CN112122893A - 一种电跳动转子轴的精加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转子轴精加工后成品总长度达到≥3744mm,铁芯直径≥φ1000mm，成品重量≥6258kg，主要用于石油勘探设备、船用电机等高端产品应用领域，在原材料上采用电渣重熔锭，调整材料利用率为65%，锻造前锯除冒口与水口端，提高原材料的纯度。制定合理的锻造工艺，锻造采用两镦两拔成形工艺；制定合理的热处理工艺，以消除应力和细化晶粒，根据强度等级要求，编制最终热处理工艺，使产品机械性能符合使用要求；在粗加工留单边1.5mm余量后增加180℃低温消应热处理，去除切削机加工应力。机加工方面采用粗加工—半精加工—低温消应热处理—修中心孔‑精车‑铣加工键槽‑精修中心孔‑磨削镶铁芯档位‑热镶铁芯‑粗磨‑精磨‑抛光挤压‑电跳动检测‑包装发货的工艺流程。

Description

一种电跳动转子轴的精加工方法

技术领域

本发明涉及一种转子轴精加工后成品总长度达到≥3744mm,铁芯直≥径φ1000mm，成品重量≥6258kg，主要用于石油勘探设备、船用电机等高端产品应用领域，属转子轴制造领域。

背景技术

本特利电跳动转子轴做为电机的核心零件相较于其它转子轴增加通过本特利电跳动检测仪器的检测要求。因电跳动的检测要求高，对转子轴的材料、热处理及精加工、检测等方面提出了非常高的要求，之前因产品成品率低原因某国际电机领域知名公司一直将该项目放在芬兰工厂生产，目前国内尚无厂家制造该产品。

发明内容

设计目的：设计一种长度达≥3744mm、≥轴身直径φ320，铁芯直径≥φ1000且能够完全满足电跳动检测值＜11.4um；零件关键档位尺寸公差＜0.019mm；零件关键档位圆度达到0.003mm，同心度0.005mm，直线度0.01mm；本特利电跳动档位粗糙度＜Ra0.4的镜面要求的电跳动转子轴的精加工方法。

设计方案：为了实现上述设计目的。1. 材料与热处理方面：在原材料上采用电渣重熔锭，调整材料利用率至65%，锻造前锯除冒口与水口端，提高原材料的纯净度。制定合理的锻造工艺，锻造采用两镦两拔成形工艺；制定合理的热处理工艺，以消除应力和细化晶粒，根据强度等级要求，编制最终热处理工艺，使产品机械性能符合使用要求；在粗加工留单边1.5mm后增加180℃低温消应热处理，去除切削机加工应力。

2. 本特利的加工方面：转子轴的精度主要根据电跳动的要求特点，从以下几个方面进行保证，首先编制合理科学的工艺方案指导生产过程：粗加工—半精加工—低温消应热处理—修中心孔---精车---铣加工键槽---精修中心孔---磨削镶铁芯档位---热镶铁芯---粗磨---精磨---抛光挤压---电跳动检测---包装发货的工艺流程。其次在加工过程中设计制作自制研磨顶尖、改造中心架提高中心孔的圆度与粗糙度，提高转子轴加工过程中的关键过程质量控制。同时对磨削砂轮的匹配性与挤压等过程细节进行试验研究，优化过程参数，提高转子轴的加工精度。

3. 本特利的检测方面：转子轴的本特利电跳动检测灵敏度非常高，检测时的环境、机床自身运转产生的细微振动都将会直接影响测量结果，所以需要从减少外部环境对本特利电跳动检测数据的干扰及提高检测系统刚度，提高检测稳定性方面着手设计测量方法与制作项目过程的工装夹具。检测时采用双向千分表调整工件至机床旋转中心，两端托架平稳支承工件，头架处使用迪尼玛吊带以柔性联接方式做检测旋转动力传递，消除头架传动电机的振动，还原本特利电跳动的真实检测数值。

4. 化学成分要求

本特利电跳动转子轴产品材料牌号：42CrMo4，其化学成分如表1所示。表1 化学成分（质量分数，%）。

5. 力学性能要求

根据客户图纸及规范要求，本特利电跳动转子轴力学性能均需满足如表2要求：

表2 本特利电跳动转子轴产品力学性能要求。

6. 锻件表面质量及超声波探伤应符合客户规范要求。

本特利电跳动检测值＜11.4um；零件关键档位尺寸公差＜0.019mm；零件关键档位圆度达到0.003mm，同心度0.005mm，直线度0.01mm；本特利电跳动档位粗糙度＜Ra0.4的镜面要求。

