在電梯傳動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)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(duì)于傳動(dòng)軸的加工有嚴(yán)格的工序要求。DHJ05系列傳動(dòng)軸采用1Cr17Ni2不銹鋼材料制成，長(zhǎng)徑比大于25，屬于細(xì)長(zhǎng)軸類零件。細(xì)長(zhǎng)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(huì)因伸長(zhǎng)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(dòng)軸的有效方法，主要包括：①在粗加工中采用帶滾動(dòng)軸承的新型中心架，黃銅管減少觸頭磨損，降低形位誤差。②在熱處理中采用分級(jí)淬火，有效地減少轉(zhuǎn)變過程中裂紋的產(chǎn)生，防止傳動(dòng)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(tái)，其傳動(dòng)軸的生產(chǎn)類型為中小批量生產(chǎn)。傳動(dòng)軸零件如圖1所示。
圖1 傳動(dòng)軸零件
?。?）車削加工工藝。毛坯φ 35mm × 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φ 35mm×400mm處。為了減少徑向切削力對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的影響，通過自制帶軸承的新型中心架支撐在φ 35mm×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(gè)中心孔的軸線和尺寸一致，此時(shí)保證總長(zhǎng)796mm。粗車外圓時(shí)采用85°硬質(zhì)合金車刀、5 m m切槽刀、6 0°螺紋車刀，一夾一頂裝夾方式分段車削， a p=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×φ 15mm、φ 26mm × 37.1mm 、 5mm ×φ 20mm、φ 31mm×112.4mm、5mm ×φ 25mm 和φ 33mm ×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(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行調(diào)直，使跳動(dòng)小于0.04mm。
?。?）采用帶滾動(dòng)軸承的中心架。批量加工時(shí)，由于工件在中心架的支承下旋轉(zhuǎn)，兩者間為滑動(dòng)摩擦，極易產(chǎn)生摩擦過熱。當(dāng)支承毛坯工件時(shí)，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(shí)又有劇烈的跳動(dòng)，必須經(jīng)常調(diào)整支承爪（見圖2）。當(dāng)支承已加工表面時(shí)，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(duì)原有中心架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出帶滾動(dòng)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(hào)為608的深溝球軸承，其內(nèi)徑為φ 8 0-0.007mm、外徑為φ 22 0-0.008mm、寬度為7 0-0.12mm。該類軸承的摩擦系數(shù)小、極限轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)13mm的溝槽，并在兩側(cè)鉆出通孔φ 8-0.02-0.03m m，在車床上車出銷釘φ 8+0.03-0.02 mm。軸承與銷釘采用基孔制配合φ 8H7/s5，銷釘與通孔采用基軸制配合φ 8S7/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(duì)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(cè)量主軸的跳動(dòng)，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(dòng)軸承的新型中心架用滾動(dòng)摩擦代替普通中心架的滑動(dòng)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
?。?）分級(jí)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(dòng)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(huì)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(cè)后，提出將工件粗加工后的熱處理工藝改進(jìn)為分級(jí)淬火和低溫回火。
分級(jí)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950～1 050℃，保溫50min。取出工件后放入溫度為1 210℃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(jí)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σ b≥850MPa、伸長(zhǎng)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(dòng)軸后，在M1432A磨床上進(jìn)行精磨。精車時(shí)，a p=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(gè)工件后需要更換刀具。傳動(dòng)軸在磨床上精磨時(shí)需要再次定位，產(chǎn)生定位誤差，影響加工精度。傳動(dòng)軸在磨削力和磨削熱的作用下，產(chǎn)生受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，使傳動(dòng)軸表面產(chǎn)生直波振紋和多角振紋并出現(xiàn)徑向跳動(dòng)誤差。傳動(dòng)軸自重產(chǎn)生的撓度會(huì)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。
?。?）采用PCBN車刀。針對(duì)傳動(dòng)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σ b≥850MPa、伸長(zhǎng)率δ=5%。
圖5 PCBN車刀
傳動(dòng)軸經(jīng)過兩次熱處理后，硬度達(dá)到 4 5 ～ 50HRC 。HTC40系列數(shù)控車床的卡盤直徑 為 2 54mm 、最大車削長(zhǎng)度為1 030m m、重復(fù)定位精度為0.006mm。三爪自定心卡盤裝夾毛坯左端φ 33mm×400mm處，中心架支撐在φ 33mm×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(shí)，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(shí)采用35°PCBN車刀，ap=0.3mm、f=0.1mm/r、n=1 200r/min，走兩刀完成精車余量的車削，打樣時(shí)走一刀后，根據(jù)測(cè)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(shí)不能發(fā)揮PCBN車刀的切削性能，轉(zhuǎn)速太高時(shí)機(jī)床會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，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(hào)。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(dòng)軸可以從刀具壽命、加工精度及工時(shí)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(shí)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(duì)硬質(zhì)合金車刀的價(jià)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(cè)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(gè)表面加工，減少定位、裝夾次數(shù)，從而減少誤差，兩者的對(duì)比如表1所示。
表1 硬車削與車削+磨削對(duì)比
?。?）存在的問題及解決方法。
工件振顫：由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性不足，且車削階梯軸時(shí)不便使用跟刀架在加工時(shí)容易產(chǎn)生振顫。
解決方法：在車刀裝夾時(shí)，刀尖中心低于主軸中心 0.1 ～0.2mm，刀尖過高或過低會(huì)對(duì)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(shí)車刀對(duì)工件具有適當(dāng)?shù)膹较蛄?，能消除部分振顫，使切削平穩(wěn)，尾座套筒的伸出長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)。
工件熱變形伸長(zhǎng)：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(zhǎng)的使用壽命，但高速車削導(dǎo)致工件熱變形軸向伸長(zhǎng)。
解決方法：①使用非水溶性切削液。PCBN車刀車削淬硬鋼時(shí)，濕式切削比干式切削壽命要長(zhǎng)，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1 000℃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(zhǎng)時(shí)，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(shí)觀察頂尖的松緊，進(jìn)行調(diào)整。
?。?）PCBN車刀使用注意事項(xiàng)。使用時(shí)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(shí)，v c=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，a p≤0.3mm。②車床工藝系統(tǒng)：硬車削時(shí)，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(shí)，懸伸長(zhǎng)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(shí)，最易發(fā)生沖擊，使刃口破裂。使用PCBN 車刀前，先將冷硬層粗車一次，以減小對(duì)PCBN 車刀的沖擊力。
3. 加工工藝過程
傳動(dòng)軸的加工工藝過程如表2所示。
表2 傳動(dòng)軸加工工藝過程
4. 結(jié)語
細(xì)長(zhǎng)軸類工件雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于本身的形狀特點(diǎn)致使加工難度大，被認(rèn)為是車削中的難題之一。通過在粗加工中采用帶滾動(dòng)軸承的新型中心架，在熱處理中采用分級(jí)淬火，在精加工中采用PCBN車刀，探索出電梯傳動(dòng)軸數(shù)控車削的有效方法。但在控制溫升、變形、振顫及工藝設(shè)計(jì)等方面仍然存在進(jìn)一步改進(jìn)的空間。
