1Cr18Ni9Ti不鏽鋼動量輪輪體內孔精密加工方法

編（biān）者按

針對1Cr18Ni9Ti不（bú）鏽鋼動量輪輪體的（de）內孔加工難點，采（cǎi）用常規車削和磨削均無法保證精度要求。通過對不（bú）鏽鋼材料切削特性和輪（lún）體內孔加工工藝進（jìn）行全麵分析，結合現有加工方（fāng）式的優點和不足，創新采用精密車削工藝與手工研磨相結合的方法，突破加工瓶頸，實現了動量輪中（zhōng）心圓柱孔的加工精度要求，為同類型高精度輪係內孔（kǒng）加工提供了參考方法。精密加工（gōng）http://www.dxqiumoji.com/

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（fǎn）作用力矩，來穩定或改變（biàn）衛星（xīng）的姿態。動量輪產品的加工精度直接影（yǐng）響整個航天器（qì）的運行壽命、控製精度和可靠性，而輪體（tǐ）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（yòng）常規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（mì）加工成為動量輪（lún）製造瓶頸。

02

輪體加工特性分析
輪體（tǐ）是動量輪產品（pǐn）的關鍵零件，由1Cr18Ni9Ti奧氏體不鏽鋼經鍛造後（hòu）整體切削成（chéng）形。1Cr18Ni9Ti屬難加工奧（ào）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（wéi）IT2級，公（gōng）差值為（wéi）0～3μm。該孔圓柱度要求＜3μm，表麵（miàn）粗糙度值Ra=0.8μm。

圖1　輪體及內孔
由於輪體材料的切削特性（xìng）對車削加工有（yǒu）很大的影響，因此了解和掌握1Cr18Ni9Ti不鏽鋼的切削性能對車（chē）削加工極其重（chóng）要。該（gāi）材料的相對可（kě）切削性為0.3～0.5，屬於難切削材料，其加工（gōng）特性（xìng）主要（yào）包括以下幾個方麵[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（nán），切削力大，導致刀具磨（mó）損速度快。

（2）塑性和韌性高　由於材料的延伸率為40%，是45鋼（gāng）的250%～280%，所以切屑不易（yì）切離、卷曲（qǔ）和折斷（duàn），切削溫度高（gāo）。

（3）導（dǎo）熱性差　由於切屑切離與折斷困難，所以刀具切削刃麵與工件間產（chǎn）生的摩擦熱增加。由（yóu）於1Cr18Ni9Ti不鏽鋼的導熱率較低（約為45鋼的1/3～1/2），因此（cǐ）材料（liào）的散熱能力差，被切屑帶走的熱量較少。刀具（jù）承（chéng）擔的切削熱量增加，使溫（wēn）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（jiā），切削參數發生變（biàn）化，工（gōng）件的（de）表麵質（zhì）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（rú）下。

方案1：使用高精度車床，精（jīng）車內孔至成品尺寸。此方案實（shí）施過程（chéng）中，分別使用高精度手動車床和數（shù）控車床進行試切，鑒於這兩種（zhǒng）車床本身（shēn）主軸徑（jìng）向圓跳動誤差為（wéi）2～3μm，基本處於零件精度要求極限，同時零件的材料特性使得刀具磨損極快（kuài），對零件的圓（yuán）柱度（dù）產（chǎn）生影響，因而此（cǐ）方法加工出的（de）零件圓（yuán）柱度為3～6μm，表麵粗糙度值Ra=1.6μm，不能滿足零件精度（dù）要求。

方案2：直徑留（liú）0.15～0.2mm餘量半精車內孔，然後（hòu）使用（yòng）精密內圓磨床精磨內孔至成品尺（chǐ）寸。該磨床主軸回轉精（jīng）度為0.5～1μm，能夠滿足零件精度要求。在實際加（jiā）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削，發現（xiàn）圓柱度始終在3μm左右浮動，合格率為50%，雖然表麵粗糙度值達（dá）到Ra=0.2μm，但圓柱（zhù）度超差風險較大，仍然不能滿足零件精度要求。

後（hòu）續通過對鋁合金、鈦合金材料進行試切試（shì）驗，發現使（shǐ）用精密車床車（chē）削後的表（biǎo）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達到1μm。經（jīng）過比對分析得（dé）知，雖然機床精度是加工此類高（gāo）精（jīng）度產品的重（chóng）要因素，但材料的切（qiē）削特性、零件的結構特性也是決定輪體內孔加工質量（liàng）的關（guān）鍵因素。刀具和砂輪磨（mó）損、裝夾（jiá）變形、切削應力變形及加工振動等環（huán）節，使得上述兩種工藝方法都不能嚴格保證（zhèng）高精度內孔的加工質量。

為（wéi）避免機床精度對加工精度的（de）影響，並且能依（yī）靠現（xiàn）有設備實現輪體加工（gōng），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（yòng）研磨工藝（yì）來實現（xiàn）內孔高精（jīng）度（dù）要（yào）求。輪體內孔加工（gōng）工序如（rú）圖2所示。同時，為減輕研磨操作強度和提高（gāo）效率（lǜ），研磨前將孔（kǒng）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。這樣就需對輪體的（de）車削和研磨技術進行深入的研（yán）究。

