大直徑薄壁件的加工工藝研究

摘 要：加工大直徑特種材料薄壁零件極易產生變形問題，本文研究了一種材料為4J32的低膨脹合金的大直徑薄壁零件，分析了薄壁零件加工變形主要是由裝夾引起，提出采用端面壓緊加工內孔和彈性脹套裝夾加工外圓，可以有效地保證該零件的加工精度。最后通過對幾批零件的質量跟蹤，驗證了該方法可有效控制零件的橢圓變形。

關鍵詞：薄壁件；變形；裝夾；加工精度

中圖分類號：TG65 文獻標識碼：A

大直徑特種材料薄壁零件的加工一直是機械加工的難題，我中心承接一種連接環就面臨著這種問題。該零件的材料是4J32—難加工的低膨脹合金，且形狀復雜，加工極易產生變形，很難達到設計要求。本文對其進行工藝分析，尋求解決變形的工藝措施，以期能確定合理的工藝方法及工藝參數，最終能經濟、高效地加工出合格地零件。

1零件結構與材料分析

如圖1所示：此零件屬于典型的大直徑薄壁零件，其直徑為200mm，零件的壁厚最薄處為1.9mm，尺寸精度≥IT6，表面粗糙度Ra 1.6-0.8μm，加工精度要求高

4J32低膨脹合金含鎳高達31.5%-33.0%。雖然鎳能使材料的強調、塑性、韌性增加，熱導率降低。但是，含鎳量超過8%形成奧氏體鋼， 奧氏體的硬度雖然不高（HB=160），而韌性很高，切削性軟粘，使切削性能顯著下降。4J32低膨脹合金的導熱系數僅為13.4W/m·K，（凡導熱系數小于41.87W/m·K的材料均屬于難加工材料）可加工性很低，屬于難加工材料之一， 其化學成分見表1。

2影響零件變形的因素分析

只要進行切削加工，工件的內部就會產生內應力，工件的應里平衡將受到破壞，內部組織的平衡狀態極不穩定，殘余應力重新分布，使工件產生變形。引起變形的因素有夾緊力、切削力、切削熱、定位誤差和振動變形等。因此，分析引起變形的因素及其影響程度，采取有效的防止變形的措施，是工藝中要解決的問題。

2.1夾緊力的影響

薄壁件的剛性較差，精加工內孔時若裝夾的方式不當（采用三爪或四爪直接夾薄壁件的外圓），夾緊力分布均勻或過大，夾緊后零件會變成三角形，雖然加工時零件為圓形，但夾緊力撤除后，外圓為圓柱形而孔易出現“三角棱圓形”從而使圓度超差。

若先加工內孔，靠頂蓋與端面的摩擦力頂著零件加工，由于薄壁件端面的接觸面積小，若頂緊力太小，則零件于頂蓋之間會產生相對轉動，就無法進行加工；若頂緊力太大，佷容易因失穩造成零件彎曲和扭曲變形。

2.2切削力的影響

4J32低膨脹合金塑性和韌性較好，抗拉強度和硬度雖然不佷高，一般與中碳鋼接近，但是其延伸率是非分明45#鋼的兩倍左右，切削是塑性變形大，晶格歪扭畸變，斷面收縮也較高，加工硬化傾向大，從而造成切削阻力大。

2.3切削熱的影響

切屑與工件表面分離時，因強烈的塑性變形與劇烈的摩擦將產生大量的熱量，因4J32的導熱系數較小，使零件的已加工表面層有較高的溫度而里層溫度較低，溫度高的表面層體迅速膨脹，將會受到里層金屬的阻礙，從而使表面金屬產生熱應。里層金屬受到拉應力，當零件壁厚較薄時，則很容易產生變形，從而使零件的徑向圓度超差。零件冷卻后，表面金屬產生殘余拉應力，里層產生殘余壓應力，同樣引起零件徑向變形。

2.4切削用量的影響

切削用量將對切削力、切削熱、和提高加工效率產生影響，對加工薄壁件來說，主要是考慮減小徑向變形，影響徑向切削力Fr的切削用量有背吃刀量ap、進給量f，它們增加，Fr增大，而切削速度V增加，Fr則減小。因此在精加工時因采取減小背吃刀量ap和進給量f，提高轉速，從而減小工件變形。

