對不銹鋼薄壁套筒零件加工的探討

尹風婷

（青島市技師學院，山東 青島 266229）

薄壁套筒是機械零件中較為常見的零件，也是大型考試中常考內容。薄壁套筒的加工一直是個難題，由于薄壁套筒的壁厚較薄，加工過程中容易出現振動、加工變形、尺寸難以掌握等問題。要想解決這一系列的問題，我們就要從工件的材料、工件的裝夾、選擇的設備、刀具的幾何參數、切削用量的選擇等方面進行分析，合理選擇相應的加工方法和加工工藝，從而做到有效克服薄壁套筒在加工過程中出現的問題，保證加工精度和表面粗糙度。本文主要從普通車床的角度來論述不銹鋼薄壁套筒零件的加工。

1 薄壁套筒零件圖樣

青島海途工業科技有限公司需要生產圖1 所示的零件，材料為不銹鋼，生產數量為10 件。本圖紙是展示的一個具有代表性的薄壁套筒，薄壁套內孔尺寸為?44+0.013mm， 外 圓 為?46-0.015mm， 長 度41±0.1mm， 壁厚1mm，表面粗糙度要求達到Ra1.6μm，外圓相對于基準A 同軸度要求0.03mm，軸肩相對于基準B 垂直度要求0.02mm，該零件長度比較短，壁厚較薄。

圖1 薄壁套筒圖紙

2 薄壁套筒零件的技術要求

在機械制造行業中，通常把壁厚不足其直徑的1/15的零件稱為薄壁零件，該類零件的特點是：直徑大，壁薄，形位精度、尺寸精度要求較高，薄壁套筒類零件屬于回轉體，其加工方法主要以車削為主。在加工之前我們首先要弄明白薄壁套筒零件在產品中的位置及作用，這樣才能更好地保證產品加工質量。根據各主要表面在機器中所起的作用不同，其技術要求也有所不同。主要從內孔、外圓及各表面的位置精度來體現。

（1）內孔的技術要求。內孔是薄壁套筒零件起支撐或導向作用的最主要的表面，通常與運動著的軸或活塞相配合，其直徑尺寸精度一般為IT7 公差等級，精密軸承套為IT6 公差等級。形狀公差一般控制在孔徑公差以內，較精密的套筒應控制在孔徑公差的1/3 ～1/2。為保證套筒零件的使用要求，內孔表面粗糙度值為Ra1.6μm。

（2）外圓的技術要求。外圓表面通常以過盈或過渡配合與箱體或機架上的孔相配合，起支撐作用，其直徑尺寸精度一般為IT6—IT7 公差等級，形狀公差應控制在外徑公差以內，零件的表面粗糙度值為Ra1.6μm。

（3）各表面間的位置精度。套筒在裝配前進行最終加工，內孔對外圓的同軸度要求較高，一般為0.01 ～0.05mm，本套筒端面在工作中承受軸向載荷，作為定位基準或裝配基準，這時端面與孔軸線有較高的垂直度或端面圓跳動要求，一般為0.02 ～0.05mm。

3 薄壁套筒的裝夾

（1）同軸度要求較高且較短的薄壁套的裝夾方法。對于這類薄壁套的裝夾通常采用的是三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤，設備使用的是CA6140、CD6140A 等車床。為了保證內、外圓的同軸度，應在一次裝夾過程中把內、外圓及端面都加工完畢，這種方法不存在因安裝而產生的定位誤差，可獲得較高的幾何精度。車削薄壁套要分粗精車，粗車后根據實際情況可以考慮先加工零件外圓，將外圓尺寸加工好后，再車削內孔，車削內孔時軸向力較大，徑向力要比車外圓時小，能有效減少振動。如果先車削內孔后再車削外圓，車削外圓時會產生振動，這時可以采用增加心軸，用后頂尖輕輕頂住的裝夾方式，使內孔有個支撐，能相應減少振動。這種車削方法切削用量根據加工性質不同要經常變換，尺寸較難掌握，適合于單件、小批量生產中。本零件因為壁厚較薄，外圓無法裝夾，所以采用在一次裝夾中加工完成后直接切斷保證總長即可。