圖片圖2　輪體內（nèi）孔加工工序
03

輪體（tǐ）精密車削加工方法
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（líng）件裝夾定位等方（fāng）麵確定（dìng）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硬質合金車刀進行加工（gōng），因為輪體材料1Cr18Ni9Ti含有（yǒu）Ti元素，該元素易與刀具材料（liào）中的同元素發生（shēng）親（qīn）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，避（bì）免選用YT類硬質合金刀具材料。精加工選用不含Ti元素（sù）的塗層刀具進（jìn）行切（qiē）削，可選擇Al2O3為基體的塗層（céng）材料，其化學惰性大且和不鏽鋼材料（liào）的親和作（zuò）用小。

（2）刀具幾（jǐ）何角度的選擇　粗加工階段（duàn），由於餘量較多、剛（gāng）性較好，所以此時主要滿足高效（xiào）去除材料的需求；精加（jiā）工階段，工件（jiàn）因薄壁特征，徑（jìng）向剛度（dù）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麵質量（liàng），具（jù）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（qiē）削強度，前角一般取較小值（12°～15°）；精加工（gōng）時（shí）為了使刀具（jù）更加（jiā）鋒利，並有效降低切削力，從而獲得更高的表麵質（zhì）量，前（qián）角一般取較大值（15°～20°）。

2）後角選擇（zé）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（jiǎn）小後刀麵和（hé）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（zhǔ）後角為6°～8°，精加工時（shí）主後角為8°～10°。

3）主偏角的（de）選擇主（zhǔ）要從對切削力的大小和方（fāng）向這兩個方麵的影響進行調整。粗加工時，使（shǐ）用較（jiào）小的主偏角（jiǎo），一般取60°～75°；精（jīng）加工時，為了（le）減小徑向切削力，應選90°～95°的大主偏角。

4）刃傾角主要影響（xiǎng）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，可取－5°～0°；在精加工時（shí），為使切屑排向工件待切削表麵，並最大限度減小徑向（xiàng）切削力，刃（rèn）傾角應取正值，可取0°～3°。

（3）切削用量的選擇　粗、精加工切削（xuē）用量（liàng）的選擇原則為：粗加工主要考慮刀具壽（shòu）命和提高勞動生（shēng）產率，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（xuē）變形，提高表麵（miàn）質量，切削用量應小些。影響切削力大小的切削要素中（zhōng），由（yóu）大至小分別（bié）為切削深度、進給量（liàng）和切削速度（dù）。具體選擇如下（xià）所述。

1）切削深度。粗加工時，切削深度應取較大值，可避免在加工（gōng）硬（yìng）化層內切削，並提高加工效率（lǜ），一般取2～4mm。精加工時，為（wéi）了減小工件彈性和塑性變形，切削深度取較小值，但（dàn）不宜過小，否則會使得生產效率（lǜ）降低，精車時切削深度一般取0.1～0.15mm。

2）進給量。由於（yú）進給量對切削（xuē）力（lì）的影響較（jiào）小，因此為了提高切削效率（lǜ），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（sù）度。切削速度影響工件的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；精加工時由（yóu）於零（líng）件結構剛性較差，因此通過改變（biàn）刀具角度控製切削力，提升精加工表麵質量，切削速度與（yǔ）粗加工一致。

（4）切削液的選用　1Cr18Ni9Ti不鏽鋼材料具有一定的黏（nián）性，切削加工（gōng）性差，切削時易產生積屑瘤，從而破壞已加工表麵（miàn），這就要求選（xuǎn）擇冷卻性、潤滑性和滲透性都好的極壓乳化液。使用l∶50的水配製成的極壓乳化液，在切削加工中能（néng）保證零件的表麵質量並有效降低切削溫度。

（5）安裝定位方法　輪（lún）體徑向剛度（dù）較差，夾緊力（lì）沿軸向分布，雖然不（bú）會使（shǐ）工件產生（shēng）變形，但在切削過程中，切削（xuē）振動和徑向切削力仍然能使零件產生微米級變形，隻需滿足研磨餘量即可（kě）。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（gōng）是利用研具（jù）在施加一定壓力的（de）情況下，相（xiàng）對工件加工表麵作（zuò）複雜的移動和（hé）運動來實現的。研具與工件間的磨粒和（hé）研（yán）磨劑（jì）在相對運動（dòng）中，起物理機械磨削作（zuò）用，使磨粒能從工件表麵上摩擦磨損掉極薄的一層材料，可對加工表（biǎo）麵進行0.01～0.1μm的微量切削（xuē），從而可高精度控製（zhì）工件尺寸和形狀精度（dù），同時（shí）獲（huò）得高表麵質量。由（yóu）於研磨加工（gōng）對機床精度要求不高，因此（cǐ）使用研磨（mó）工藝可（kě）確保輪體內孔尺寸和（hé）形狀精度滿足設計要求。

