在电梯传动系统中,传动轴是传递转矩而不承受弯矩的机械零件。为了达到使用性能,保证电梯的安全运行,对于传动轴的加工有严格的工序要求。DHJ05系列传动轴采用1Cr17Ni2不锈钢材料制成,长径比大于25,属于细长轴类零件。细长轴加工难度大的主要原因有:①工艺刚性差,在加工过程中易受到切削力、夹紧力等外力作用而产生变形和振颤,破坏刀具和工件之间的位置关系,降低加工精度。②热扩散性差,在切削热的作用下,产生线膨胀。如果两端为固定支承,则轴会因伸长而顶弯,出现椭圆形、圆锥形、腰鼓形及竹节形弯曲等情况,造成圆度和圆柱度误差。通过生产实践以及与技术人员交流,探索采用沈阳一机HTC40系列数控车床批量加工传动轴的有效方法,主要包括:①在粗加工中采用带滚动轴承的新型中心架,黄铜管减少触头磨损,降低形位误差。②在热处理中采用分级淬火,有效地减少转变过程中裂纹的产生,防止传动轴在使用过程中发生断裂。③在精加工中采用PCBN车刀,以车代磨,提高加工精度和加工效率。

1. 粗加工阶梯轴

DH-J05系列电梯的年产量为800台,其传动轴的生产类型为中小批量生产。

(1)车削加工工艺。毛坯φ 35mm × 805mm ,材质为1Cr17Ni2不锈钢,是低碳铬镍型耐蚀钢,具有较高的强度、硬度及良好的耐蚀性。采用三爪自定心卡盘装夹毛坯左端φ 35mm×400mm处。为了减少径向切削力对细长轴弯曲变形的影响,通过自制带轴承的新型中心架支撑在φ 35mm×200mm处,以增加工件的刚度。采用45°硬质合金车刀粗车右端面,钻中心孔。调头后粗车左端面,钻中心孔,保证2个中心孔的轴线和尺寸一致,此时保证总长796mm。粗车外圆时采用85°硬质合金车刀、5 m m切槽刀、6 0°螺纹车刀,一夹一顶装夹方式分段车削, a p=0.5mm 、n=800r/min、f=0.1mm/r。粗车后各阶段外圆尺寸分别为: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。各外圆精车余量为0.5mm,Ra<0.8μm,尺寸精度可达0.08mm。粗车后采用校直机对传动轴进行调直,使跳动小于0.04mm。

(2)采用带滚动轴承的中心架。批量加工时,由于工件在中心架的支承下旋转,两者间为滑动摩擦,极易产生摩擦过热。当支承毛坯工件时,由于待加工表面比较粗糙、圆度较差,造成中心架支承爪的圆弧面磨损严重、间隙增大、支承爪的圆弧面与工件表面接触不良,同时又有剧烈的跳动,必须经常调整支承爪。当支承已加工表面时,中心架支承爪又易擦伤、拉毛、咬坏已加工表面,影响工件的加工质量和表面粗糙度。

对原有中心架结构进行改进,设计出带滚动轴承的新型中心架。制作过程:根据支承爪的尺寸选用型号为608的深沟球轴承,其内径为φ 8 0-0.007mm、外径为φ 22 0-0.008mm、宽度为7 0-0.12mm。该类轴承的摩擦系数小、极限转速高、结构简单、成本低,而且非常耐用,无需经常维护。主要用来承受径向载荷,也可以承受一定量的径、轴向联合载荷。在支承爪端部铣出9个13mm的沟槽,并在两侧钻出通孔φ 8-0.02-0.03m m,在车床上车出销钉φ 8+0.03-0.02 mm。轴承与销钉采用基孔制配合φ 8H7/s5,销钉与通孔采用基轴制配合φ 8S7/h7。

支承爪装配到中心架上后,采用试棒和百分表对中找正。试棒装夹在三爪自定心卡盘上,中心架架在导轨上,百分表装在表架上,测量主轴的跳动,反复调整中心架支承爪,直到指针指在0.01mm范围内,即保证中心架中心与主轴中心一致。带滚动轴承的新型中心架用滚动摩擦代替普通中心架的滑动摩擦,降低摩擦热,从根本上解决了由于支承爪磨损导致误差增大的问题。

2. 精加工阶梯轴

(1)分级淬火热处理。以前采用的热处理方法是单介质淬火和低温回火。由于奥氏体比马氏体的密度大,因此奥氏体向马氏体转变的过程中,因体积变化产生热应力和相变应力,导致工件产生裂纹。传动轴在使用过程中易发生断裂,不仅给生产企业造成经济损失,更重要的是将会给乘客的安全带来隐患。

通过观察易断裂处附近金相试样及多次热处理试验,在查阅金属材料热处理手册后,提出将工件粗加工后的热处理工艺改进为分级淬火和低温回火。

分级淬火工艺:将工件放到高频淬火机的感应器内,高频加热到950~1 050℃,保温50min。取出工件后放入温度为1 210℃的盐浴炉中,即稍高于马氏体转变温度点,保温2~5min,待其表面与心部的温度均匀后取出,吹风冷却,使之发生马氏体转变,如图4所示,其目的是减少内应力,防止转变过程中的变形和开裂。

低温回火工艺:将冷却后的工件放入电炉,加热到275~350℃,保温150min后取出,吹风冷却。目的是得到马氏体组织,在保证淬火后的高硬度和耐磨性的基础上,降低淬火应力,提高韧性。硬度为45~50HRC、抗拉强度σ b≥850MPa、伸长率δ=5%。

