五、小型马氏体不锈钢轴的精密加工技术

某制导武器系统的码盘部件中普遍采用马氏体不锈钢精密电动机轴，电动机轴是码盘部件的关键零件，其加工精度直接影响产品的整机性能。该电动机轴在多种产品中通用，用量较大。但该零件加工的合格率较低，原批生产合格率维持在40%左右，是产品配套生产的瓶颈。为此，针对马氏体不锈钢精密轴开展了专项工艺技术攻关，新工艺提高了零件的加工合格率，合格率达到90%以上，取得了预期成果。

（一）工艺性分析

1.零件结构特点

零件结构如图2-16所示。零件为大轴径差的多阶梯轴，两端轴径 ϕ 3g5mm，中间轴径 ϕ 36mm，一端主轴颈上开有键槽，在零件上还有轴向螺钉孔和径向孔；轴径 ϕ 3g5mm一端与电动机连接，另一端与陀螺连接，轴径小是该零件刚度差的主要因素。

2.技术要求

从图2-16中可以看出，零件关键尺寸精度和几何精度要求较高，两端轴径尺寸精度IT5级。几何精度：同轴度 ϕ 0.01mm、圆跳动0.005mm，圆度0.004mm，表面粗糙度值 Ra ＝0.2μm；零件的材料为马氏体不锈钢40Cr13，切削加工性较差，切削力大，不易获得光洁表面；而且由于刚度较差，所以装夹过程顶尖易引起零件呈现弓形。

（二）试验过程及原因分析

1.试验过程

轴类零件的工艺方案以车削、磨削为主线，中间穿插其他工序。对于图2-16所示精密轴的加工，采用的工艺装备见表2-2。

工艺设计时遵循的工艺原则：基准统一，粗加工、精加工分开，次要表面先行加工，合理安排热处理等辅助工序，精加工前修研精基准。

按照上述工艺原则，在产品样机生产中，采用双中心孔实现基准统一，粗加工车削后安排时效处理，螺纹孔等次要表面先行加工，精加工前修研中心孔，最终用磨削加工保证零件的精度要求，形成了样机阶段的工艺方案：车削成形（留磨量、钻中心孔）→调头车削成形（留磨量、钻中心孔）→时效→车削（完成次要轴颈加工）→铣削（完成孔加工）→电脉冲（制键槽）→钳（攻螺纹、去毛刺）→车削（修研中心孔）→磨削（主轴颈及端面）。

在产品批量生产中，按照上述工艺方案实际加工后，由于 ϕ 3g5mm尺寸超差和几何公差超差，合格率仅为40%左右。

2.原因分析

（1） ϕ 3g5mm轴径尺寸超差 零件加工精度主要取决于磨床精度和操作人员的技能水平。因为 ϕ 3g5mm尺寸的公差仅有0.004mm，属于微米级。而加工该零件采用的是20世纪60年代进口的精密磨床，该设备的最小径向进给刻度仅为0.01mm，这与加工尺寸精度的要求差一个数量级，进给量要凭经验控制，而且零件外形尺寸小，加工时不易观察和操控。

