燃燒器浮動環(huán)滲氮變形控制方案

劉建偉，李寒榮，萬方前

東方汽輪機有限公司 四川德陽 618000

1 序言

滲氮是指工件在高溫環(huán)境下通過注入氨氣等方式，將氮原子滲入工件表面深度約0.3mm左右晶間結(jié)構(gòu)，以提升工件表面硬度等特性的特殊工藝方法。由于受高溫環(huán)境熱輻射影響，勢必會導(dǎo)致工件變形，特別是薄壁套筒類零件的變形更為明顯。

浮動環(huán)為電站燃氣輪機燃燒器裝配組件的關(guān)鍵件之一，屬薄壁套筒件。加工時，切削應(yīng)力逐漸釋放、滲氮時受高溫?zé)嵊绊懢鶗?dǎo)致工件變形，長期以來存在產(chǎn)品合格率較低，變形控制困難的問題。

薄壁件加工變形產(chǎn)生的原因很多，與零件的材質(zhì)、幾何形狀以及生產(chǎn)條件（包括人、機床設(shè)備、工藝方法和環(huán)境等因素）都有關(guān)系。

2 浮動環(huán)工件特點

圖1 為浮動環(huán)零件，材質(zhì)為38CrMoAl，切削性能尚可。該薄壁套筒件壁厚最薄處僅6.25mm，產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)決定了其加工后易產(chǎn)生變形。工件為滲氮件，滲氮時高溫環(huán)境對工件變形的影響極大。滲氮后內(nèi)孔、外圓均有變大的趨勢，尺寸超差主要集中在φ172.5mm內(nèi)孔，各件超差情況不盡相同。

圖1 浮動環(huán)零件示意

3 浮動環(huán)加工變形分析

浮動環(huán)毛坯為鍛件，加工工序主要為車削、磨削。通過對工件變形可能有影響的來料、車削、磨削和滲氮工序進行分析，各工序具體操作過程及變形原因見表1。

表1 各工序具體操作過程及變形原因

4 變形數(shù)據(jù)分析

各工序都有可能導(dǎo)致產(chǎn)品變形，且滲氮時受熱變形無法避免，屬于影響工件變形的最主要因素。為研究掌握變形規(guī)律，選取兩批次各55件數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

第一批次數(shù)據(jù)在φ172.72～φ172.85mm無規(guī)律隨機分布，通過Excel查看，70%點位分布在φ172.75～φ172.80mm，算術(shù)平均值為φ172.78mm；第二批次數(shù)據(jù)在φ172.60～φ172.68mm無規(guī)律隨機分布，通過Excel查看，70%點位分布在φ172.62～φ172.65mm，算術(shù)平均值為φ172.63mm。

對比上述兩組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，每組數(shù)據(jù)在某個數(shù)值范圍內(nèi)隨機分布，其中特定數(shù)值段可以覆蓋70%數(shù)據(jù)。兩批次的特定數(shù)值段及其算術(shù)平均值又不盡相同。針對此錯綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)，如使用算術(shù)平均數(shù)或者特定區(qū)段值，則無法反映真實的變形規(guī)律。

為了研究方便，將實測數(shù)據(jù)減去理論值φ172.50mm得到變形量，后續(xù)針對變形量進行分析。為了更好地研究變形量的分布規(guī)律，擬采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)的“分位數(shù)”原理。分位數(shù)用來反映數(shù)據(jù)的最小值與最大值分布信息，即可使用分位數(shù)表達數(shù)據(jù)具體所在位置，具體體現(xiàn)為：第P百分位數(shù)將數(shù)據(jù)分為兩個部分，有P%的數(shù)據(jù)比第P百分位數(shù)大，另一部分數(shù)據(jù)比第（100－P）%數(shù)小。

在E x c e l電子表格中，也可使用函數(shù)PERCENTILE進行計算，在數(shù)組array中，P分位函數(shù)為：PERCENTILE（array，P） ；在110個數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)位置在A1～A110）中，找到第50百分位數(shù)（即為中位數(shù)）函數(shù)公式為：PERCENTILE（A1：A110，0.5） 。

通過上述方式可以計算出，在110個滲氮后內(nèi)孔變大量的中位數(shù)為0.27mm，可以理解為50%的數(shù)值比它小，有50%的數(shù)值比它大。中位數(shù)0.27mm正好處在該批數(shù)據(jù)的中間位置，可以較好地反映數(shù)據(jù)分布規(guī)律。

5 變形控制方案設(shè)計

根據(jù)浮動環(huán)全工序及最終產(chǎn)品變形數(shù)據(jù)分析，明確了影響產(chǎn)品變形的因素，掌握了變形規(guī)律，擬通過制定控制方案以減小變形，保證產(chǎn)品合格率。

5.1 應(yīng)用“落料法”降低切削應(yīng)力

“落料法”是指針對內(nèi)孔尺寸較大、需要掏空內(nèi)孔，并保證內(nèi)孔尺寸的零件，找到合適的落刀點，刀具切入并繞輪廓尺寸邊緣一周后再切出，將中心材料以完整的方式“掏”出，最后精加工從而達到尺寸要求。

毛坯來料后，采用切刀在內(nèi)孔方向單面留約2mm余量，將中心材料以完整的方式“掏”出來，替代原有分層車削方法。減少了因切削加工而產(chǎn)生的變形，同時也相應(yīng)提高了產(chǎn)品加工效率。

5.2 采用扇形軟爪夾持工件

為減少夾持變形，設(shè)計制作了一套扇形軟爪（見圖2），將卡爪夾持部位的線接觸改進為扇形軟爪圓弧面接觸，分散了夾持力，可有效減少工件裝夾變形。扇形軟爪配車夾持止口時，注意止口直徑要稍大于產(chǎn)品外圓，止口深度不能過深。同時要求在粗車后松開卡爪，釋放變形后再夾持精車，以盡量減小車削變形。

圖2 扇形軟爪

5.3 優(yōu)化變形補償方式

根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，基于內(nèi)孔滲氮后變形值中位數(shù)可確定滲氮變形補償值：172.5－0.27＝172.23（mm）。

選取了30件工件進行方案驗證，在滲氮前將內(nèi)孔全部按φ172.23mm加工，外圓尺寸按中下差加工，最終該批產(chǎn)品滲氮后檢測均符合圖樣要求。

應(yīng)用“落料法”及滲氮變形補償方式，最終順利解決了該型產(chǎn)品滲氮后合格率低的問題，后續(xù)產(chǎn)品按該方案執(zhí)行，基本都符合圖樣要求。

6 結(jié)束語

通過采取優(yōu)化滲氮變形補償方案及在車削過程中降低切削應(yīng)力等措施，解決了長期以來浮動環(huán)合格率低的問題，其中的數(shù)據(jù)分析方法對后續(xù)類似問題的解決具有一定的借鑒意義。