1Cr18Ni9Ti不鏽（xiù）鋼動（dòng）量輪輪（lún）體內孔精密（mì）加工方法

編者按

針對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼動量輪輪體的內（nèi）孔加工難（nán）點，采用常規車削和磨削均無法保證精度要求。通過對不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，結合現有加工方式的優點和不（bú）足，創新采用精密車削工藝（yì）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（zhōng）心（xīn）圓柱孔的加工精度要求，為同類型高精度輪係內孔加工提供了參考方法。精密加工http://www.dxqiumoji.com/

01

序言
動量輪利用陀螺定軸性（xìng）和轉速變化而產（chǎn）生的反作用力矩，來穩定或改變衛星的姿態。動量（liàng）輪產品的加（jiā）工精（jīng）度直接影響整個航天器的運行壽命、控製精度和可靠性，而輪體內孔的加工質量則決定了動量（liàng）輪的整體裝配精度。該部（bù）位的形狀及（jí）尺寸精度要求極為（wéi）嚴格，在實（shí）際生產中（zhōng），由於內孔采用常（cháng）規車削和磨削無法保證尺寸和形狀公（gōng）差，因此輪體內孔精密加工成為動量輪製造瓶頸。

02

輪體加工特性分析
輪體是動量輪產品的關鍵（jiàn）零件，由1Cr18Ni9Ti奧氏體（tǐ）不鏽鋼經鍛造後整體切削成形。1Cr18Ni9Ti屬（shǔ）難加工奧氏體不鏽（xiù）鋼（gāng）。輪（lún）體及內孔如圖1所示。動量輪中心（xīn）圓柱孔尺寸為φ50mm，尺寸公差等級（jí）為IT2級，公差值為0～3μm。該孔圓（yuán）柱（zhù）度要求（qiú）＜3μm，表麵粗糙度值Ra=0.8μm。

圖1　輪（lún）體及內孔
由於輪體材料的切削特性（xìng）對車削加工有很大的影響，因此了解和掌（zhǎng）握1Cr18Ni9Ti不鏽鋼的切削性能（néng）對車削加工極（jí）其重（chóng）要。該材（cái）料的相對可切削性（xìng）為0.3～0.5，屬於難切削材料，其加工特性主要包括以下幾個方麵[1]。

（1）刀具磨損快　材料的高（gāo）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（dāo）具磨（mó）損速度快。

（2）塑性（xìng）和韌性高　由於材料的延伸率為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生的摩（mó）擦（cā）熱增加。由於1Cr18Ni9Ti不鏽鋼的導熱率較低（約為45鋼的1/3～1/2），因（yīn）此材料（liào）的散熱能力差，被切屑帶走的熱量較少（shǎo）。刀具（jù）承（chéng）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（dé）切削力增加，切削參數發生變化，工件的表麵質量變差。

依照常規加工工藝（yì），先後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（yòng）高精度車床，精車（chē）內孔至成品尺寸。此方案實施過程中（zhōng），分別使用高精度手（shǒu）動車床和數控（kòng）車床進行試切，鑒於這兩種車床本身主軸徑向圓跳動誤（wù）差為2～3μm，基本處於（yú）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，對零件的圓柱度產生（shēng）影響，因（yīn）而（ér）此方法（fǎ）加工出的（de）零件圓柱度為3～6μm，表麵粗糙（cāo）度值Ra=1.6μm，不（bú）能滿足零（líng）件精度要求。

方案2：直徑留（liú）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孔至成品尺寸。該（gāi）磨（mó）床主軸回轉精度（dù）為0.5～1μm，能夠滿足零件（jiàn）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圓進行磨削，發現圓柱度始終在3μm左右浮動，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（dà），仍然不能滿足零件精度要求。

後續通過對鋁合金、鈦（tài）合金材料（liào）進行試（shì）切試驗，發現（xiàn）使用精密車床車削後的表麵圓（yuán）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（dá）到1μm。經（jīng）過比對分析得知，雖（suī）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（de）結構特性（xìng）也是決（jué）定輪體內孔加工質量的關鍵（jiàn）因素。刀具和砂輪磨損、裝夾變形（xíng）、切（qiē）削應力變形及加工振動等環節，使得上述兩種工藝方法（fǎ）都不能嚴格保證（zhèng）高精度內孔的加工質量。

