電梯傳動軸數(shù)控車削中的問題及解決方法

摘要：本文以華菱電梯DH-J05系列傳動軸的數(shù)控車削為例，針對不銹鋼細(xì)長軸工件在加工中存在的問題，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐以及新技術(shù)的應(yīng)用，給出了相應(yīng)的解決方法。在電梯傳動系統(tǒng)中，傳動軸是傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩的機(jī)械零件。為了達(dá)到使用性能，保證電梯的安全運(yùn)行，對于傳動軸的加工有嚴(yán)格的工序要求。DHJ05系列傳動軸采用1Cr17Ni2不銹鋼材料制成，長徑比大于25，屬于細(xì)長軸類零件。細(xì)長軸加工難度大的主要原因有：①工藝剛性差，在加工過程中易受到切削力、夾緊力等外力作用而產(chǎn)生變形和振顫，破壞刀具和工件之間的位置關(guān)系，降低加工精度。②熱擴(kuò)散性差，在切削熱的作用下，產(chǎn)生線膨脹。如果兩端為固定支承，則軸會因伸長而頂彎，出現(xiàn)橢圓形、圓錐形、腰鼓形及竹節(jié)形彎曲等情況，造成圓度和圓柱度誤差。通過生產(chǎn)實(shí)踐以及與技術(shù)人員交流，探索采用沈陽一機(jī)HTC40系列數(shù)控車床批量加工傳動軸的有效方法，主要包括：①在粗加工中采用帶滾動軸承的新型中心架，減少觸頭磨損，降低形位誤差。②在熱處理中采用分級淬火，有效地減少轉(zhuǎn)變過程中裂紋的產(chǎn)生，防止傳動軸在使用過程中發(fā)生斷裂。③在精加工中采用PCBN車刀，以車代磨，提高加工精度和加工效率。1.粗加工階梯軸DH-J05系列電梯的年產(chǎn)量為800臺，其傳動軸的生產(chǎn)類型為中小批量生產(chǎn)。傳動軸零件如圖1所示。圖1傳動軸零件（1）車削加工工藝。毛坯φ35mm×805mm，材質(zhì)為1Cr17Ni2不銹鋼，是低碳鉻鎳型耐蝕鋼，具有較高的強(qiáng)度、硬度及良好的耐蝕性。采用三爪自定心卡盤裝夾毛坯左端φ35mm×400mm處。為了減少徑向切削力對細(xì)長軸彎曲變形的影響，通過自制帶軸承的新型中心架支撐在φ35mm×200mm處，以增加工件的剛度。采用45°硬質(zhì)合金車刀粗車右端面，鉆中心孔。調(diào)頭后粗車左端面，鉆中心孔，保證2個中心孔的軸線和尺寸一致，此時保證總長796mm。粗車外圓時采用85°硬質(zhì)合金車刀、5mm切槽刀、60°螺紋車刀，一夾一頂裝夾方式分段車削，ap=0.5mm、n=800r/min、f=0.1mm/r。粗車后各階段外圓尺寸分別為：M20×1.5mm、5mm×φ15mm、φ26mm×37.1mm、5mm×φ20mm、φ31mm×112.4mm、5mm×φ25mm和φ33mm×396.3mm。各外圓精車余量為0.5mm，Ra＜0.8μm，尺寸精度可達(dá)0.08mm。粗車后采用校直機(jī)對傳動軸進(jìn)行調(diào)直，使跳動小于0.04mm。（2）采用帶滾動軸承的中心架。批量加工時，由于工件在中心架的支承下旋轉(zhuǎn)，兩者間為滑動摩擦，極易產(chǎn)生摩擦過熱。當(dāng)支承毛坯工件時，由于待加工表面比較粗糙、圓度較差，造成中心架支承爪的圓弧面磨損嚴(yán)重、間隙增大、支承爪的圓弧面與工件表面接觸不良，同時又有劇烈的跳動，必須經(jīng)常調(diào)整支承爪（見圖2）。當(dāng)支承已加工表面時，中心架支承爪又易擦傷、拉毛、咬壞已加工表面，影響工件的加工質(zhì)量和表面粗糙度。圖2磨損后的支撐爪對原有中心架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出帶滾動軸承的新型中心架。制作過程：根據(jù)支承爪的尺寸選用型號為608的深溝球軸承，其內(nèi)徑為φ80-0.007mm、外徑為φ220-0.008mm、寬度為70-0.12mm。該類軸承的摩擦系數(shù)小、極限轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且非常耐用，無需經(jīng)常維護(hù)。主要用來承受徑向載荷，也可以承受一定量的徑、軸向聯(lián)合載荷。