7.技术分析：电跳动概述：转子轴在加工完成后，由于加工误差的存在，被测件绕基准轴线作无轴向移动的旋转，在回转一周过程中，指示表的最大和最小读数之差称为该测量截面上的径向圆跳动。这部分误差反映的是通常所说的机械加工所导致的零件表面轮廓偏差，因而称为机械跳动。而大型转子轴零件经过锻造、表面处理等加工过程后，其表面电磁性质出现变化以致分布不均的问题。电磁性质的变化可在零件回转时被电涡流传感器识别为位移的偏移，而实际上这个位移的偏移量不是真实存在的。类比机械跳动，这部分偏移量称为电跳动，它是被测金属表面材料电磁性质不均匀的一种度量。

电跳动转子轴的技术应用：转子轴做为电机设备的关键部件和工作主体，其性能好坏直接影响功耗和可靠性。转子系统的振动会产生噪声、加快磨损、降低机器的使用寿命和工作效率，严重时使元器件破坏，造成事故。因此，转子系统通过安装电涡流传感器进行振动监测，防止其因过度振动在而损毁。

此次提出开发的转子轴即为该类电机是使用，较普通转子轴增加了API(美国石油协会标准)的电跳动验收要求，检测设备为美国本特利（Bently Nevada）公司的电跳动检测仪器。因电跳动的检测通过难度大，所以对转子轴的材料、热处理及精加工、检测等方面均提出了非常高的要求。转子轴精加工后成品总长度达到3744mm,铁芯直径φ1000mm，成品重量6258kg，属于大型电机转子轴范畴，本次试制的主要内容包括：

1）表面材料的电磁性质分布差异与均匀性、致密性等对于电跳动的检测误差具有重要的影响，在原材料上采用电渣重熔锭，降低材料利用率，制定合理的锻造工艺，锻造采用两镦两拔成形工艺；制定合理的热处理工艺，以消除应力和细化晶粒；根据强度等级要求，编制最终热处理工艺，使产品机械性能符合使用要求；

2）转子轴的各公差要求非常高，要求档位尺寸公差＜0.02mm，圆度与同心度形位要求均达到到微米级，对于精加工的精度控制具有较大的挑战。形位公差中的跳动做为衡量转子轴优良的重要指标，也是决定本特利电跳动轴是否合格的关键条件。本特利电跳动的检测为综合跳动，内容包括电跳动（Electrical Runout ,ERO ）和机械跳动（MechanicalRunout , MRO ）两部分，分别体现转子轴零件表面电磁性质不均性和机械加工误差。圆度与形位公差不仅做为电跳动的检测基础，同时也需要控制在尽可能小的数值，以提高本特利电跳动的合格率。

3）工件的粗糙度图中要求档位均在Ra1.6以上，其中本特利档需要达到Ra0.4以下的镜面要求。表面粗糙度是转子轴高速运转条件下影响寿命与功耗的重要因素，同时也与电跳动检测有较大关联，所以在精加工过程中提高磨削工件的微观质量，并通过合理的抛光挤压工具对粗糙度的保证和电跳动检测都是非常有必要的。

4 ）转子轴的本特利电跳动检测灵敏度非常高，检测时的环境、机床自身运转产生的细微振动都将会直接影响测量结果，所以在测量时需要设计能减少外部对检测数据干扰，提高检测稳定性的测量方法与设计制作项目过程所需的工装夹具。

采用本发明方法，实现了一是本特利电跳动检测值＜11.4um；二是零件关键档位尺寸公差＜0.019mm；三是零件关键档位圆度达到0.003mm，同心度0.005mm，直线度0.01mm；四是本特利电跳动档位粗糙度＜Ra0.4的镜面要求。