（2）以內孔為基準的裝夾方法。用已加工好的內孔作為定位基準時，需根據內孔配制一根合適的心軸，再將裝夾工件的心軸支撐在車床上。心軸可采用脹力心軸或實體心軸，實體心軸有不帶臺階心軸和帶臺階心軸兩種。不帶臺階的實體心軸又稱小錐度心軸，其錐度C=1:1000～1:5000，這種心軸制造容易，定心精度高，但軸向無法定位，承受切削力小，裝卸不太方便；帶臺階心軸的配合圓柱面與工件孔保持較小的間隙配合，工件靠螺母壓緊，特別適合一次裝夾多個零件，裝卸方便，定心精度較低。脹力心軸依靠材料彈性變形所產生的脹力來固定工件，裝拆方便，定心精度高，應用廣泛。

4 薄壁套筒的材料特點

本零件采用的是不銹鋼，也有的套筒材料使用鋼、鑄鐵、青銅或黃銅。不銹鋼材質特殊，不銹鋼的物理性能和力學性能會給車削帶來很多困難，加工難度較大。

（1）不銹鋼材料強度高、韌性大，車削時切削力較大，切削變形大，產生的切削熱很大。不銹鋼在高溫下能夠保持較高的強度和硬度，同時導熱性較差，被切屑帶走的熱量較少，車刀切削時一直會處在一個高溫下車削的狀態，使刀具的磨損加劇。（2）不銹鋼粘附性強，車削過程中產生粘附性切屑，容易形成積屑瘤。不銹鋼的粘附性切屑韌性大，不容易折斷，會造成斷屑困難甚至纏繞到工件上，使被加工表面出現撕扯現象，獲得較低的表面粗糙度比較困難，同時會加劇刀具磨損。（3）加工不銹鋼薄壁套筒時易變形，而且易產生振動，刀具易磨損，我們要采用在不斷冷卻及降溫條件下進行加工的辦法，以保證刀具鋒利。

5 薄壁套的車削刀具

材料為不銹鋼，長度41mm，壁厚1mm，表面粗糙度要求達到Ra1.6μm。該工件在車削時因壁厚較薄，在車削時刀具選用不當會產生振動，從而影響尺寸精度和表面粗糙度。為了更好的找到適合加工本工件的刀具，我們選用了三種不同刀具進行加工，以便最終找到能使尺寸精度、表面粗糙度、生產率都達到要求的刀具。

（1）普通硬質合金刀具。我們在加工時從實際出發，采用了先加工外圓后加工內孔的辦法，粗加工外圓采用的是YW2 硬質合金車刀，精加工外圓采用YW1 硬質合金車刀，加工外圓時因為壁厚有余量，車刀基本不產生振動。然后加工內孔，加工內孔時刀具型號和外圓一致，高速車削，由于車刀及刀桿質量問題，致使內孔在車削時出現振動現象，使得表面粗糙度達不到要求，以致影響尺寸精度（圖2）。

圖2 硬紙合金內孔車刀

（2）高速鋼車刀。后來我們對刀具進行了改進，加工外圓時刀具不變，車削內孔時將刀具改為高速鋼車刀，采用?16x16mm 的高速鋼條，自己用砂輪機磨削刀具，采用粗精車分開的加工方法。粗車時選用主軸轉速200r/min，背吃刀量0.5mm，進給量0.2mm/r。精車時選用100r/min，背吃刀量0.1mm。進給量0.1mm/r。這種加工方法零件表面粗糙度和尺寸精度基本能保證，但加工效率較低，在規定的時間內難以完成既定任務（圖3）。

圖3 高速鋼內孔車刀

（3）金屬陶瓷刀片。于是我們對刀具繼續改進，車削外圓時采用型號為KDFT-MTJNR2020K16 的外圓車刀，刀片型號為KDFT-TNMG160404-JS，車完之后零件表面粗糙度明顯降低，能夠保證尺寸精度和表面粗糙度達到要求。對于內孔刀具作了較大改動，內孔車刀采用型號為KDFT-C16Q-SDUCR11 的硬質合金刀桿，刀片采用型號KDFT-DCMT11T304-CW 的金屬陶瓷刀片，高速車削，主軸轉速選用1120r/min，采用這種刀具使整個的內孔加工狀態發生了較大變化，加工過程中振動基本消除，內孔的表面粗糙度明顯降低，能保證表面粗糙的達到要求，也能較好的保證尺寸精度達到要求，生產效率明顯提高，由于內孔刀具的更換，使得本零件加工的重點問題得到解決（圖4）。