在支承爪端部銑出9個13mm的溝槽，并在兩側(cè)鉆出通孔φ8-0.02-0.03mm，在車床上車出銷釘φ8+0.03-0.02mm。軸承與銷釘采用基孔制配合φ8H7/s5，銷釘與通孔采用基軸制配合φ8S7/h7。支承爪的制作及裝配過程如圖3所示。圖3支承爪的制作及裝配支承爪裝配到中心架上后，采用試棒和百分表對中找正。試棒裝夾在三爪自定心卡盤上，中心架架在導(dǎo)軌上，百分表裝在表架上，測量主軸的跳動，反復(fù)調(diào)整中心架支承爪，直到指針指在0.01mm范圍內(nèi)，即保證中心架中心與主軸中心一致。帶滾動軸承的新型中心架用滾動摩擦代替普通中心架的滑動摩擦，降低摩擦熱，從根本上解決了由于支承爪磨損導(dǎo)致誤差增大的問題。2.精加工階梯軸（1）分級淬火熱處理。以前采用的熱處理方法是單介質(zhì)淬火和低溫回火。由于奧氏體比馬氏體的密度大，因此奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程中，因體積變化產(chǎn)生熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，導(dǎo)致工件產(chǎn)生裂紋。傳動軸在使用過程中易發(fā)生斷裂，不僅給生產(chǎn)企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失，更重要的是將會給乘客的安全帶來隱患。通過觀察易斷裂處附近金相試樣及多次熱處理試驗(yàn)，在查閱金屬材料熱處理手冊后，提出將工件粗加工后的熱處理工藝改進(jìn)為分級淬火和低溫回火。分級淬火工藝：將工件放到高頻淬火機(jī)的感應(yīng)器內(nèi)，高頻加熱到950～1050℃，保溫50min。取出工件后放入溫度為1210℃的鹽浴爐中，即稍高于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)，保溫2～5min，待其表面與心部的溫度均勻后取出，吹風(fēng)冷卻，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，如圖4所示，其目的是減少內(nèi)應(yīng)力，防止轉(zhuǎn)變過程中的變形和開裂。圖4分級淬火低溫回火工藝：將冷卻后的工件放入電爐，加熱到275～350℃，保溫150min后取出，吹風(fēng)冷卻。目的是得到馬氏體組織，在保證淬火后的高硬度和耐磨性的基礎(chǔ)上，降低淬火應(yīng)力，提高韌性。硬度為45～50HRC、抗拉強(qiáng)度σb≥850MPa、伸長率δ=5%。（2）刀具選擇。以前的精加工方法是用TiAlN涂層硬質(zhì)合金車刀精車傳動軸后，在M1432A磨床上進(jìn)行精磨。精車時，ap=0.2mm、f=0.1mm/r、n=300r/min。硬質(zhì)合金車刀車削淬火鋼的缺點(diǎn)是刀具磨損快、切削效率低，通常車削完一個工件后需要更換刀具。傳動軸在磨床上精磨時需要再次定位，產(chǎn)生定位誤差，影響加工精度。傳動軸在磨削力和磨削熱的作用下，產(chǎn)生受迫振動和自激振動，使傳動軸表面產(chǎn)生直波振紋和多角振紋并出現(xiàn)徑向跳動誤差。傳動軸自重產(chǎn)生的撓度會使其在加工中產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，導(dǎo)致被加工表面出現(xiàn)素線不直的缺陷。（3）采用PCBN車刀。針對傳動軸材質(zhì)的特點(diǎn)，提出在精車階段采用PCBN車刀，即聚晶立方氮化硼車刀，如圖5所示。PCBN刀片通過CBN粉末和結(jié)合劑經(jīng)超高壓高溫?zé)Y(jié)而成，維氏織，在保證淬火后的高硬度和耐磨性的基礎(chǔ)上，降低淬火應(yīng)力，提高韌性。硬度為45～50HRC、抗拉強(qiáng)度σb≥850MPa、伸長率δ=5%。圖5PCBN車刀傳動軸經(jīng)過兩次熱處理后，硬度達(dá)到45～50HRC。HTC40系列數(shù)控車床的卡盤直徑為254mm、最大車削長度為1030mm、重復(fù)定位精度為0.006mm。三爪自定心卡盤裝夾毛坯左端φ33mm×400mm處，中心架支撐在φ33mm×200mm處，采用一夾一頂裝夾方式分段硬車削。