不銹鋼薄墊片精密加工工藝研究

程劍

（江蘇省相城中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 相城 215000）

1 問題的提出

在管道橫向限制件產(chǎn)品加工制造過程中，有一種不銹鋼薄墊片零件，該墊片配套數(shù)量較多（30件/單臺(tái)機(jī)組），奧氏體不銹鋼（0Cr18Ni9）材質(zhì)，厚度尺寸為8.4+(0.05~0.15)mm，長(zhǎng)寬尺寸分別為1046 mm、489 mm，面平行度允差0.15 mm，面平面度允差0.4 mm，雙面表面粗糙度分別為Ra1.6 μm和Ra6.3 μm。對(duì)于近0.52 m2大面積的不銹鋼薄板件，要實(shí)現(xiàn)如此高的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，其加工的技術(shù)難度不言而喻[1]。如果能夠順利解決這一技術(shù)難題，不僅關(guān)系到能否按期完成該重點(diǎn)工程項(xiàng)目，還可以為今后在類似高精度不銹鋼薄墊片加工方面積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)[2]。

1）現(xiàn)有工藝方案。

僅工藝技術(shù)方案就制定了數(shù)種，其中主要試驗(yàn)方案有[3]：

方案一：剪切備料（δ=10 mm鋼板坯料）→雙面刨、銑去除厚度方向上的部分加工余量至δ=9 mm→采用工裝過橋板解決工件的裝夾、定位問題，在M7150/NB平面矩臺(tái)磨床上正反磨削至圖示尺寸→修整外形→檢驗(yàn)測(cè)量。

方案二：等離子切割備料（δ=10 mm鋼板坯料）→雙面刨、銑去除厚度方向上的部分加工余量至δ=9 mm→采用專用設(shè)備，雙面拋光成形處理至圖示尺寸→修整外形→檢驗(yàn)測(cè)量。

除以上常規(guī)加工工藝以外，技術(shù)組還委托一些專業(yè)冶金機(jī)械單位，嘗試了冷滾壓、雙面同步擠壓等特種加工工藝，但無一例外地出現(xiàn)了這樣或那樣的加工缺陷，尤其是平面度和平行度以及表面粗糙度這3項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，根本無法同時(shí)保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求。其中最為突出的一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)在于：無法有效地解決工件在加工過程中或加工后，因出現(xiàn)緩慢的延遲變形，導(dǎo)致原本檢驗(yàn)合格的工件出現(xiàn)嚴(yán)重的平面度超差等問題，嚴(yán)重影響了工件的成品加工合格率。

2）現(xiàn)有工藝方案技術(shù)分析。

在多次的工藝試驗(yàn)之后，我們對(duì)不銹鋼材料的加工性能有了一定的了解，同時(shí)也對(duì)該墊片零件在各種加工工藝試驗(yàn)中出現(xiàn)的技術(shù)問題進(jìn)行了細(xì)致、認(rèn)真的分析，總結(jié)出墊片出現(xiàn)上述加工質(zhì)量問題的主要技術(shù)因素有[4]：

a.奧氏體不銹鋼材質(zhì)本身對(duì)于機(jī)械切削加工的抗力特征十分顯著，機(jī)加工性能較差，在加工過程中容易形成二次應(yīng)力集中，導(dǎo)致工件出現(xiàn)較大的變形。

b.奧氏體不銹鋼鋼板在軋制后內(nèi)部存在著大量的殘余應(yīng)力，且由于該種不銹鋼本身具有良好的塑性和韌性，其內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)在較長(zhǎng)的周期內(nèi)緩慢得到釋放，因而造成墊片在機(jī)加工后發(fā)生較大的彈性變形。

c.奧氏體不銹鋼較小的導(dǎo)熱系數(shù)使得其在機(jī)加工切削過程中，即便是產(chǎn)生輕微的切削熱量，也會(huì)給工件帶來一定的變形，尤其對(duì)于薄壁、大尺寸類工件，這種變形會(huì)更加明顯。

d.由于加工零件屬于超薄件，且外形尺寸偏大，因此零件自身的剛度十分薄弱，在原材料中轉(zhuǎn)、下料、機(jī)加工等每一道加工工序上都極易產(chǎn)生外力變形，且這種變形是無法通過后期單純的人工或機(jī)械矯正實(shí)現(xiàn)零件的精密平整處理的。

e.零件在前期采用刨、銑、滾壓等常規(guī)機(jī)械加工方法去除鋼板毛坯余量的工藝，未能充分考慮到這些加工工藝方法的切削抗力對(duì)零件本身所造成的影響，致使零件在加工過程中的變形趨勢(shì)加劇。

f.零件在后期精密磨削加工時(shí)，采用了粒度為60目的普通綠碳化硅砂輪。在切削過程中，砂輪黏附現(xiàn)象嚴(yán)重，容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，從而無法很好地控制加工切削熱，使得工件在加工過程中，不斷地發(fā)生著微量變形。同時(shí)，也不能很好地保證磨削面的表面粗糙度，致使工件無法達(dá)到設(shè)計(jì)制造要求。