附图说明

图1是电跳动转子轴产品示意图。

图2是本特利电跳动转子轴毛坯锻件示意图。

图3是钢锭加热曲线示意图。

图4是锻后热处理曲线示意图。

图5是性能热处理曲线示意图。

图6是半精加工产品示意图。

图7是图1产品制造过程中抛光挤压照片。

图8是本特利电跳动转子轴产品安装后照片。

图9是研磨顶尖的结构示意图，1.研磨头为球墨铸铁，锥度通过工具磨加工出准确的角度；序号2为莫氏锥柄，材质为合金钢，与机床尾座联接；序号3为淬火钢球，通过序号4钢球端盖固定于序号1研磨头；序号5为钢球底座，球面做表面淬火处理提高表面耐磨；序号6为O型橡胶圈。

具体实施方式

参照附图1-9。本特利电跳动转子轴锻件毛坯重达2.302 t，锻造选用材料规格为3t电渣重熔锭，一锭锻制一件；锻造比7.2；锻造温度：1180℃～850℃。本特利电跳动转子轴毛坯锻件图如图2。

1、钢锭加热：

42CrMo4材料3t电渣重熔锭采用两段式进行加热，具体的加热工艺如图3。

2、锻造过程：

钢锭镦粗，拔600八角约1150长；二次镦粗，拔370八角，分料压台；拔长，完工。

3、锻后热处理：

锻后热处理对锻件内部质量和下一步的性能热处理有着重大的影响，因此，为了消除本特利电跳动转子轴锻件的锻造内应力，细化晶粒，使组织均化，降低硬度，更有利于切削加工，为进一步热处理作组织上的准备，特制定了随炉升温至880±10℃，保温8小时后空冷；再随炉升温至650±10℃，保温44小时后随炉冷却工艺，具体的工艺曲线如图4。

4、性能热处理：调质热处理的质量好坏，直接影响本特利电跳动转子轴锻件最终能否获得较高的强度和良好的冲击韧性值，因此特制定随炉升温至840±10℃，保温7小时后水冷10分钟转油冷30分钟的淬火工艺；再随炉升温至600±10℃，保温12小时后炉冷400℃后空冷，具体的工艺曲线如图5。

机械加工关键工序及创新点分析：根据转子轴的结构分析，工件直径较细且镶铁芯后重量集中在工件中间区域，对于切削加工容易产生振动影响产品表面质量的达到，根据工件的要求设计制作中心托瓦增加产品加工刚性，达到切削平稳保证粗糙度的基础条件。同时经试验发现正常磨削后微观情况下的波峰波谷对本特利电跳动的检测也有较大的影响，所以需要在磨削后对本特利电跳动档位增加抛光挤压的工序，经多次试验比较最后使用金刚石挤压刀具结合完整的操作方法，对电跳动的检测数据稳定起到了非常好的作用。

1、半精加工：根据精加工图纸的尺寸设计半精加工图纸，单边留余量1.5mm均匀加工出轴身各档尺寸（见附图6）。

2、消应热处理为降低应力对于本特利电跳动的影响，在半精加工后安排180℃的低温消应力热处理。

3、精车：消应力后重修两端中心孔，两顶装夹精车全轴各档尺寸留径向磨削余量0.8～1mm，数控镗铣床双V型架装夹，校正工件上母线与侧母线后粗、精铣键槽与两端螺纹。

4、磨削镶铁芯档位：两顶装夹磨削镶铁芯φ320u6等档位尺寸，粗糙度Ra1.6，同时为使在镶铁芯后二次磨削的基准与镶铁芯档位保持0.02的同心度，在轴两端φ200位置磨出基准架位。

5、镶铁芯：将铁芯在加热炉中整体加热后安装转子轴。

6、重修中心孔：数控车床按镶铁芯前磨削的同心基准做为中心架位，卡爪端校正0.005mm径向跳动范围，为提高中心孔的精度首先将原有滚轮式中心架结构改进为以锡基巴氏合金（ZSnSb11Cu6）材质的托瓦，转子轴在保持润滑的托瓦上做转动消除了原先滚轮式结构因滚轮、回转轴承制造、装配无法满足高精度的使用需求。使用车刀车削出中心孔角度后，使用公司技术团队设计的研磨顶尖加注研磨剂研磨中心孔，进一步提高中心孔的精度。

