ZB48包裝機關主件1Cr18Ni9Ti 超細長軸的加工

路瑋琳　柳秀娥　齊紅梅

(①新鄉職業技術學院，河南 新鄉453006；②河南新平科煙草機械有限公司，河南 新鄉453000)

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ZB48包裝機關主件1Cr18Ni9Ti 超細長軸的加工

路瑋琳①柳秀娥②齊紅梅②

(①新鄉職業技術學院，河南 新鄉453006；②河南新平科煙草機械有限公司，河南 新鄉453000)

針對1Cr18Ni9Ti 超細長軸加工中的工件變形、材料切削性能差、效率低等問題，對車削加工通過設計工裝拉爪改變裝夾方法，增強了細長軸的切削剛性，不僅提高了切削效率，而且提高了加工穩定性和加工精度。對磨削加工通過改進中心架及采用萬用表的電阻值定量調整中心架的方法，提高了磨削效率及精度；通過采用“窄砂輪”磨削工件，減小切削力，防止工件加工時的變形，并通過去應力時效及優化切削參數等措施，保證了工件的加工要求。

關主件；超細長軸；1Cr18Ni9Ti；拉爪；開式中心架；窄砂輪

ZB48硬盒硬條包裝機是一臺雙路包裝的高速包裝機，包裝速度800包/min。為保證整機的使用性能，該機上零件要求精度高，外觀不允許有任何的缺陷。該零件為 ZB48 硬盒硬條包裝機上的一個關主件。

1　零件結構及特點

零件結構見圖1。

零件的特點及要求：

(1)長徑比為52.5 ，為超細長軸。

(2)材料為切削性能很差的不銹鋼 1Cr18Ni9Ti。

(3)零件形位公差要求高，φ6h6 mm外圓相對于φ8h6 mm外圓的同軸度為φ0.02 mm，表面粗糙度為Ra0.8 mm。

2　加工難點分析

2.1超細長軸加工難點

(1)超細長軸剛性很差，切削加工時如裝夾不當，因切削力和自重的作用易發生彎曲變形，產生振動，影響工件的表面粗糙度及加工精度 。

(2)超細長軸的散熱能力很差，在切削熱的作用下，會產生相當大的線膨脹。如軸兩端采用固定支承，頂太緊，工件會因伸長而頂彎。

(3)由于軸較長，切削時一次走刀的時間會比較長，刀具的磨損較大，因此會影響到工件的幾何形狀精度。

(4)使用跟刀架或中心架時，如支撐塊對工件壓力不適當，會被加工成“竹節”形。

2.21Cr18Ni9Ti 材料的加工性能及特點

1Cr18Ni9Ti 為奧氏體不銹鋼，耐蝕能力強，但切削加工性能比較差，相對可切削性僅為45鋼的0.3～0.5倍，屬于典型的難加工材料。1Cr18Ni9Ti 材質的加工難點體現在切削抗力大、加工硬化趨勢嚴重、導熱系數小、切削區域溫度高、刀具磨損快，且容易產生崩刃等幾個方面。

根據不銹鋼的切削特點，要求刀具材料應具有耐磨性、高耐熱性、與不銹鋼的親和作用小等特點，所以可選用YG8、YW1、YW2硬質合金。根據不銹鋼材料的塑性大會導致切削變形大，切削力大的特點，為了便于加工，應選擇較大的前角(選擇范圍15°～30°之間)，為增加刀具強度，可加前角負倒棱。為了減少切削刀具后面與工件間的摩擦，又不影響刀具強度，后角應選在5°～10°范圍內。

3　工藝方案的分析與確定

該工件φ6h6 mm和φ8h6 mm外圓表面粗糙度為Ra0.8 mm，且兩外圓同軸度要求φ0.02 mm，必須要磨削加工來保證設計要求；為消除切削應力及變形，中間要增加校直及時效工序。通過對工件材料、結構及加工要求的綜合分析，確定總體工藝路線為：下料—校直—粗精車(留磨量)—校直—粗磨—時效—校直—車螺紋—精磨。下面將從裝夾、刀具、切削用量等幾個方面對車削和磨削的工藝方法進行詳細的分析。

3.1車削工藝分析

該工件外形尺寸為φ8 mm×420 mm，毛坯尺寸為φ12 mm×425 mm，定位基準為兩端中心孔，為保證兩端中心孔的同軸度及增加工件車削時的剛性，粗車外圓及鉆兩端中心孔時需用中心架；以兩端中心孔為基準，精車大外圓的時候，采用了三爪跟刀架，車削時三爪和車刀抵住工件，使之上下、左右均不能移動，車削穩定，不易產生振動，提高了細長軸的幾何精度和減小表面粗糙度值；車臺階外圓及螺紋時，利用了工裝拉爪(工裝拉爪結構見圖2)，裝夾方式為一夾一拉，避免了切削時將工件頂彎現象的發生，防止變形，提高加工效率及質量。