硬車削是指把淬硬鋼的精加工由磨削改為車削的工藝方法。采用硬車削時，應(yīng)合理選擇刀具和車床工藝系統(tǒng)。刀具的材料一般選擇硬度高、耐磨性好、熱穩(wěn)定性好的陶瓷、PCBN材料。淬硬鋼切屑為帶狀，脆性大、易折斷、不粘結(jié)，切削表面不產(chǎn)生積屑瘤，表面質(zhì)量高，但切削力比較大，所以刀具宜采用負(fù)前角≥－5°和較大的后角10°～15°，主偏角一般取45°～60°，以減少工件和刀具振顫，車床系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的剛性。精車外圓時采用35°PCBN車刀，ap=0.3mm、f=0.1mm/r、n=1200r/min，走兩刀完成精車余量的車削，打樣時走一刀后，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。主軸轉(zhuǎn)速的選擇與數(shù)控車床的穩(wěn)定性有關(guān)，轉(zhuǎn)速過低時不能發(fā)揮PCBN車刀的切削性能，轉(zhuǎn)速太高時機(jī)床會產(chǎn)生振動，從而加劇刀片損壞，因此主軸轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)結(jié)合所用車床型號。精車后的表面粗糙度值Ra=0.4μm，加工精度達(dá)到IT6，精車外圓的工序如圖6所示。圖6精車外圓工序使用PCBN車刀加工傳動軸可以從刀具壽命、加工精度及工時等方面保證加工質(zhì)量，提高加工效率。與車削+磨削工藝相比，使用PCBN車刀以車削代替磨削完成精加工有以下優(yōu)點(diǎn)：①加工效率高。免去磨削中再次定位、裝夾，減少換刀次數(shù)，車削的金屬切除率是磨削的3～4倍，使單件加工時間由以前的2.5h縮短為1.5h，加工效率提高67%。②加工成本低。PCBN車刀相對硬質(zhì)合金車刀的價格偏高，造成加工成本上升，但將磨床等設(shè)備投資攤?cè)肷a(chǎn)成本，綜合測算后成本大幅降低，既節(jié)省人員、設(shè)備投資、占地面積，又符合柔性生產(chǎn)要求。③加工精度滿足圖樣要求。在一次裝夾中完成多個表面加工，減少定位、裝夾次數(shù)，從而減少誤差，兩者的對比如表1所示。表1硬車削與車削+磨削對比（4）存在的問題及解決方法。工件振顫：由于細(xì)長軸的剛性不足，且車削階梯軸時不便使用跟刀架在加工時容易產(chǎn)生振顫。解決方法：在車刀裝夾時，刀尖中心低于主軸中心0.1～0.2mm，刀尖過高或過低會對工件產(chǎn)生向下或向上的徑向力，使工件產(chǎn)生振顫。刀片的主偏角大于0°，此時車刀對工件具有適當(dāng)?shù)膹较蛄Γ芟糠终耦?，使切削平穩(wěn)，尾座套筒的伸出長度不宜過長。工件熱變形伸長：雖然PCBN車刀具有良好的導(dǎo)熱性，不加切削液同樣可達(dá)到理想的加工質(zhì)量和較長的使用壽命，但高速車削導(dǎo)致工件熱變形軸向伸長。解決方法：①使用非水溶性切削液。PCBN車刀車削淬硬鋼時，濕式切削比干式切削壽命要長，使用切削液可吸收切削熱，有效降低前后刀面的磨損速度，但必須使用非水溶性切削液，因?yàn)镃BN易在1000℃產(chǎn)生水解作用，造成刀具嚴(yán)重磨損。②采用彈性回轉(zhuǎn)頂尖。當(dāng)工件受熱伸長時，頂尖有向后退讓的余量，防止工件產(chǎn)生彎曲變形。頂尖的松緊以剛頂上工件為宜，不宜過緊，并在切削過程中隨時觀察頂尖的松緊，進(jìn)行調(diào)整。（5）PCBN車刀使用注意事項(xiàng)。使用時除參照刀片切削用量表外，還應(yīng)根據(jù)車床、工件等情況合理選擇。①切削用量：切削速度要根據(jù)被加工材料選擇。切削硬度為50～60HRC的淬硬鋼時，vc=80～120m/min，切削速度過低，不能發(fā)揮PCBN車刀的切削性能。f≤0.2mm/r，ap≤0.3mm。②車床工藝系統(tǒng)：硬車削時，徑向力很大，要求車床的系統(tǒng)剛性要好、功率要大。PCBN車刀裝夾時，懸伸長度盡量短，以防止刀桿顫振和變形。③切削硬度高和不規(guī)則的工件：PCBN刀片較脆，在工件表面有夾渣、砂眼、凹凸不平時，最易發(fā)生沖擊，使刃口破裂。使用PCB