7、二次磨削：数控外圆磨床使用两端中心孔做为定位基准，床头端使用鸡心夹头传动方式装夹。靠近铁芯段使用锡基巴氏合金（ZSnSb11Cu6）托瓦中心架辅助支承，双向打表上母线与侧母线校正工件各基准在同一直线。磨削除本特利电跳动档外其余档位外圆至图纸上差要求，本特利档位粗磨留量0.1mm，其中两端轴承档在保证公差与粗糙度同时做为本特利电跳动的检测基准，还需要严格控制＜0.003mm的圆跳动与平行度要求。在磨削本特利电跳动档位中通过以下细节提高磨削质量：1）虽然做为精密的数控磨床设备，机床的制造精度较普通机床制造的更为严格，但考虑到机床头架端做为传动端，在旋转过程中仍会传导部分细微的振动波，这些振动在磨削常规产品时完全可以忽略，但对于本特利电跳动轴表面的磨削来讲是必须要克服的，所以将本特利电跳动两档的磨削全部通过在远离床头端的床尾位置磨削加工；2）在加工本特利电跳动前将砂轮重新在平衡支架上使用00级大理石和高精度水平尺做静平衡，以减少砂轮旋转下的不平衡量引起的微小振动；3）精磨本特利表面前使用金刚石砂轮修整器修整砂轮，一方面减少砂轮旋转后的动态不平衡量；另一方面使修整后的砂轮达到最佳的粗糙度加工范围。

8、抛光挤压：在数控车床上以两端中心孔为基准，中间段巴氏合金托瓦支撑，调整在两端外圆径向跳动＜0.01mm后通过挤压工艺提高本特利电跳动位置的精度；挤压工艺为一种无屑的精加工方法，通过以淬火钢、金刚石等较切削加工材料硬度更高做为挤压头，在合理的切削速度与挤压深度下将机加工后的表面波峰挤压至波谷中，以提高表面粗糙度与疲劳强度。在本项目中通过试验比较，最终挤压工具为以金刚石挤压头，刀具内部具有压缩弹簧结构的挤压刀具，以减少金属挤压头与本特利电跳动表面的亲和反应，在通过挤压深度的调整使压缩弹簧变形达到所需的挤压力。项目产品经过挤压后稳定提高本特利电跳动3～10um数值，对于产品的质量具有较大的实际改善作用。

9、本特利电跳动检测：转子轴的本特利电跳动检测灵敏度非常高，检测时的环境、机床自身运转产生的细微振动都将会直接影响测量结果，所以需要从减少外部环境对本特利电跳动检测数据的干扰及提高检测系统刚度，提高检测稳定性方面着手设计测量方法与制作项目过程的工装夹具。检测时采用双向千分表调整工件至机床旋转中心，两端托架平稳支承工件，头架处使用迪尼玛吊带以柔性联接方式做检测旋转动力传递，消除头架传动电机的振动，还原本特利电跳动的真实检测数值。

研磨顶尖中的研磨头1末端通过淬火钢球3、钢球端盖4及钢球底座5与莫氏锥柄2端面的凹槽匹配， O型橡胶圈6位于研磨头1与莫氏锥柄2端面凹槽壁间，莫氏锥柄2与机床尾座联接，研磨头1锥面加注研磨剂，机床尾座套筒向前移动使研磨头1锥面与中心孔挤压研磨，通过内部淬火钢球3与O型橡胶圈6使研磨头达到浮动联接，在使用时起到修正尾座与机床的不同心等偏差，以使达到提高中心孔表面粗糙度的目的。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种电跳动转子轴的精加工方法，包括本特利电跳动转子轴，其特征是：所述本特利电跳动转子轴锻件毛坯重达2.302 t，锻造选用材料规格为3t电渣重熔锭，一锭锻制一件，锻造比7.2,锻造温度1180℃～850℃；

1）钢锭加热

42CrMo4材料3t电渣重熔锭采用两段式进行加热，前段有3h内加热至650±20℃，保温3h，然后10h内加热至1180±20℃，保温时间≥6h；

2）锻造过程

钢锭镦粗，拔600八角约1150长；二次镦粗，拔370八角，分料压台；拔长，完工；

3）锻后热处理

上述2）中的锻件在10h内随炉升温至880±10℃，保温8小时后空冷，然后在4h内再随炉升温至650±10℃，保温14小时后随炉冷却；

4）性能热处理

上述3）热处理后的锻件随炉升温至840±10℃，保温7小时后水冷10分钟转油冷30分钟的淬火工艺，然后再随炉升温至600±10℃，保温12小时后炉冷400℃后空冷；

