50的水配製成的極壓乳化液（yè），在（zài）切削加工中能保證零件（jiàn）的表麵質量並有效降低切削溫度。

（5）安裝定位（wèi）方法（fǎ）　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形，但（dàn）在切削過程（chéng）中，切削振動和徑向切削力仍然能使零件產生微米級變形，隻需（xū）滿（mǎn）足研磨餘量即可。輪體的裝夾如圖3所示。

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圖3　輪體的裝夾（jiá）

04

內孔精密研磨方法
研磨加工是利（lì）用研具在施加一定壓力的情況下，相對工件加（jiā）工表麵作複雜的移動和運（yùn）動（dòng）來實現（xiàn）的（de）。研具與工件間的磨粒和研磨劑在相對（duì）運動中，起物（wù）理機械磨削作用，使磨粒能從工件表（biǎo）麵上摩擦磨損掉極薄的一層材料，可對加（jiā）工表（biǎo）麵進行0.01～0.1μm的微（wēi）量切削（xuē），從而可高精度控製工件（jiàn）尺寸和形狀精度（dù），同（tóng）時獲得（dé）高表麵質量。由於研磨加工對機床精度要求（qiú）不高，因此使用研磨工藝可（kě）確保輪體內（nèi）孔尺寸（cùn）和形狀精度滿足設計要求。

4.1 研磨（mó）前的準備工作

（1）研（yán）磨方式及研磨劑（jì）的選用（yòng）　為了便於操（cāo）作，配製研磨膏進行（háng）研（yán）磨，研磨分類及適用範圍見表1。針對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼材料，采用SA單晶剛玉研磨粉，粗（cū）研粒度選擇F600，精研粒度選擇F1000。研磨（mó）膏成分配比見表2[3]。

表1　研磨分類（lèi）及適用範圍圖（tú）片（piàn）
表2　研磨膏成（chéng）分及用途圖片
（2）研具結（jié）構及尺寸　研具是用於（yú）塗敷或嵌入磨料，而且不會嵌入工（gōng）件表麵，並使（shǐ）其磨粒發揮切削作用的工（gōng）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（jí）黃銅等。結合生產實際，選取黃銅為研磨套（tào）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，外圓製作了交叉螺（luó）旋（xuán）槽，用於（yú）存儲多餘的研磨劑。研磨套與芯棒通過1∶20錐麵配合，使用螺釘、壓板進行調節，便於研磨套磨損後尺寸調整。研磨套長（zhǎng）度為（wéi）工（gōng）件被研內孔長度的2～3倍（bèi）。研磨工藝是一種誤差平均法（fǎ），研磨前內孔圓柱度（dù）允許誤差較高，但一般不應超（chāo）過研磨後誤差的6～10倍，故研磨前內孔圓柱度應控製在0.01mm左右。研磨套外圓與工件（jiàn）內孔保持（chí）0.01～0.02mm間隙。輪體研具如圖4所示（shì）。

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圖4　輪體研具

4.2 研磨過程

（1）操作方法　內孔（kǒng）研磨在手動車床進行，采用（yòng）機械與手工（gōng）配合的研磨方法。

1）研磨棒夾（jiá）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（nèi）孔慢慢旋入研磨套外圓（yuán）。

3）起動車床主（zhǔ）軸，帶動研具（jù）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（jiāng）工（gōng）件取下，擦掉研具和工件表麵的研磨劑，然後塗敷（fū）新的研（yán）磨劑，重新套上進（jìn）行研磨。

5）研磨過程中，根據孔徑變化，適時調大研磨套直徑，以適應工件所（suǒ）要求的尺寸和（hé）精度。調節研磨套時，要控（kòng）製與工件的間隙量，間隙太小容（róng）易將孔麵拉毛，增大（dà）操作強度；間隙過大容易出現橢圓或錐度的情況。

6）研磨時如有過多（duō）的研磨（mó）劑被擠（jǐ）出，應及時擦掉，否（fǒu）則會使孔口（kǒu）擴大，孔麵帶錐成喇叭口狀。

7）采用多次（cì）調頭裝夾的方式，通過研磨（mó）軌（guǐ）跡的不斷變化，避免同一誤差放大，避免孔麵誤差對工件圓柱度的影響。

（2）速度參數　研磨轉速不宜過（guò）高，一般為30～100r/min。粗研（yán）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（yán）磨（mó）出的網紋來判斷研磨速度是否合適。當研具上研磨出的網紋（wén）呈45°交叉線時，往複運動速度適當。往（wǎng）複運動的速（sù）度不論太快還是太慢，都影（yǐng）響工（gōng）件的精度和耐磨性。

（3）注意事項　研（yán）磨前（qián），確保孔口無（wú）毛刺，孔口棱邊圓（yuán）滑，可（kě）避免研磨過程中出現屑渣裹入研磨膏中造成工件內孔劃傷現象；研磨套開口單（dān）槽和交叉螺旋槽棱角無銳邊，保證槽口均為鈍邊且光（guāng）滑過渡；工件應（yīng）及時清洗，確保每次在工件與研具清理（lǐ）幹淨後再塗敷新的研磨劑；精研前，工件放置30min以上，使零件（jiàn）熱量充分釋放後再（zài）進行精研加（jiā）工（gōng）。

05

方（fāng）法驗（yàn）證
輪體采用此精密加（jiā）工方法進行加工驗證。研磨加工過程輪體內孔尺寸采用（yòng）三點內徑千分尺測量，圓柱（zhù）度不測量。研磨加工後輪體內孔尺寸采用三坐標測量機測量，圓柱度采用圓度儀測量（見圖5）。最終表麵粗糙（cāo）度采用對比塊測量。保證量具和工件表麵清潔度，以及在相同溫度環境下測量。將三點內徑千分尺測量值與三坐（zuò）標測量機測量結果比對，檢測結果在誤差範圍（wéi）內。輪體內孔尺寸（cùn）及圓柱度測量結果見表3。

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圖5　圓柱度測量（liàng）

表3　輪體內孔尺寸及圓柱度測量結果圖片
06

結（jié）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，提出采用精密車削工藝與手（shǒu）工研磨相結合的方法（fǎ）。此方（fāng）法經過數控車床半精加工和手動研磨兩道工序，保證了輪體內孔尺寸φ50mm滿足公差＜3μm，圓柱度（dù）達到1μm，內孔表麵粗糙度值Ra＜0.2μm。加工精度完全（quán）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（tā）航天器輪係零件的內孔精密加工提供了參考。