CN115431001B

CN115431001B - 一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法

Info

Publication number: CN115431001B
Application number: CN202211222223.3A
Authority: CN
Inventors: 钱静; 辜勇; 王涛; 余伦; 高七一; 涂文英; 陈飞飞; 樊小强; 李晨旭
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2022-10-08
Filing date: 2022-10-08
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2042-10-08
Also published as: CN115431001A

Abstract

本发明公开了一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法，属于精密机械加工技术领域，包括如下步骤：1、材料锻造；2、锻件去应力时效；3、粗加工将零件加工成形，所有外形均留有加工余量；4、稳定化时效；5、半精加工，除装配基准面、转子回转外圆、轴承安装外圆及其端面，重要安装连接孔留有加工余量外，其余各加工特征均达尺寸要求；6、稳定化时效；7、精加工装配基准面、转子回转外圆、轴承安装外圆及其端面、重要安装连接孔。本发明提供了一种针对高精度陀螺回转零件的精密加工工艺，工艺采用三次热处理，保证零件尺寸稳定性，在精加工阶段设计工装堵头，保证零件加工状态与使用状态一致，保证了高精度陀螺转子零件的尺寸精度和形位精度，提高零件的合格率。

Description

一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法

技术领域

本发明属于精密机械加工技术领域，具体地说涉及一种高精度陀螺转子类零件的精密加工工艺。

背景技术

控制力矩陀螺(CMG,control moment gyro)是大型航天器最为理想的姿态控制执行机构，直接影响航天器的指向精度和稳定性。其常见结构形式分为普通陀螺式结构和悬臂式结构，但两种结构的主要功能实现都是通过高速旋转的转子获得一定的角动量,并通过改变角动量的方向对外输出控制力矩。在轨运行的航天控制力矩陀螺结构，其中的关键结构件-陀螺转子，以7000转/min的超高速度旋转来提供角动量，维持飞行器的飞行姿态，陀螺转子零件的尺寸精度、形位精度和零件稳定性将直接影响控制力矩陀螺的使用寿命和可靠性。

目前控制力矩陀螺中转子零件的材料为沉淀硬化型不锈钢。

陀螺转子的主要精度指标包括：

第一，两端安装轴承的外圆尺寸精度、圆柱度及同轴度；

第二，两端电机连接外圆与轴承安装外圆轴线的同轴度；

第三，轮缘与轴承安装外圆轴线的同轴度；

第四，零件总长两端面与两轴承安装孔轴线的垂直度；

第五，两轴承安装孔端面与两轴承安装孔轴线的垂直度；

第六，两电机安装孔端面与两轴承安装孔轴线的垂直度；

第七，轮缘两端面与两轴承安装孔轴线的垂直度。

陀螺转子零件的主要加工技术难点是由于零件的轮缘与轮毂直径相差较大，尺寸精度和形位精度要求高，目前常用的加工方法是数车或者立式磨床，以轮缘端面为基准进行加工，但这两种加工方法均需要调头加工，转换安装基准面，增加装卡及找正误差，零件加工精度难以保证；同时由于零件在使用状态的超高旋转速度，需要内部残余应力尽可能小，常规的加工方法难以保证精度要求。

基于以上技术难点，如何解决高精度控制力矩陀螺转子类零件的加工工艺方法，保证零件的尺寸精度和形位精度指标，成为工艺技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决高精度陀螺转子类零件的精密加工工艺，控制零件尺寸精度和形位精度要求，减少零件加工残余应力，提高零件合格率。

为实现上述目的，本发明通过以下方案来实现：

一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法，所述零件为回转体形状，轮缘与中间轮毂直径差比大于10：1，所述零件包括以下重要尺寸精度和重要形位精度：

重要尺寸精度：两端轴承安装外圆直径Φd1和Φd2，两端电机安装外圆直径Φd3和Φd4，轮缘直径ΦD，轮缘厚度尺寸L1，两侧电机安装面之间距离L2，两侧轴承安装面之间距离L3以及零件总长L4；

重要形位精度：Φd1、Φd2圆柱度，Φd1对Φd2同轴度，Φd2对Φd1同轴度，Φd3对Φd1同轴度，Φd4对Φd2同轴度，ΦD对Φd1和Φd2公共轴线的同轴度，L1两端对Φd1和Φd2公共轴线的垂直度，L2两端对Φd1和Φd2公共轴线的垂直度，L3两端对Φd1和Φd2公共轴线的垂直度和L4两端对Φd1和Φd2公共轴线的垂直度；