3.1.1車削工序的工步安排

(1)多次調頭裝夾，上中心架，車光大外圓至φ9.5 mm，車兩端面，保證總長，兩端面鉆中心孔。

(2)夾一端外圓，對頂，上跟刀架，車外圓至φ8.6 mm(近卡爪)；調頭，夾已車外圓，車外圓至φ8.6 mm，接刀平齊。

(3)利用工裝拉爪，采用一夾一拉的裝夾方式，車各臺階外圓，留磨量。

3.1.2工裝拉爪的結構及使用方法

工裝拉爪見圖2，包括定位套、定位軸和鎖緊螺母3個零件，通過軸承、墊圈、螺母等標準件組合裝配在一起。反向安裝的一對圓錐滾子軸承，保證了支承的剛性，在承受徑向載荷的同時，還能承受較大的軸向載荷，并與深溝球軸承配合使用，進一步提高了拉爪的定心精度。球面墊圈可保證螺母壓緊的時候端面跳動不超差，保證裝配精度。三爪自定心卡盤通過定位孔及端面M6 mm螺紋孔與定位軸連接在一起。使用時，通過定位套φ75H8 mm孔與車床尾座套筒裝配在一起，用3個M8×25 mm螺釘與車床尾座套筒固定在一起。車削時，工件夾持在三爪自定心卡盤中，三爪自定心卡盤隨工件一起旋轉，通過一夾一拉的裝夾方式，完成工件的車削加工(見圖3)。

這種裝夾方式，由于兩端均為拉力，軸在加工中受到的徑向彎曲力減小，因此軸的彎曲變形減小，即使受切削熱影響，工件因熱膨脹增長，拉緊力也能有效地防止工件伸長變形。在相同的切削條件下，“一夾一拉”裝夾方式的加工變形只有“一夾一頂”方式的1/3～1/5。因此，“一卡一拉”的裝夾方式，一方面提高了細長軸的剛性，避免其彎曲變形，提高切削效率，另一方面提高了加工穩定性和加工精度。

3.1.3車削刀具及切削用量選擇

(1)刀具選擇：實際加工中采用了硬質合金焊接刀具，是用6 mm 寬切斷刀改制成的外圓車刀(見圖4)，方便讓位及切削。

(2)刀具材料： YW1。

(3)刀具角度： 前角 15～20°；后角6～8°；排屑槽R1～2.5 mm。

(4)切削用量：切削速度Vc=30～70 m/min ；進給量t=0.2～0.5 mm/r；背吃刀量ap=0.5～1.5 mm。

3.2磨削工藝分析

1Cr18Ni9Ti 因導熱性差，塑性大，磨削易變形，去余量困難，因此分粗磨和精磨兩次磨削。粗磨后，留精磨量0.10～0.15 mm, 然后進行人工時效，消除磨削應力，再進行精磨工序。

3.2.1砂輪的選擇及砂輪的修整

因1Cr18Ni9Ti材料塑性大，加工易變形，且易粘砂輪。磨削時采用了單晶剛玉砂輪，硬度為中軟1(K)，粒度60#。

在M1432萬能外圓磨床上磨削外圓時，常用砂輪寬度為40～50 mm，這么寬的砂輪直接磨削時，易產生較大的切削力，很容易使工件彎曲變形。在實際加工中將砂輪修整成圖5所示的形狀，減小砂輪和工件的接觸面積，以便減小切削力，防止工件加工時變形過大。

一般的金屬材料，在磨削時，由于受到磨削產生的大量磨削熱，使磨削區材料的強度急劇下降而脫落，但1Cr18Ni9Ti即使在高溫下仍有較高的硬度，導致其去除余量困難，所以磨削時應經常修整砂輪，以保證砂輪具有較鋒利的切削刃。

3.2.2中心架的改進

為減小磨削時工件的變形量和避免產生振動，在磨削加工時采用了開式中心架。

(1)原中心架的結構及存在的問題

原中心架結構如圖6所示。使用時，工件由垂直支持塊和水平撐塊支承著，垂直支持塊和水平撐塊分別有相應的旋鈕調節，調整時，百分表觸頭放在與支持塊和撐塊成45°的外圓上，轉動旋鈕調整到位(見圖7)。

該工件因外圓較小，剛性差，采用原中心架及原有的調整方法，工件的變形量不好控制，調整很困難；而且在磨削過程中，由于軸向進給，砂輪相對工件的軸向位置會不斷變化，砂輪相對工件徑向力的位置也在不斷變化，不能保證中心架相對于工件能一直保持正確的位置，在加工過程中又不能隨時檢查工件的變形量，需停機檢查，給加工帶來不便。再者1Cr18Ni9Ti 材質較軟，雖支持塊和撐塊采用的是尼龍材料，因與工件是滑動摩擦，擠屑現象的發生會導致工件劃傷，對產品質量造成不可挽回的損失。為避免上述問題的發生，對中心架進行了改進。

