不銹鋼薄壁齒形墊環車削方法研究

劉建偉，萬方前，李寒榮

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

0 引言

不銹鋼指的是含鉻量大于12%或含鎳量大于8%的合金鋼。不銹鋼具有較強的耐蝕能力，并在較高溫度（>450℃）下具有較高的強度。經常通常增大鉻的比例或添加可以促進鈍化的合金元素（如Ni、Mo、Mn、Cu、Nb、Ti、W、Co等），這些元素不僅提高了鋼的抗腐蝕能力，同時改變了鋼的內部晶體組織結構及物理力學性能。基于不銹鋼所含的合金元素對切削性影響，不銹鋼具有切削力大、加工硬化嚴重、刀具易產生黏附磨損、切削區域溫度高等特點，屬于典型的難加工材料[1]。

基于不銹鋼的優良特性，經常用來作為承壓、防銹類工件。大型高溫高壓容器密封經常使用端面齒形結構，通過齒面受壓達到密封作用。由于此類密封件需要承壓變形，故一般壁厚較薄，不銹鋼薄壁齒形結構工件為車削加工帶來了一定的挑戰，具體表現為刀片磨損快、車削振動、形位公差不易保證等。

1 產品分析

我公司新研發了一種齒形端面密封裝置，產品結構如圖1所示，外徑為φ300 mm、內徑為φ255 mm、壁厚為6 mm的薄壁圓環，兩側端面具有90°的8齒型密封環，產品尺寸公差等級為H7，且具有平行度、平面度0.025 mm要求。

圖1 產品結構示意圖

該產品為典型的薄壁圓環類零件，剛性差、裝夾困難、車削過程中易振動[2]。不銹鋼材質零件本身車削困難，薄壁圓環類零件裝夾、車削更為困難。傳統加工方式已無法滿足要求，急需尋求一種車削方法取代傳統加工方式的工藝方案，以保證實物質量及制造效率。

2 工裝設計

針對薄壁圓環類零件，常使用扇形軟爪夾持工件的方式進行車削[3]。扇形軟爪指使用普通車床的4爪非聯動卡盤的中卡爪，在卡爪內孔焊接的弧段組成的4爪半圓弧型卡爪結構樣式（如圖2），利用圓弧增加與工件接觸面積，分散裝夾力，可以有效減少裝夾變形，以提高產品質量。但是要特別注意的是，須根據工件外圓實際尺寸配合扇形軟爪內徑，以保證裝夾時有效接觸，配車時可使用棒料裝入扇形軟爪內孔，待4爪分別固定牢固后取出棒料后配車軟爪[3]。

由于扇形軟爪可將夾持力分散、減少變形，根據薄壁圓環類產品特點設計制作了扇形軟爪，結構樣式如圖2所示。

圖2 扇形軟爪使用示意圖

扇形軟爪夾持工件進行車削的方式雖然可以減少夾持引起的工件變形[4]，但是該方法也存在局限性：工件仍受夾持力，車削后松開軟爪，工件也會發生變形；一次裝夾僅能車削一側端面，需要翻身加工，也存在形位公差不易保證的弊端[5]。

由于常規方式無法滿足圖樣要求，因此基于產品特點發明了一套不銹鋼薄壁齒形密封環車削時工件固定夾持裝置及夾持裝置一次車削成型的方法。

如圖3所示，所設計的車削裝置由固定基座、左側夾緊墊環、右側夾緊墊環、定位螺紋套、罩螺母組成。固定基座與罩螺母分別具有相互配合的螺紋聯接；定位螺紋套與工件預先加工的內孔配合，保證工件徑向位置不會在加工過程中移動；夾緊墊環根據工件及刀具尺寸調整配做，盡量使夾緊位置靠近工件外側。

圖3 車削裝置及夾持方法示意圖

車削裝置固定基座設計要點：長度需保證工件左右兩側具有足夠的加工空間[6]。右側具有把緊螺紋，通過螺紋聯接把緊工件。左側外圓尺寸需要方便卡爪夾持即可。

圖4 車削裝置固定基座外形示意圖

端面壓緊用罩螺母內孔螺紋與固定基座螺紋匹配，通過外六方使用普通扳手把緊。車削工件時需使用機床尾座頂尖頂緊罩螺母的60°錐孔，確保車削時整體剛性良好。

根據工件內徑尺寸調整左右兩側夾緊墊環尺寸，在保證切刀切斷空間足夠的情況下盡可能大，以提供給工件較大的支撐，確保車削工件時剛性更好，甚至可以進行5 mm多的大切深粗車加工。

采用可更換的定位螺紋套結構，為工件內徑提供軸向定位。使用時可根據定位螺紋套外圓尺寸按小間隙配合關系配車工件內徑，保證工件安裝后軸向定位牢固，同批次產品安裝后尺寸一致。

該車削裝置突破了傳統車床夾持工件的思路和模式，實現了在普通臥式車床高效加工不銹鋼薄壁齒形密封環。替代原有的車床裝夾模式，實現了一次裝夾完成全部工序的加工。減少了因多次翻身裝夾找正造成的誤差，保證了實物質量并有效提升了生產效率。

圖5 車削裝置罩螺母結構示意圖

3 制定工藝流程

基于所設計的車削裝置制定了全新的工藝方案：采用上述車削裝置把緊工件并使用機床尾座頂尖頂緊，確保工件軸向、徑向固定牢固后實現外形一次加工成形，并使用刀具切斷后取出工件。

制定工藝方法：根據定位螺紋套外圓尺寸，將工件內孔預先加工至φ100 mm，參照車削裝置示意圖安裝各部件，并使用機床尾座頂尖頂緊。按圖分別車削準外圓、端面，使用切槽刀[9]分別加工左側密封槽、右側密封槽，最后使用切刀沿內孔尺寸位置切斷并取下工件，具體的工藝流程如下。

3.1 車削裝置安裝

1）測量定位螺紋套外圓尺寸為φ100 mm；使用機床卡爪夾工件外圓，按小間隙配合制預加工工件內孔；3）參照車削裝置示意圖，依次將夾緊墊環、定位螺紋套、工件、罩螺母安裝到位，并使用扳手把緊；4）將車削裝置整體吊裝至機床，機床卡爪夾持固定基座外圓，按工裝本體找正后使用機床尾座頂尖頂緊罩螺母。

3.2 車削不銹鋼齒形密封環

1）使用外圓車刀分粗、精車，車準外圓；2）使用端面車刀分別車準左右兩側端面；3）使用切槽刀分別加工左側密封槽、右側密封槽；4）使用切刀沿內孔尺寸位置切斷并取下工件；5）清理內孔局部毛刺，復查尺寸。

4 工裝應用效果

通過一段時間的使用及驗證，證明該套車削工裝能夠很好地實現薄壁圓環類似結構件的車削工作。通過固定調節工裝的使用，增強了工藝系統的整體剛性，順利地完成工件端面及外圓的車削加工。得益于工件剛度的提高，可以采用5 mm左右的大切深、高進給速度等參數切削加工[7]，有效提高了車削效率。

5 結語

該方法能夠實現車床一次裝夾狀態下完成全部工序的加工，取代原有的車床夾持工件的模式[8]。減少了因多次翻身裝夾找正的誤差，保證了實物質量并有效提高生產效率。該發明結構簡單、通用性強、安全可靠，突破了傳統車床裝夾的思路和模式，有效解決了薄壁件密封環類產品裝夾找正困難及變形問題。該裝置及方法可以推廣至其它薄壁圓環類零件的車削加工，具有很好的推廣潛力和經濟效益。

圖6 不銹鋼齒形環加工后實物