5）机械加工

半精加工：根据精加工图纸的尺寸设计半精加工图纸，单边留余量1.5mm均匀加工出轴身各档尺寸；

消应热处理：在半精加工后安排180℃，保温6h的低温消应力热处理；

精车：消应力后重修两端中心孔，两顶装夹精车全轴各档尺寸留径向磨削余量0.8～1mm，数控镗铣床双V型架装夹，校正工件上母线与侧母线后粗、精铣键槽与两端螺纹；

磨削镶铁芯档位：两顶装夹磨削镶铁芯φ320u6等档位尺寸，粗糙度Ra1.6，同时在镶铁芯后二次磨削的基准与镶铁芯档位保持0.02的同心度，在轴两端φ200位置磨出基准架位；

6）镶铁芯：将铁芯在加热炉中整体加热后安装转子轴；

重修中心孔：数控车床按镶铁芯前磨削的同心基准做为中心架位，卡爪端校正0.005mm径向跳动范围，将原有滚轮式中心架结构改进为以锡基巴氏合金（ZSnSb11Cu6）材质的托瓦，使用车刀车削出中心孔角度后，使用研磨顶尖加注研磨剂研磨中心孔，进一步提高中心孔的精度；

7）二次磨削：数控外圆磨床使用两端中心孔做为定位基准，床头端使用鸡心夹头传动方式装夹，靠近铁芯段使用锡基巴氏合金（ZSnSb11Cu6）托瓦中心架辅助支承，双向打表上母线与侧母线校正工件各基准在同一直线；

磨削除本特利电跳动档外其余档位外圆至图纸上差要求，本特利档位粗磨留量0.1mm，其中两端轴承档在保证公差与粗糙度同时做为本特利电跳动的检测基准，严格控制＜0.003mm的圆跳动与平行度要求；

在磨削本特利电跳动档位中通过以下细节提高磨削质量：一是将本特利电跳动两档的磨削全部通过在远离床头端的床尾位置作磨削加工，二是在加工本特利电跳动前将砂轮在平衡支架上使用00级大理石和高精度水平尺重做平衡，以减少砂轮旋转下的不平衡量产生的微小振动磨削纹，三是精磨本特利表面前使用金刚石砂轮修整器修整砂轮，一方面减少砂轮旋转后的动态不平衡量，另一方面使修整后的砂轮达到最佳的粗糙度加工范围；

8）抛光挤压：在数控车床上以两端中心孔为基准，中间段巴氏合金托瓦支撑，调整在两端外圆径向跳动＜0.01mm后通过挤压工艺提高本特利电跳动位置的精度，挤压工具为以金刚石挤压头，刀具内部具有压缩弹簧结构的挤压刀具，在合理的切削速度与挤压深度下将机加工后的表面波峰挤压至波谷中，同时以金刚石作为挤压头可以避免金属挤压头与本特利电跳动表面的亲和反应，在通过挤压深度的调整使压缩弹簧变形达到所需的挤压力，经过挤压后稳定提高本特利电跳动3～10um数值；

9）本特利电跳动检测：检测时采用双向千分表调整工件至机床旋转中心，两端托架平稳支承工件，头架处使用迪尼玛吊带以柔性联接方式做检测旋转动力传递，达到降低头架传动电机的振动的影响，还原本特利电跳动的真实检测数值。

2.根据权利要求1所述的电跳动转子轴的精加工方法，其特征是：所述研磨顶尖中的研磨头（1）末端通过淬火钢球（3）、钢球端盖（4）及钢球底座（5）与莫氏锥柄（2）端面的凹槽匹配， O型橡胶圈（6）位于研磨头(1)与莫氏锥柄（2）端面凹槽壁间，莫氏锥柄（2）与机床尾座联接，研磨头（1）锥面加注研磨剂，机床尾座套筒向前移动使研磨头（1）锥面与中心孔挤压研磨，通过内部淬火钢球（3）与O型橡胶圈（6）使研磨头达到浮动联接，在使用时起到修正尾座与机床的不同心等偏差，以使达到提高中心孔表面粗糙度的目的。

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