(2)改進后中心架的結構及使用方法

改進后的中心架(見圖8)去掉了垂直支持塊部分，將水平撐塊部分改成了滾子支撐，支撐部分與中心架中間有尼龍套，起絕緣作用。上下兩個滾子安裝在滾子支撐上，滾子支撐與安裝架鉸鏈連接，能實現滾子的自動定心。

改進后中心架的使用方法：見圖9，與指針式萬用表配合使用。 指針式萬用表的“+”“-”極分別用導線與中心架上的安裝架及尾座連接。調整中心架與工件的位置時，滾子與工件接觸的瞬間，形成回路，指針立即轉動，表明調整到位。指針從0到最大讀數值之間的擺動值為中心架支撐的移動距離0.004 mm。在磨削過程中，當切削力發生變化，致使滾子與工件不接觸時，萬能表指針的位置會發生變化，可隨即轉動旋鈕保證滾子與工件接觸。

改進后的中心架，將支撐與工件之間的滑動摩擦轉變成滾子與工件之間的滾動摩擦，減小了摩擦力及擠屑現象的發生，避免了劃傷工件；采用回路中電流通與不通的方法來測量工件與滾子的接觸情況，靈敏度高，并可實現在磨削過程中的定量調整。調整方便、簡單、精確，效果好。保證了產品質量的穩定性。

3.2.3磨削時的主要事項

(1)切削用量的選擇

磨削時，工件旋轉速度不宜過高，進給速度不宜過快，且每次磨削深度不宜超過0.05 mm，以免切入過大，增大彎曲應力，引起變形。切削液也應及時充足加入，以免燒傷。

(2)各外圓磨削順序的安排

臺階細長軸各臺階面的磨削順序直接影響工件的最終尺寸及形位公差要求。為減少各臺階面之間的相互影響，磨削多臺階細長軸時，一定要先磨兩端(剛性好的外圓)，再磨中間(剛性差的外圓)。這樣安排磨削順序，可避免先磨削剛性差外圓，再磨削剛性好的外圓時產品的的微量變形對剛性差的外圓造成大的影響。對于本工件在精磨工序，一定要先磨削φ8h6外圓，然后再磨削φ6h6外圓。

(3)夾緊力的調整

用頂尖裝夾工件時，夾緊力應盡量小，保證工件在兩頂針間無軸向竄動即可，以減小工件因頂緊力過大而引起的彈性變形，并使工件在磨削時因熱變形引起長度方向延伸時有微量的延伸余地。同時還應保證兩端中心孔內有充足的潤滑脂。

(4)采用雙撥桿

在磨削時，要采用雙撥桿來帶動工件旋轉，使撥動力得到平衡，避免工件受力不均勻，提高加工精度。

(5)工件的擺放方法

細長軸的特點是徑向不宜受力，為避免工件本身自重而使工件產生彎曲，要保持吊直擺放。

4　結語

本文對ZB48包裝機關主件1Cr18NIi9Ti 超細長軸加工中的問題進行了詳細的分析，提出了解決問題的方法，并將相應措施運用于生產實際中，提高了生產效率，保證了產品的質量，適合批量生產，并為同類零件的加工提供了可供參考的工藝方法。

[1]陳宏鈞 . 實用機械加工工藝手冊[M] . 北京：機械工業出版社，2004.

[2]王庭俊，周建華.1Cr18Ni9Ti不銹鋼的切削加工.工具技術，2008(11)：63-67.

[3]徐建高. 超細長軸車削變形和工藝方法研究. 機械設計與制造，2008(11)：131-132.

[4]陳英莫，陳波. 高精度磨削細長軸的簡單新工藝.精密制造與自動化，2005(2)：55-57.

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ZB48 packaging machine’s key parts 1Cr18Ni9Ti super- slender shaft processing

LU Weilin①, LIU Xiu’e②, QI Hongmei②

(①Xinxing Vocational Technical College, Xinxiang 453006, CHN;②Henan Branch Ping Tobacco Machinery Co., Xinxiang 453000, CHN)

In the machining process of 1Cr18Ni9Ti super- slender shaft, the problems are deformation, poor material cutting performance, poor efficiency etc. By designing the tooling pull claw, changing the clamping method, to enhance the cutting rigidity of slender shaft, not only improve the cutting efficiency, but also improve the processing stability and precision. In the grinding process, by improving the center frame and using the multimeter’s resistance to adjust center frame, to improve the grinding efficiency and accuracy; by using the "narrow wheel" to grind the workpiece, to reduce the cutting force, to prevent deformation during machining parts. Through the stress aging and the cutting parameters optimization etc. to ensure the design requirements of the parts.

key parts; super-slender shaft; 1Cr18Ni9Ti; pull claw; open type center frame; narrow grinding wheel

TH162

B

路瑋琳，女，1969年生，副教授，高級工程師，主要研究方向為鋼球加工設備和雙盤研磨機的研發，已發表文10余篇。

(編輯孫德茂)(2015-10-27)

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