（2）几何公差超差 具体如下。

1） ϕ 3g5mm的轴径小，由于切削力造成弹性变形及加工残余应力，引起圆跳动超差。

2） ϕ 3g5mm轴径的磨削基准为两端中心孔，它的加工精度、磨损及误差复映，引起几何公差超差。

3）机床的调整误差造成的加工误差。

（3）产生超差因素 分析上述工艺方案存在的不足，引起超差的具体原因如下。

1）粗加工材料去除量大，加工应力大，先期制成中心孔、时效后零件变形，造成中心孔精度降低。

2）零件材料为供应状态，强度、硬度较低，加工过程中中心孔磨损量大，产生复映误差。

3）工艺设计不严谨，工艺阶段划分不细致，一次修研中心孔不能完全消除中心孔的累积误差。

4）精加工前应力消除不充分，造成零件精度不稳定。

（三）要因确定及工艺措施

1.要因确定

经过加工试验及验证，影响零件加工超差的主要因素是切削力及加工残余应力引起零件的变形，以及两端中心孔的过度磨损产生的误差复映等（见图2-17）。

2.工艺改进措施

1）细分工艺阶段，将工艺过程分成粗加工→半精加工→精加工三个阶段。

2）工艺规程的设计采用工序分散的原则，利用自然时效减小零件工序间的加工应力。

3）从半精加工开始用两中心孔定位，实现基准统一，多次修研中心孔，保证定位精度。

4）采用调质处理，使零件具有良好的综合力学性能，有效地改善零件的切削加工性能，提高中心孔的耐磨性，保证零件工艺基准的可靠性。

5）精加工前增加稳定化处理，消除零件的内应力，保持零件精度的稳定性。

6）细化磨削工序，将 ϕ 3g5mm轴径的加工细分为粗磨削、半精磨削和精磨削，保证加工余量均匀，减小力-热变形效应，最终保证加工精度。

7）强化过程控制，实现工艺稳定运行。

3.工艺方案

（1）优化的工艺方案 车削成形（去余量）→调头车削成形（去余量）→调质→车削（准备半精基准）→车削（互为基准、钻中心孔）→车削（互为基准、钻中心孔）→粗磨削（粗磨削各轴径）→铣削（完成孔加工）→电脉冲（制键槽）→钳（攻螺纹、去毛刺）→稳定化处理→车削（修研中心孔）→半精磨削（自研中心孔、留余量磨主轴颈及端面）→精磨削（自研中心孔、磨削主轴颈及端面）。

（2）工艺技术要点 具体如下。

1）合理分配加工余量。①粗车削外圆留余量3mm，端面留余量1mm，并在轴肩加工 R 1.5mm大圆角，避免淬火开裂现象；②精车削外圆留磨量0.4mm，端面留磨量0.1mm；③粗磨削外圆留余量0.2mm，端面留余量0.05mm；④半精磨削外圆留余量0.05mm，端面留余量0.02mm。

2）合理选择刀具几何参数。①粗车削：刀具材料YG8硬质合金，刀具几何参数为前角18°、后角7°、刃倾角－2°、主偏角75°、副偏角9°及刀尖圆弧半径0.6mm；②精车削：刀具材料YG3硬质合金，刀具几何参数为前角25°、后角9°、刃倾角5°、主偏角90°、副偏角15°及刀尖圆弧半径0.2mm；③磨削：单晶刚玉砂轮，陶瓷结合剂，中硬，粒度F60~F80。

3）调质处理的硬度要求。调质处理硬度取上限值28～35HRC，既可保证零件具有良好的综合力学性能，较高的耐磨性，又可改善零件的切削加工性。

4）中心孔的加工精度。中心孔实现了基准统一和基准重合，它的同轴度、圆度误差会直接复映到 ϕ 3g5mm主轴颈上，引起零件几何公差超差，产生废品。在精密车床上制作中心孔时，应仔细挑选中心钻，保证顶角对称并打表找正零件两次装夹的同轴度在 ϕ 0.003mm以内，磨削前应在磨床上自研中心孔，保证零件圆跳动＜0.005mm。

5）切削用量的合理选择。①粗车削： n =500～750r/min、 a _p =2～4mm、 f =0.25～0.5mm/r；②精车削： n =750～1200r/min、 a _p =0.5～1.5mm、 f =0.1～0.25mm/r；③粗磨削： f _r =0.02～0.05mm、 f _a =0.05mm、 n _w =150r/min；④半精磨削： f _r =0.01～0.02mm、 f _a =0.03mm、 n _w =300r/min；⑤精磨削： f _r =0.002～0.005mm、 f _a =0.02mm、 n _w =350r/min。

（3）过程控制措施 具体如下。

1）对磨床精度进行精细调整，保证磨床头架与尾座的同轴度＜ ϕ 0.002mm。

2）通过零件涂色，控制磨削径向进给量。

3）在磨床大拖板上架设百分表，控制磨削轴向进给量。

4）精磨前对磨床进行预热，待磨床热平衡后，再开始加工。

5）将检验用偏摆仪顶尖及零件用顶尖在加工用磨床上配套加工，保证两者的一致性，以消除测量误差的影响。

6）零件流转用周转箱垂直放置，防止零件变形。

（四）试验验证及推广应用

工艺优化后分别进行了20件、30件小批量加工试验验证，合格率均在95%以上，零件的加工合格率提高一倍以上，解决了该型号产品大批量生产中的工艺瓶颈问题。目前，多个型号产品的小型不锈钢精密轴加工已应用了该工艺成果，在保障型号产品的质量和精度方面发挥了巨大作用，节约了制造成本，产生了巨大的经济效益和良好的社会效益。

（五）效果

小型马氏体不锈钢精密轴工艺技术，提供了一条在普通加工设备上加工精密轴的工艺途径。特别适合对小型精密轴加工的生产现状，具有较高的推广和应用价值。若能采用高精度的加工设备，零件的加工合格率还能够进一步提高，必将产生更大的经济效益。 6swtSeNtDBygbbx6SXW2k6gB5BG9TxfnasxXnjSQjeT5xrHYNArCU7SyjWo2pS56