4.1 研（yán）磨前的準備工作

（1）研磨方式及研（yán）磨劑的選用　為了便於操作，配製研磨（mó）膏進行（háng）研磨，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，粗研粒度選擇（zé）F600，精研（yán）粒度選擇F1000。研磨膏（gāo）成分（fèn）配比見表2[3]。

表（biǎo）1　研磨（mó）分類（lèi）及（jí）適用範圍圖片
表2　研磨膏成分及用途（tú）圖片
（2）研具結構及尺寸　研（yán）具是用於塗敷或嵌入磨料，而且不會嵌入工件表麵（miàn），並使其磨粒發（fā）揮切削作用的工具。研磨（mó）部分的材（cái）料一般比工件軟，常用的研具材料（liào）為（wéi）灰鑄鐵（tiě）、10或20低碳鋼及黃銅等。結（jié）合生產實際，選取黃銅為研（yán）磨套材料，45鋼調質料為芯（xīn）棒材料，製作了可調式內孔研具。研（yán）磨套（tào）采用單槽結構，外圓製作了交叉螺旋槽（cáo），用於存儲多餘的研磨劑。研磨套與芯棒通過1∶20錐麵配合，使用螺釘、壓（yā）板進行調節，便於研磨（mó）套（tào）磨損後尺寸調整。研磨套長度為工件被研內孔長度的2～3倍。研磨工藝是一種誤差平均法，研磨（mó）前內孔圓柱度允許誤差較高（gāo），但一般不應超過研磨後誤差的6～10倍（bèi），故研磨前（qián）內孔圓柱度應控製在0.01mm左右。研磨套外圓與工件內孔保（bǎo）持0.01～0.02mm間隙。輪體研具（jù）如圖4所示。

圖片

圖4　輪體研具

4.2 研磨過程

（1）操作方法　內孔研磨在手動車床進行，采用機械與手工配（pèi）合的研磨方法。

1）研磨棒夾持在車床卡盤上，轉動卡盤，將研磨膏均（jun1）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（dòng）車床主軸，帶動研具旋轉，雙手把持（chí）工件在研磨套外圓做軸向往複勻速移動，移動距離（lí）要盡可能（néng）覆蓋研磨套全長。

4）研磨（mó）5～8min後，將（jiāng）工件取下，擦掉研具和工件表麵的研磨劑，然後塗敷新的研磨劑，重新（xīn）套上進（jìn）行研（yán）磨。

5）研磨過程中（zhōng），根據孔徑（jìng）變化，適時調大研磨套直（zhí）徑，以適應工（gōng）件所要（yào）求的尺（chǐ）寸和精度。調節研磨套時，要控製與工件（jiàn）的間隙量，間隙太（tài）小容易將孔麵拉毛，增大操作強度；間隙（xì）過（guò）大容易出現橢（tuǒ）圓或錐度（dù）的情況。

6）研磨時如有過多的研磨（mó）劑被擠出（chū），應及時擦掉，否則會使孔口擴大（dà），孔麵（miàn）帶（dài）錐成喇（lǎ）叭口狀。

7）采用多（duō）次調頭裝夾的方式，通過研磨軌（guǐ）跡的不斷變化（huà），避免（miǎn）同一誤差放大，避免孔麵誤差對工件圓柱度的（de）影響。

（2）速度參（cān）數　研磨轉速不宜過高，一（yī）般為30～100r/min。粗（cū）研采（cǎi）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（de）網紋來判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，往複運動速度適當。往（wǎng）複運動（dòng）的速度不（bú）論太快還是太（tài）慢，都影響工件的精度和耐磨性。

（3）注意事項（xiàng）　研磨（mó）前，確保孔口無毛刺，孔口棱邊圓滑，可避免研磨過程中（zhōng）出現屑渣裹（guǒ）入研磨膏中造成工（gōng）件（jiàn）內孔劃傷（shāng）現象；研磨套開口單槽（cáo）和交叉螺旋槽棱角無銳邊，保證槽口均為鈍邊（biān）且光滑過渡；工件應及時清（qīng）洗，確保每次（cì）在（zài）工件（jiàn）與研具清理幹淨後再塗敷新的研（yán）磨劑；精研前，工件放置（zhì）30min以上，使零件熱量充分釋放後再進行精研加工。

05

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

圖片（piàn）

圖5　圓柱度測量

表3　輪體內孔尺寸及（jí）圓柱度測量（liàng）結果圖片
06

結（jié）束語
針（zhēn）對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼動量輪輪體的內孔尺寸高精度加工（gōng）問題，提出采用精密車削工藝與手工研磨相結合的方法。此方法經過數控車床半精加工和（hé）手動研磨兩道工序，保證（zhèng）了輪體內孔尺寸（cùn）φ50mm滿足公差＜3μm，圓（yuán）柱度（dù）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，為其他航天器輪係零件的（de）內孔精密加工提供了參考。