(2)刀具选择。以前的精加工方法是用TiAlN涂层硬质合金车刀精车传动轴后,在M1432A磨床上进行精磨。精车时,a p=0.2mm、f=0.1mm/r、n=300r/min。硬质合金车刀车削淬火钢的缺点是刀具磨损快、切削效率低,通常车削完一个工件后需要更换刀具。传动轴在磨床上精磨时需要再次定位,产生定位误差,影响加工精度。传动轴在磨削力和磨削热的作用下,产生受迫振动和自激振动,使传动轴表面产生直波振纹和多角振纹并出现径向跳动误差。传动轴自重产生的挠度会使其在加工中产生让刀现象,导致被加工表面出现素线不直的缺陷。

(3)采用PCBN车刀。针对传动轴材质的特点,提出在精车阶段采用PCBN车刀,即聚晶立方氮化硼车刀,如图5所示。PCBN刀片通过CBN粉末和结合剂经超高压高温烧结而成,维氏织,在保证淬火后的高硬度和耐磨性的基础上,降低淬火应力,提高韧性。硬度为45~50HRC、抗拉强度σ b≥850MPa、伸长率δ=5%。

传动轴经过两次热处理后,硬度达到 4 5 ~ 50HRC 。HTC40系列数控车床的卡盘直径 为 2 54mm 、最大车削长度为1 030m m、重复定位精度为0.006mm。三爪自定心卡盘装夹毛坯左端φ 33mm×400mm处,中心架支撑在φ 33mm×200mm处,采用一夹一顶装夹方式分段硬车削。硬车削是指把淬硬钢的精加工由磨削改为车削的工艺方法。采用硬车削时,应合理选择刀具和车床工艺系统。刀具的材料一般选择硬度高、耐磨性好、热稳定性好的陶瓷、PCBN材料。淬硬钢切屑为带状,脆性大、易折断、不粘结,切削表面不产生积屑瘤,表面质量高,但切削力比较大,所以刀具宜采用负前角≥-5°和较大的后角10°~15°,主偏角一般取45°~60°,以减少工件和刀具振颤,车床系统应具有足够的刚性。

精车外圆时采用35°PCBN车刀,ap=0.3mm、f=0.1mm/r、n=1 200r/min,走两刀完成精车余量的车削,打样时走一刀后,根据测量结果进行调整。主轴转速的选择与数控车床的稳定性有关,转速过低时不能发挥PCBN车刀的切削性能,转速太高时机床会产生振动,从而加剧刀片损坏,因此主轴转速的选择应结合所用车床型号。精车后的表面粗糙度值Ra=0.4μm,加工精度达到IT6。

使用PCBN车刀加工传动轴可以从刀具寿命、加工精度及工时等方面保证加工质量,提高加工效率。与车削+磨削工艺相比,使用PCBN车刀以车削代替磨削完成精加工有以下优点:①加工效率高。免去磨削中再次定位、装夹,减少换刀次数,车削的金属切除率是磨削的3~4倍,使单件加工时间由以前的2.5h缩短为1.5h,加工效率提高67%。②加工成本低。PCBN车刀相对硬质合金车刀的价格偏高,造成加工成本上升,但将磨床等设备投资摊入生产成本,综合测算后成本大幅降低,既节省人员、设备投资、占地面积,又符合柔性生产要求。③加工精度满足图样要求。在一次装夹中完成多个表面加工,减少定位、装夹次数,从而减少误差。

(4)存在的问题及解决方法。

工件振颤:由于细长轴的刚性不足,且车削阶梯轴时不便使用跟刀架在加工时容易产生振颤。

解决方法:在车刀装夹时,刀尖中心低于主轴中心 0.1 ~0.2mm,刀尖过高或过低会对工件产生向下或向上的径向力,使工件产生振颤。刀片的主偏角大于0°,此时车刀对工件具有适当的径向力,能消除部分振颤,使切削平稳,尾座套筒的伸出长度不宜过长。

工件热变形伸长:虽然PCBN车刀具有良好的导热性,不加切削液同样可达到理想的加工质量和较长的使用寿命,但高速车削导致工件热变形轴向伸长。

解决方法:①使用非水溶性切削液。PCBN车刀车削淬硬钢时,湿式切削比干式切削寿命要长,使用切削液可吸收切削热,有效降低前后刀面的磨损速度,但必须使用非水溶性切削液,因为CBN易在1 000℃产生水解作用,造成刀具严重磨损。②采用弹性回转顶尖。当工件受热伸长时,顶尖有向后退让的余量,防止工件产生弯曲变形。顶尖的松紧以刚顶上工件为宜,不宜过紧,并在切削过程中随时观察顶尖的松紧,进行调整。

(5)PCBN车刀使用注意事项。使用时除参照刀片切削用量表外,还应根据车床、工件等情况合理选择。①切削用量:切削速度要根据被加工材料选择。切削硬度为50~60HRC的淬硬钢时,v c=80~120m/min,切削速度过低,不能发挥PCBN车刀的切削性能。f≤0.2mm/r,a p≤0.3mm。②车床工艺系统:硬车削时,径向力很大,要求车床的系统刚性要好、功率要大。PCBN车刀装夹时,悬伸长度尽量短,以防止刀杆颤振和变形。③切削硬度高和不规则的工件:PCBN刀片较脆,在工件表面有夹渣、砂眼、凹凸不平时,最易发生冲击,使刃口破裂。使用PCBN 车刀前,先将冷硬层粗车一次,以减小对PCBN 车刀的冲击力。

3. 加工工艺过程

传动轴的加工工艺过程。

4. 结语

细长轴类工件虽然结构简单,但由于本身的形状特点致使加工难度大,被认为是车削中的难题之一。通过在粗加工中采用带滚动轴承的新型中心架,在热处理中采用分级淬火,在精加工中采用PCBN车刀,探索出电梯传动轴数控车削的有效方法。但在控制温升、变形、振颤及工艺设计等方面仍然存在进一步改进的空间。