為避免機床精度對（duì）加工（gōng）精度的影響，並且能依靠現有設備實現輪體加工，同時嚴（yán）格保證內孔尺寸和形狀精度要（yào）求，經過多次工藝摸索驗（yàn）證，確（què）定使用研磨工藝來實（shí）現內孔（kǒng）高精度要求。輪體內孔加工（gōng）工序如圖2所示。同時，為（wéi）減輕研磨操作強（qiáng）度和提高效率，研磨前將孔餘量精準控（kòng）製在0.01～0.02mm，圓柱度優於8μm，表麵粗糙（cāo）度值Ra＜1.6μm。這樣就需對輪體的車削和研磨技術進行（háng）深入的研（yán）究。

圖片圖2　輪體內孔加工工序
03

輪體精密車削（xuē）加工方法
針對材（cái）料的（de）切削（xuē）特性，從刀具（jù）及切削（xuē）參數選用、切削液應用（yòng）和零件（jiàn）裝夾定位等方麵確定了零件具（jù）體（tǐ）的車削加工措施和方法[2]。

（1）刀（dāo）具材料的選用　粗加工時選用YG8硬質合金車刀進行加工，因為（wéi）輪體材料1Cr18Ni9Ti含有Ti元素，該元素易（yì）與刀具（jù）材料（liào）中的同元（yuán）素發生親和作用，在切削時含Ti的刀片磨（mó）損極快，所以在加工本材料（liào）時，避（bì）免選用（yòng）YT類（lèi）硬質合金（jīn）刀具（jù）材料。精加工選用不（bú）含Ti元素（sù）的（de）塗層刀具進行切削，可選擇Al2O3為基體的塗層材料，其（qí）化學惰性大且和不鏽鋼材料的（de）親和作用小。

（2）刀具（jù）幾何角度（dù）的選擇　粗加工階（jiē）段，由於餘量較多、剛性（xìng）較好，所以此（cǐ）時主要滿足高效去除材料的需求；精加工階段，工件因（yīn）薄壁特征，徑向剛度較差，故刀具的幾何角度主要（yào）應考慮減少切削力和提高表麵質量，具體（tǐ）選擇如下所述。

1）刀具在粗加工時，為（wéi）使車刀具有良好的切削強度，前角一般取較小值（zhí）（12°～15°）；精加工時為了（le）使刀具更加（jiā）鋒（fēng）利，並有效降低切削力，從而獲得（dé）更高的表麵質量，前角一般取（qǔ）較大值（15°～20°）。

2）後角選擇方（fāng）法和前角類似，粗加（jiā）工時主要是為了提高材料去除效率，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（miàn），以（yǐ）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對（duì）切削力的大小和方向這兩個方（fāng）麵的（de）影響進行調整。粗加（jiā）工時，使用較小的（de）主偏角（jiǎo），一（yī）般取60°～75°；精加工（gōng）時（shí），為了減小徑向切削力，應選90°～95°的大主偏角（jiǎo）。

4）刃傾角主要影響切削力的方向和（hé）刀（dāo）尖、切削刃的（de）強度，在粗加工時，為（wéi）了提高刀（dāo）尖的強度，刃傾角一般取（qǔ）負（fù）值，可取－5°～0°；在精加工時，為使切屑排向工件待切削表麵，並最（zuì）大限度減小徑向切削力，刃傾角應取正（zhèng）值，可取0°～3°。

（3）切削用量的選（xuǎn）擇（zé）　粗、精加工（gōng）切削用量（liàng）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，切削用量數值（zhí）應大些；精加工（gōng）主要考慮切削（xuē）力和工件的弱剛性特點，減小切削變形，提高（gāo）表麵質（zhì）量，切削用量應小些。影（yǐng）響切削力大小的切削要素中，由大至小分（fèn）別為（wéi）切（qiē）削深度、進給量和切削速度。具體選擇如（rú）下所述。