2 新工藝設(shè)計(jì)構(gòu)思

針對(duì)上述墊片在加工過程中產(chǎn)生的種種技術(shù)問題，根據(jù)多年積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合機(jī)械加工工藝學(xué)、金屬材料熱處理學(xué)以及材料力學(xué)等專業(yè)技術(shù)，開發(fā)出一種適合高精度奧氏體不銹鋼墊片加工的工藝。該工藝體系的整體構(gòu)思如下：

1）備料。采用水切割的工藝方法解決零件在前期選用剪切或數(shù)控切割備料所帶來的應(yīng)力集中問題，對(duì)于合理分布材料在軋制時(shí)的殘余內(nèi)應(yīng)力，獲得較為穩(wěn)定的備料尺寸是極為有效的（考慮到零件的8.4+(0.05~0.15)mm凈尺寸和加工余量，零件選用10 mm的坯料）。

2）矯正。零件在備料工序后，安排一道矯正工序。對(duì)下料后的鋼板坯料逐件采用平板機(jī)進(jìn)行平整，要求經(jīng)過矯正后，鋼板坯料的整體平面度偏差小于1.5 mm。

3）外力固定。將經(jīng)過機(jī)械矯正后的鋼板坯料，以5塊為一組，相互疊加放置在專用組合工裝內(nèi)，通過工裝周邊12只M36×220六角螺栓的連接固定，將5塊墊片與上下工裝模板牢牢壓緊、壓平。壓緊螺栓時(shí)需注意對(duì)稱施力，確保工件在各個(gè)方向上盡量受力均勻，相互間緊貼無間隙。

4）高溫去應(yīng)力熱處理。采用石棉隔套保護(hù)聯(lián)接螺栓光桿部分，工裝螺母旋合端用耐火泥封蓋后，將工裝聯(lián)合體置于箱式熱處理爐中，進(jìn)行870℃/2 h的高溫去應(yīng)力熱處理，熱處理工藝見圖1。

圖1 高溫去應(yīng)力熱處理工藝

5）板面精整。對(duì)經(jīng)過高溫去應(yīng)力熱處理后的墊片再次進(jìn)行逐件的平面度檢查，對(duì)于板面平整度誤差超過1 mm的零件，需再次進(jìn)行板面平整，直至滿足要求為止。

6）制備定位工藝孔。對(duì)板面平整度達(dá)到預(yù)定質(zhì)量控制狀態(tài)的零件，安排一道外型尺寸的精加工工序，以修整零件在平整和熱處理兩道工序上所產(chǎn)生的微量尺寸跑偏。而后，按照零件設(shè)計(jì)圖采用工裝模板加工49-M8螺紋底孔，并按要求制備好螺紋。

7）粗磨。通過墊片平面上49-M8螺紋孔，采用內(nèi)六角螺栓（M8×20）將墊片牢牢壓在工裝定位板二上，通過工裝定位板二實(shí)現(xiàn)墊片在M7150/NB型平面矩臺(tái)磨床工作臺(tái)上的裝夾定位。然后以較小的切削進(jìn)給量磨完工件平面（切削進(jìn)給量一般選擇0.02 mm左右，以工件表面不出現(xiàn)色差為宜），待該磨削面全部顯現(xiàn)后，將工件移出磨床工作臺(tái)，拆分墊片與工裝板二，翻轉(zhuǎn)墊片后再將墊片與工裝定位板固定，繼續(xù)磨削另一面，直至該平面全部磨出為止。如此反復(fù)交替進(jìn)行磨削，最終保證墊片的有效厚度在8.8～8.9 mm之間。但有一點(diǎn)值得注意：需選用36或46號(hào)粒度的單晶剛玉（SA/GD）或微晶剛玉MA（GW）砂輪進(jìn)行磨削（有條件可配用極壓乳化液作為磨削液），以確保磨削面的表面切削質(zhì)量。

8）低溫時(shí)效熱處理。對(duì)完成粗磨工序后的墊片，按照前道熱處理的工序準(zhǔn)備程序，再次以5塊一組，通過組合工裝進(jìn)行壓緊、固定聯(lián)接后，在箱式或井式熱處理爐中，進(jìn)行一次300℃、4~5 h的低溫時(shí)效熱處理，以進(jìn)一步消除原材料中的各種殘余應(yīng)力，達(dá)到穩(wěn)定和提高墊片平面度偏差的目的，熱處理工藝見圖2。

圖2 低溫時(shí)效熱處理工藝

9）半精磨、精磨。將墊片再次按照粗磨工序安裝程序與工裝定位板裝配定位后，在同一臺(tái)M7150/NB型平面矩臺(tái)磨床上，采用60號(hào)粒度的單晶剛玉（SA/GD）或微晶剛玉MA（GW）砂輪，以較小的切削進(jìn)給量，正、反兩面交替實(shí)施工件的半精磨、精磨，并定期加以測(cè)量，確保工件8.4+（0.05～0.15）mm的厚度尺寸。

