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在電梯傳動系統(tǒng)中，傳動軸是傳遞轉矩而不承受彎矩的機械零件。為了達到使用性能，保證電梯的安全運行，對于傳動軸的加工有嚴格的工序要求。DHJ05系列傳動軸采用1Cr17Ni2不銹鋼材料制成，長徑比大于25，屬于細長軸類零件。細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生變形和振顫，破壞刀具和工件之間的位置關系，降低加工精度。②熱擴散性差，在切削熱的作用下，產生線膨脹。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。通過生產實踐以及與技術人員交流，探索采用沈陽一機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，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淬火，有效地減少轉變過程中裂紋的產生，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系列電梯的年產量為800臺，其傳動軸的生產類型為中小批量生產。傳動軸零件如圖1所示。

圖1 傳動軸零件

　?。?）車削加工工藝。毛坯φ 35mm × 805mm ，材質為1Cr17Ni2不銹鋼，是低碳鉻鎳型耐蝕鋼，具有較高的強度、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細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φ 35mm×200mm處，以增加工件的剛度。采用45°硬質合金車刀粗車右端面，鉆中心孔。調頭后粗車左端面，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0.08mm。粗車后采用校直機對傳動軸進行調直，使跳動小于0.04mm。

　?。?）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，兩者間為滑動摩擦，極易產生摩擦過熱。當支承毛坯工件時，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，必須經常調整支承爪（見圖2）。當支承已加工表面時，中心架支承爪又易擦傷、拉毛、咬壞已加工表面，影響工件的加工質量和表面粗糙度。

圖2 磨損后的支撐爪

　　對原有中心架結構進行改進，設計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、極限轉速高、結構簡單、成本低，而且非常耐用，無需經常維護。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中找正。試棒裝夾在三爪自定心卡盤上，中心架架在導軌上，百分表裝在表架上，測量主軸的跳動，反復調整中心架支承爪，直到指針指在0.01mm范圍內，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致誤差增大的問題。

　　2. 精加工階梯軸

　?。?）分級淬火熱處理。以前采用的熱處理方法是單介質淬火和低溫回火。由于奧氏體比馬氏體的密度大，因此奧氏體向馬氏體轉變的過程中，因體積變化產生熱應力和相變應力，導致工件產生裂紋。傳動軸在使用過程中易發(fā)生斷裂，不僅給生產企業(yè)造成經濟損失，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，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的感應器內，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，即稍高于馬氏體轉變溫度點，保溫2～5min，待其表面與心部的溫度均勻后取出，吹風冷卻，使之發(fā)生馬氏體轉變，如圖4所示，其目的是減少內應力，防止轉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上，降低淬火應力，提高韌性。硬度為45～50HRC、抗拉強度σ b≥850MPa、伸長率δ=5%。

　?。?）刀具選擇。以前的精加工方法是用TiAlN涂層硬質合金車刀精車傳動軸后，在M1432A磨床上進行精磨。精車時，a p=0.2mm、f=0.1mm/r、n=300r/min。硬質合金車刀車削淬火鋼的缺點是刀具磨損快、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，產生受迫振動和自激振動，使傳動軸表面產生直波振紋和多角振紋并出現(xiàn)徑向跳動誤差。傳動軸自重產生的撓度會使其在加工中產生讓刀現(xiàn)象，導致被加工表面出現(xiàn)素線不直的缺陷。

　　（3）采用PCBN車刀。針對傳動軸材質的特點，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粉末和結合劑經超高壓高溫燒結而成，維氏織，在保證淬火后的高硬度和耐磨性的基礎上，降低淬火應力，提高韌性。硬度為45～50HRC、抗拉強度σ b≥850MPa、伸長率δ=5%。

圖5 PCBN車刀

　　傳動軸經過兩次熱處理后，硬度達到 4 5 ～ 50HRC 。HTC40系列數(shù)控車床的卡盤直徑 為 2 54mm 、車削長度為1 030m m、重復定位精度為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，應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，切削表面不產生積屑瘤，表面質量高，但切削力比較大，所以刀具宜采用負前角≥－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=1 200r/min，走兩刀完成精車余量的車削，打樣時走一刀后，根據(jù)測量結果進行調整。主軸轉速的選擇與數(shù)控車床的穩(wěn)定性有關，轉速過低時不能發(fā)揮PCBN車刀的切削性能，轉速太高時機床會產生振動，從而加劇刀片損壞，因此主軸轉速的選擇應結合所用車床型號。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：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車刀相對硬質合金車刀的價格偏高，造成加工成本上升，但將磨床等設備投資攤入生產成本，綜合測算后成本大幅降低，既節(jié)省人員、設備投資、占地面積，又符合柔性生產要求。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

　?。?）存在的問題及解決方法。

　　工件振顫：由于細長軸的剛性不足，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生向下或向上的徑向力，使工件產生振顫。刀片的主偏角大于0°，此時車刀對工件具有適當?shù)膹较蛄?，能消除部分振顫，使切削平穩(wěn)，尾座套筒的伸出長度不宜過長。

　　工件熱變形伸長：雖然PCBN車刀具有良好的導熱性，不加切削液同樣可達到理想的加工質量和較長的使用壽命，但高速車削導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，因為CBN易在1 000℃產生水解作用，造成刀具嚴重磨損。②采用彈性回轉。當工件受熱伸長時，有向后退讓的余量，防止工件產生彎曲變形。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的松緊，進行調整。

　?。?）PCBN車刀使用注意事項。使用時除參照刀片切削用量表外，還應根據(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，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，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，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PCBN 車刀的沖擊力。

　　3. 加工工藝過程

　　傳動軸的加工工藝過程如表2所示。

表2 傳動軸加工工藝過程

　　4. 結語

　　細長軸類工件雖然結構簡單，但由于本身的形狀特點致使加工難度大，被認為是車削中的難題之一。通過在粗加工中采用帶滾動軸承的新型中心架，在熱處理中采用分級淬火，在精加工中采用PCBN車刀，探索出電梯傳動軸數(shù)控車削的有效方法。但在控制溫升、變形、振顫及工藝設計等方面仍然存在進一步改進的空間。