1）切削深度（dù）。粗加工時，切削深度應取較大值，可避免在加（jiā）工硬化層內切削，並（bìng）提高加工效（xiào）率，一般取（qǔ）2～4mm。精（jīng）加（jiā）工時，為（wéi）了減小（xiǎo）工件彈性和塑性變形，切削（xuē）深（shēn）度取較小值，但不（bú）宜過小，否則會使得生產效率降低，精車時切削深度一般取0.1～0.15mm。

2）進給量。由於進給量對（duì）切削（xuē）力的影響較小，因此為了提高切削效率（lǜ），進給量可（kě）取（qǔ）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（qǔ）0.03～0.06mm/r。

3）切（qiē）削速度。切削速度影響工件的表麵（miàn）質量和刀具（jù）壽命。粗加工切削速度不（bú）宜選擇太高，一般取30～40m/min；精（jīng）加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（dù）與粗加工一致。

（4）切削液的選用　1Cr18Ni9Ti不鏽鋼材料具有一定（dìng）的黏性，切削加工性差，切削時易（yì）產生積屑（xiè）瘤，從而破壞已加工表麵，這（zhè）就要求選擇冷（lěng）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（zhì）量並有效降（jiàng）低切削溫（wēn）度。

（5）安裝定位方法　輪體徑（jìng）向剛度較差，夾緊力沿軸向分布，雖然不會使工件產生變形，但在切（qiē）削過程中，切削振動和徑向切削力仍然（rán）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（tǐ）的裝（zhuāng）夾

04

內孔精密研磨方法
研磨加工是利用研具在施加（jiā）一定壓力的情況下（xià），相對工件加（jiā）工表麵（miàn）作複雜（zá）的（de）移動和運動來實現的。研具與工件間的磨粒和研磨劑在相對運（yùn）動中，起物理（lǐ）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，可對加工表麵（miàn）進行0.01～0.1μm的微量（liàng）切（qiē）削，從而可高精度控製工件尺寸和形狀精度，同時獲得高表麵（miàn）質量。由於（yú）研磨加工（gōng）對機床精度要求不（bú）高，因此使用研磨（mó）工藝可確保（bǎo）輪體內（nèi）孔尺寸和形（xíng）狀精（jīng）度滿足設計要求。

4.1 研磨前的準備工作

（1）研磨（mó）方式及研磨劑的選用　為了便於操作，配製研（yán）磨膏進行研磨，研磨分類及適（shì）用範圍見表（biǎo）1。針對1Cr18Ni9Ti不（bú）鏽鋼材料，采用SA單晶剛玉研磨粉，粗研粒度選擇F600，精研粒度選（xuǎn）擇F1000。研磨膏成分配比見表2[3]。

表1　研磨分（fèn）類及適用範（fàn）圍圖（tú）片
表2　研磨膏成分及用途圖片
（2）研（yán）具結構及尺寸　研具是（shì）用於塗敷或嵌入磨料，而且不會嵌入工件表麵，並使（shǐ）其（qí）磨（mó）粒發揮切削作用的工具。研磨部分的（de）材料一般比工件軟，常用的研具（jù）材料為灰鑄鐵、10或20低碳鋼及黃銅等。結合生產實際，選取黃（huáng）銅為研磨套材料，45鋼調質料為芯棒材料，製作（zuò）了可調式內孔研具（jù）。研磨套采用單槽（cáo）結構，外（wài）圓製（zhì）作了交叉螺旋槽，用於存儲多（duō）餘的研磨（mó）劑。研磨（mó）套與芯（xīn）棒通（tōng）過1∶20錐麵配合，使（shǐ）用螺釘、壓板進行調節，便於研（yán）磨套磨損後尺寸調整（zhěng）。研磨套長度為工件（jiàn）被研內孔長度的2～3倍。研磨工（gōng）藝是（shì）一種誤差平均法，研磨前內（nèi）孔（kǒng）圓柱（zhù）度允許（xǔ）誤差較高，但一般不應超過研（yán）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（gōng）件內孔保持0.01～0.02mm間隙。輪體研具如圖4所示。