所述方法包括以下步骤：

步骤1)、材料锻造；

步骤2)、去应力时效处理；

步骤3)、粗加工零件外圆及内孔、端面各处，所有位置均留有加工余量，余量范围控制半径和单面在1.5～3mm；

步骤4)、稳定化时效处理；

步骤5)、半精加工零件所有特征，其中Φd1、Φd2，Φd3、Φd4，ΦD，L1，L2，L3，L4留有余量，余量范围单面及半径0.2～0.5mm，重要安装连接孔留有加工余量外，加工特征均达尺寸要求；

步骤6)、稳定化时效处理；

步骤7)、精加工装配基准面、转子回转外圆、轴承安装外圆及轴承安装面、重要安装连接孔；通过使用磨削工装堵头，保证加工基准与设计基准一致，提高零件加工精度。

进一步的，所述重要外圆尺寸精度均≤0.01mm，重要长度尺寸精度均≤0.05mm，重要形位精度均≤0.006mm。

进一步的，所述步骤2)中，去应力时效处理包括：将零件放置在热处理支撑工装上，加热温度600～450℃，保温时间5～6小时；炉冷至200～150℃再空冷。

进一步的，所述步骤4)和步骤6)中的稳定化时效处理为：将零件放置在热处理支撑工装(2)上，加热温度320～280℃，保温时间8～9小时；炉冷至150～100℃再空冷。

进一步的，所述步骤7)中，采用卧式外圆磨床，并设计了所述磨削工装堵头，使零件加工基准与设计基准统一，同时减少装卡次数和安装基准变换，避免找正误差。

进一步的，在使用磨削工装堵头前，需将安装堵头内孔尺寸与堵头外圆尺寸配合加工，配合间隙在0.02～0.005mm，同时零件总长两端面研磨平行度在0.003mm以内，堵头安装好后用磨床顶尖将零件支撑，一次性加工外圆及端面。

所述高精度包括尺寸精度和形位精度，尺寸精度包括两处轴承安装外圆的尺寸、电机安装外圆尺寸、零件总长尺寸，两处电机安装面间的距离尺寸及两处轴承安装面间的距离尺寸；形位精度包括两处轴承安装外圆的圆柱度，两端电机连接外圆与轴承外装外圆的同轴度，轮缘与轴承外装外圆轴线的同轴度，零件总长两端面与两轴承安装孔轴线的垂直度，两轴承安装孔端面与两轴承安装孔轴线的垂直度，两电机安装孔端面与两轴承安装孔轴线的垂直度，轮缘两端面与两轴承安装孔轴线的垂直度。其中，外圆尺寸精度均≤0.01mm，重要长度尺寸精度均≤0.05mm，形位精度均≤0.006mm。

所述步骤2)去应力时效处理，将零件用热处理支撑工装，放置电加热炉内，加热温度优选500±10℃，保温时间5～6小时；炉冷至200～150℃再空冷。

所述步骤4)和步骤6)稳定化时效处理，将零件用热处理支撑工装，放置电加热炉内，加热温度优选300±10℃，保温时间8～9小时；炉冷至150～100℃再空冷。

本发明具有以下优点：

第一、通过合理安排热处理参数，消除零件加工过程中的残余应力；

第二、通过在热处理过程中设计支撑工装，将零件大面支撑在工装上，减小零件热处理过程中的变形；

第三、通过在精密磨削过程中设计专用工装堵头，保证加工基准与设计基准统一，减少装卡变形，提高零件加工精度。

附图说明

图1是本发明所针对零件类型简图及包含特征；

图2是本发明具体实施案例中试验件的主视图；

图3是本发明具体实施案例中试验件的三维结构示意图；

图4是本发明具体实施案例中实验件的热处理支撑工装示意图；

图5是是本发明具体实施案例中实验件的磨削工装示意图。

图中各标号表示：

1-陀螺转子零件，2-热处理支撑工装，3-磨削工装堵头。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐述。

具体实施例如下：

如附图1-4所示的高精度陀螺转子类零件，材料为05Cr15Ni5Cu4Nb，其精密加工工艺包括如下步骤：

步骤1)、材料锻造。

步骤2)、去应力时效处理，将陀螺转子零件1用热处理支撑工装2，放置电加热炉内，加热温度500±10℃，保温时间5～6小时；炉冷至200℃再空冷。

步骤3)、粗加工零件外圆及内孔、端面各处，所有位置均留有加工余量，余量范围控制半径和单面在2mm。

步骤4)、稳定化时效处理，将零件用热处理支撑工装2，放置电加热炉内，加热温度300±10℃，保温时间8～9小时；炉冷至100℃再空冷。

步骤5)、半精加工零件所有特征，要求轮缘直径Φ550±0.05，两端电机安装外圆两处

两端轴承安装外圆两处Φ40±0.002直径上留量0.5mm，零件总长310±0.05两端面，两侧轴承安装面之间距离268_-0.1两端面，两侧电机安装面之间距离118±0.05两端面，轮缘厚度尺寸80±0.05两端面，均单面留量0.25mm，工装安装连接孔两处内孔Φ26留量0.2mm，其余各加工特征均达尺寸要求，所有形位精度控制在0.05以内。