10）成形孔加工。對(duì)完成精磨工序后的墊片平面上的28-M8工藝螺紋孔，進(jìn)行擴(kuò)孔、锪孔處理，完成28-φ8.7H13成形孔的加工。

11）外觀處理。對(duì)墊片的外觀質(zhì)量進(jìn)行必要的修整處理。

12）綜合檢驗(yàn)。對(duì)墊片實(shí)施逐件、全面的質(zhì)量檢測(cè)。

至此，該高精度奧氏體不銹鋼薄墊片的整體加工工序完成。

3 新工藝技術(shù)分析

該加工工藝依靠以下技術(shù)論點(diǎn)作為有效解決高精度奧氏體不銹鋼薄墊片這一加工難題的主要依據(jù)。

1）在下料工序方面，采用了切削加工抗力和熱效率相對(duì)較小的水切割工藝，替代剪切、等離子切割等常規(guī)工藝，既保證了零件在下料工序上尺寸的精細(xì)化控制，又大大降低了零件的該工序上的應(yīng)力集中程度。

2）舍棄了零件坯料采用刨、銑等加工方法去除前期加工余量的工藝，改為直接安排粗磨工藝，可以最大程度上減小鋼板在前期機(jī)加工工序方面所產(chǎn)生的過量的變形量，緩解墊片后期消除內(nèi)在殘余應(yīng)力的難度。

3）兩次去應(yīng)力熱處理的工序安排，依靠專用輔助配套工裝的控制和保證，技術(shù)可靠性較強(qiáng)。高溫去應(yīng)力熱處理安排在下料、矯正工序之后，此時(shí)，鋼板經(jīng)過一系列的機(jī)械外力施壓之后，內(nèi)部留有大量的屈服抗力，如果不采用高溫退火的熱處理工藝方法，很難在短時(shí)期內(nèi)清除這些殘余應(yīng)力，那么，零件在精加工之后，極易出現(xiàn)應(yīng)力反彈，造成工件返工或報(bào)廢的可能性較大。粗磨工序之后的低溫時(shí)效熱處理的安排，因此時(shí)工件中存在的內(nèi)應(yīng)力較小，且主要以前一次高溫?zé)崽幚頃r(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力為主，低溫人工時(shí)效熱處理可以起到緩慢釋放材料內(nèi)部的熱應(yīng)力、穩(wěn)定工件固有加工精度的效果。這兩次定向熱處理，對(duì)于最大程度上消除工件和材料的各種內(nèi)應(yīng)力，起到了重要的作用[5]。

4）采用專用工裝解決墊片在磨床工作臺(tái)上的定位、裝夾這一技術(shù)上的難題，既充分考慮了墊片的定位精度問題，又考慮到了墊片在定位中的均勻受力，對(duì)于保證和提高產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量起到了關(guān)鍵作用。

5）采用單晶剛玉（SA/GD）或微晶剛玉MA（GW）類磨料砂輪，可有效解決砂輪面極易堵塞的問題，大大提高了工件磨削面的整體加工質(zhì)量。

4 新工藝實(shí)踐論證

1）質(zhì)量論證。該加工工藝經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證，其技術(shù)性能指標(biāo)完全達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。經(jīng)對(duì)加工工件進(jìn)行一段時(shí)間的質(zhì)量跟蹤監(jiān)測(cè)，其結(jié)果顯示：墊片厚度尺寸均可控制在8.40～8.50 mm；面平行度加工偏差控制在0.08～0.12 mm；面平面度加工偏差控制在0.15～0.25 mm，且雙表面粗糙度均能達(dá)到Ra1.6 μm。成品一次檢驗(yàn)合格率達(dá)到98以上，加工質(zhì)量完全滿足產(chǎn)品的各項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

2）加工效率。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，我們制備了2件定位板，便于墊片在批量加工時(shí)的工序流轉(zhuǎn)，大大縮短了加工過程中的輔助裝夾時(shí)間。在保證墊片加工質(zhì)量的同時(shí)，生產(chǎn)效率得到了較大提高。

5 結(jié)論

1）采用該工藝實(shí)施高精度不銹鋼薄墊片類零件的加工，可以較好地解決常規(guī)加工工藝所無法解決的技術(shù)難題。在零件批量化生產(chǎn)的前提下，可以實(shí)現(xiàn)保證加工精度、提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定產(chǎn)品制造質(zhì)量等目標(biāo)。

2）零件在實(shí)施高溫去應(yīng)力熱處理時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照熱處理工藝曲線圖控制升降溫的速度，避免因奧氏體不銹鋼熱處理工藝不當(dāng)而產(chǎn)生“敏化”現(xiàn)象，降低材料原有的抗晶間腐蝕的能力。

3）選用合適的不銹鋼磨削加工砂輪，并在加工過程中，定期對(duì)砂輪進(jìn)行修整，保持切削刃的鋒利，以減小砂輪的黏附阻塞，提高工件的磨削效率。