圖片

圖4　輪體研具

4.2 研磨過程（chéng）

（1）操作（zuò）方法　內孔研磨在手（shǒu）動車床進行，采用機械與（yǔ）手工配合的研（yán）磨方法。

1）研磨棒夾持在車床卡盤上，轉動卡盤，將（jiāng）研磨膏均勻塗抹在研磨（mó）套外圓表麵。

2）雙（shuāng）手把持工件，將工件內孔慢慢旋入（rù）研磨套外圓。

3）起動車（chē）床主軸，帶動研（yán）具（jù）旋轉，雙（shuāng）手把持工件在研磨套（tào）外圓做軸向往複勻速移動，移動距（jù）離要盡可（kě）能（néng）覆蓋研磨套全長。

4）研磨5～8min後，將工件取下，擦掉研具和（hé）工件表（biǎo）麵的研磨劑（jì），然後塗敷新的研磨（mó）劑（jì），重新套上（shàng）進行（háng）研磨。

5）研磨（mó）過程中，根據孔徑變化，適時調大研磨套直徑，以適應工件所要求的尺寸和精（jīng）度。調節研磨套（tào）時，要控製與工件的間隙（xì）量，間隙太小容易將孔（kǒng）麵拉毛，增大（dà）操作強度；間隙過大容易（yì）出現橢圓或錐（zhuī）度的情況。

6）研磨時如有過多的（de）研磨劑被擠出，應及時擦（cā）掉，否則會使孔（kǒng）口擴大，孔麵帶錐成喇（lǎ）叭口狀。

7）采用多次調頭裝（zhuāng）夾的方式，通過（guò）研磨軌跡（jì）的不斷變化，避免同一（yī）誤差放大，避免孔麵誤差（chà）對工件圓柱（zhù）度的影響。

（2）速度參數（shù）　研磨轉速（sù）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（cǎi）用30r/min。通過工件在研具上研磨出的網紋來判斷研磨速度是否合適。當研具上（shàng）研磨出的網紋呈45°交叉線時，往複運動速度適當。往複運動的速度不論太（tài）快還是太慢，都影響工件（jiàn）的精（jīng）度和耐磨性。

（3）注意事項　研（yán）磨（mó）前，確保孔口無毛刺，孔口棱邊圓滑，可避免研磨過程中出現屑渣裹（guǒ）入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（bǎo）證槽口均為（wéi）鈍邊（biān）且光滑過（guò）渡；工（gōng）件（jiàn）應及時清洗，確保每次在工件與研具清理幹淨後再塗（tú）敷新（xīn）的研磨劑；精研前，工件放置30min以上，使（shǐ）零件熱量充分釋放後再（zài）進行精研加工（gōng）。

05

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（tǐ）內孔尺寸采用三點（diǎn）內徑千分（fèn）尺測量，圓柱度（dù）不（bú）測量。研（yán）磨（mó）加工後輪體內孔尺寸采用三坐標（biāo）測量機測（cè）量（liàng），圓（yuán）柱度采用圓度儀測量（見（jiàn）圖5）。最終表麵粗糙度采用對比塊測量。保證量（liàng）具和工件表麵清潔（jié）度，以及在相同溫度環境下測量。將（jiāng）三點內徑千分尺測量值與三坐標測量機測量結果（guǒ）比對，檢測結果在誤（wù）差範（fàn）圍內。輪體內孔尺寸及（jí）圓（yuán）柱度測量結果見表3。

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圖5　圓柱度測量

表3　輪（lún）體內（nèi）孔尺寸及圓柱度測量結果圖片
06

結束語
針（zhēn）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工研磨相結合的方法。此方法經過（guò）數控車床半精加工和手動研磨兩道工（gōng）序，保證了輪體內孔尺寸φ50mm滿（mǎn）足公差＜3μm，圓柱度達（dá）到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（háng）天器輪係零件的內（nèi）孔精密加工提供（gòng）了參考。