步骤6)、稳定化时效处理，将零件用热处理支撑工装2，放置电加热炉内，加热温度300±10℃，保温时间12小时；炉冷至100℃再空冷。

步骤7)、工序1：精车零件两端内孔Φ26至尺寸Φ26±0.01mm，精车零件总长310±0.05两端面达要求，保证两端面平行度小于0.01；

步骤7)、工序2：研磨零件总长310±0.05两端面，保证平面度小于0.003，平行度小于0.004；

步骤7)、工序3：将磨削工装堵头3外圆尺寸与高速转子内孔配磨，保证间隙0.01mm以内；

步骤7)、工序4：将磨削工装堵头3嵌入零件内孔，顶两端顶尖孔，支撑零件找正堵头外圆在0.05mm以内，精磨轮缘直径Φ550±0.05、左端电机安装外圆

左端轴承安装外圆直径Φ40±0.002，左端轴承安装面268_-0.1左端面、左端电机安装面118±0.05左端面、轮缘厚度80±0.05左端面达要求；

步骤7)、工序5：将零件调头，顶磨削工装堵头3两端顶尖孔，支撑零件找正精磨后轮缘直径Φ550±0.05在0.002以内，精磨右端电机安装外圆

右端轴承安装外圆直径Φ40±0.002，右端轴承安装面268_-0.1右端面、右端电机安装面118±0.05右端面、轮缘厚度80±0.05右端面达要求。

其中，所述热处理支撑工装2，如图4所示，是采用外圆直径大于高速转子轮缘外径的圆环形铝件，将零件轮缘端面放置在工装上，在电加热炉内进行处理，减少零件热处理过程变形。

其中，所述重要安装连接孔，为安装磨削工装堵头3用内孔，将内孔精车尺寸一致性±0.01mm；

其中，所述磨削工装堵头3，两端堵头为同一件圆柱体切开成两件，如图5所示，采用顶尖孔支撑磨削加工的钢件，工装堵头外圆尺寸与高速转子内孔配合间隙0.005～0.01mm，减少装卡误差，有效地保证零件加工的同轴度。

经过上述加工步骤，零件加工尺寸精度和形位精度均满足要求。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法，所述零件为回转体形状，轮缘与中间轮毂直径比大于10：1，所述零件包括以下重要尺寸精度和重要形位精度：

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1)、材料锻造；

步骤2)、去应力时效处理；

步骤4)、稳定化时效处理；

步骤5)、半精加工零件所有特征，其中Φd1、Φd2，Φd3、Φd4，ΦD，L1，L2，L3，L4留有余量，余量范围单面及半径0.2～0.5mm，重要安装连接孔留有加工余量外，加工特征均达尺寸要求；所述Φd1、Φd2分别为两端轴承安装外圆直径，Φd3、Φd4分别为两端电机安装外圆直径，所述重要安装连接孔为安装磨削工装堵头(3)用内孔；

步骤6)、稳定化时效处理；

步骤7)、精加工装配基准面、转子回转外圆、轴承安装外圆及轴承安装面、重要安装连接孔；通过使用所述磨削工装堵头(3)，保证加工基准与设计基准一致，提高零件加工精度。

2.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法，其特征在于，所述重要外圆尺寸精度均≤0.01mm，重要长度尺寸精度均≤0.05mm，重要形位精度均≤0.006mm。

3.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法，其特征在于，所述步骤2)中，去应力时效处理包括：将零件放置在热处理支撑工装(2)上，加热温度600～450℃，保温时间5～6小时；炉冷至200～150℃再空冷。

4.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法，其特征在于，所述步骤4)和步骤6)中的稳定化时效处理为：将零件放置在热处理支撑工装(2)上，加热温度320～280℃，保温时间8～9小时；炉冷至150～100℃再空冷。

5.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法，其特征在于，所述步骤7)中，采用卧式外圆磨床，并设计了所述磨削工装堵头(3)，使零件加工基准与设计基准统一，同时减少装卡次数和安装基准变换，避免找正误差。

6.根据权利要求5所述的一种高精度陀螺转子类零件的精密加工方法，其特征在于，在使用磨削工装堵头(3)前，需将安装堵头内孔尺寸与堵头外圆尺寸配合加工，配合间隙在0.02～0.005mm，同时零件总长两端面研磨平行度在0.003mm以内，堵头安装好后用磨床顶尖将零件支撑，一次性加工外圆及端面。