3減小加工變形的方法研究

3.1減少夾緊力的影響

在工藝上，可根據零件的不同結構特點，采取如下措施：將徑向夾緊力改為軸向壓緊，如在加工內徑時可采用端面壓板壓緊的方式如圖2，這樣零件只受軸向力，而不受徑向力，大大減小了零件的夾緊變形，經過我們對幾批零件尺寸數據的跟蹤，圓度誤差不超過0.05mm。內孔加工好后，采用彈性脹套以內孔定位，配合大扇形軟爪夾持外圓可使夾緊力均勻，不致出現徑向變形，針對零件設計制作的夾具對減少切削變形和裝夾變形具有良好的效果。

3.2選擇合適的刀具材料及合理的幾何參數

4J32低膨脹合金的切削加工性能類似于1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，要求刀具材料具有較高硬度、強度和韌性，又具有良好的耐磨性抗氧化性及抗粘結性。為此加工此類不銹鋼通常采用鎢鈷類硬質合金刀具，如YG6X YG8 YW等。精車時，前后刀面經過精心刃磨和研磨，較低的表面粗糙度可減小摩擦力，以減小切削抗力Fr。在刀具幾何參數方面，精加工宜選擇大前角γ=15°-25°，適當的后角α=5°-10°，較小的刀尖圓角半徑rε≤0.5，主偏角K=89.3°-90.3°刃傾角λ=4°-8°，寬斷屑槽。這樣可以使切屑流暢地流向待加工表面，減小徑向切削力，從而大大降低變形的趨向。

3.3選取合理的切削用量

在精加工中，采用較小的走刀量和吃刀深度可以降低切削力，從而減小變形。在加工中采用較小的刀尖圓角rε≤0.5，且對刀尖圓角進行研磨使其圓滑，在采用較小的吃刀深度和走刀量，以及高的轉速，還可以減少切削表面的殘留面積，降低表面粗糙讀值。

3.4粗精加工分開

對薄壁件的加工，需采用粗加工、半精加工、精加工分開，這樣就拉長了各工序之間的時間間隔，相當于自然時效，有利于消除工件的內應力，使工件有變形的時間，以便在下道工序中修正。

連接環的加工工藝路線是：首先進行粗加工，采用大的切削用量，提高切削效率和經濟效益。然后進行熱處理，加熱倒315°C±10°C，保溫兩小時隨爐冷卻到90°C以下出爐。接下來進行半精加工，精加工。其優點是：克服了粗加工中強力切削產生的殘余應力和夾緊力較大所引起的變形，使精加工時采用較小的切削用量，從而可以有效避免或減少精加工中出現的變形。

3.5充分的冷卻與潤滑

在切削4J32低膨脹合金時，會產生大量的切削熱，必須進行充分的冷卻與潤滑。冷卻與潤滑有四個作用：一是冷卻，即吸收切削過程中產生的熱量，冷卻效果與切削液的流量、導熱系數、氣化熱以及粘度值等有關；二是潤滑，可以降低前刀面與切屑和后刀面與工件之間的摩擦，從而避免積屑瘤的產生；三是清洗，即可沖去切屑碎塊以及刀具的顆粒和其他殘留物，有利于改善工件表面的粗糙度和減小刀具的磨損；四是表面松馳作用，也稱液體的切削作用，含有表面活性劑的切削液中的吸附分子可加速對由晶格缺陷產生的微小裂紋的崩解、擴散與滲透。由于被吸附液體的類似楔的作用，從而使切屑變形取中呈現出的塑性變形及切削單元的滑移更加容易和更加頻繁。正是由于切削液的作用，可以減少30%左右的切削抗力。同時大大降低了熱應力，減小零件的變形。我們采用機械油和煤油的混合物，比例為3：2，提高清洗和潤滑作用，切削液時應有足夠的流量、壓力和流動性，從而提高刀具的耐用度。

結語

實踐證明，薄壁件的加工變形主要是裝夾引起，我們對此分別設計了兩個夾具，采用端面壓緊加工內孔和彈性脹套裝夾加工外圓，通過對幾批零件的質量跟蹤，有效的控制了零件的橢圓變形，橢圓度≤0.05mm，保證了圖紙尺寸的要求。

參考文獻

[1]仝西林，張明魁. 薄壁件的車削加工精度概述[J]. 機械制造與研究 ，2006（11）.

[2]傅水根，馬二恩，張學政.機械制造工藝基礎[M].北京；清華大學出版社.1998.

[3]周澤華.金屬切削原理[M].上海；上海科學技術出版社.1994.