圖4 金屬陶瓷內孔車刀

通過對三種刀具的使用對比，我們找到了最理想的刀具，使整個零件的加工質量及效率大大提高，加工工藝的制定更加理想化。

6 薄壁套的內孔尺寸測量

對于內孔尺寸測量的量具種類繁多，有內卡鉗、內測千分尺、內徑千分尺、三爪內徑千

分尺、內徑百分表、內徑千分表、內徑數顯百分表等，我們根據實際情況選擇了三種測量內孔量具，分別為內徑百分量表、三點內徑千分尺、孔用光滑極限量規。

（1）內徑百分表測量。對于本零件的測量量具，我們從實際出發，首先采用了35-50mm 的內徑百分表進行測量，這種百分表也是常用的內孔測量工具，需要和外徑千分尺配合使用，測量精度也非常高，基本能保證零件內孔的測量精度，只是校對量表時要用點時間。使用內徑百分表測量屬于比較測量法，測量時必須擺動內徑百分表，所得的最小尺寸即為孔的實際尺寸（圖5）。

圖5 內徑量表

（2）三點內徑千分尺。隨后我們又選擇了三點內徑千分尺進行測量，將千分尺校對零位后即可使用，不用多次校表，省去了部分輔助時間，該千分尺的三個測量爪在很小幅度的擺動下，能自動地位于孔徑的直徑位置，測量的精度要高于內徑量表，測量的速度也要快于內徑百分表，能有效提高生產效率（圖6）。

圖6 三點內徑千分尺

（3）孔用光滑極限量規。采用孔用光滑極限量規進行測量，孔用光滑極限量規分為通端和止端，量規通端的基本尺寸等于孔的下極限尺寸Lmin，止端的基本尺寸等于孔的上極限尺寸Lmax，用量規檢驗孔徑時，若通端進入工件孔內，而止端不能進入工件孔內，說明工件孔徑合格。這種檢測方法簡單快捷，能快速判定零件內孔是否合格，但對于了解內孔的確切偏差是有點難度的（圖7）。

圖7 孔用光滑極限量規

經過對三種量具的使用對比，最終我們選擇了三點內徑千分尺來進行測量，經過與其他企業對接發現企業在加工此類零件時也是采用的三點內徑千分尺進行測量的。

7 薄壁套的加工工藝

薄壁套的內外公差較嚴，壁厚較薄，容易變形，為了保持內孔與外圓同軸且防止變形，工件加工時要在一次裝夾過程中完成。具體加工步驟：工件伸出長度約80mm。三爪自定心卡盤夾緊；粗車外圓?55-0.015尺寸至?56mm、?46-0.015mm 尺寸至?47mm，長度分別為70mm、38mm；鉆孔，用?33mm 麻花鉆鉆孔，長度70mm；擴孔，用?42mm 麻花鉆擴孔，長度38mm；精車外圓，精車?55-0.015mm 外圓至尺寸要求，保證長度70mm。精車?46-0.015mm 外圓至尺寸要求，保證長度39±0.1mm；精車內孔，保證?34+0.02mm尺寸精度達到要求，長度61mm。精車?44+0.013mm 尺寸精度達到要求。保證長度41±0.1mm；精車?46-0.015mm 外圓至尺寸要求，保證長度5±0.1mm；倒角倒鈍；切斷，保證保證長度60±0.1mm。

如果在加工過程中產生振動，可以考慮自制一心軸，將工件內孔精車后套在心軸上，從端面用頂尖輕輕頂緊或用螺母壓緊，然后加工外圓各尺寸。這樣就需要把步驟五、六對調一下，改成先車削內孔，后加工外圓了。對于本工件的加工，以上兩種方法我們也都對比過，最終選擇了以上加工步驟。使得加工步驟及裝夾更加簡單化。有利于車削加工，提高效率。

8 防止薄壁套筒零件變形的方法

車削套筒類薄壁零件時要特別注意零件的變形問題，引起零件變形的因素很多，如切削力、夾緊力、切削熱、振動、應力變形等，其中影響最大的是夾緊力和切削力，而加工本工件時影響大的還有振動及切削溫度，這就要求我們在車削時要合理選擇切削用量、刀具幾何角度、刀具材料及切削液等。在加工本工件時我們主要采用了以下方法減小薄壁套筒的變形。

（1）粗、精加工分開。粗加工時余量大，車削加工的背吃刀量及進給量選擇較大，切削力大，需要較大的夾緊力。精車時余量小，車削加工的背吃刀量及進給量選擇較小，切削力小，夾緊力也較小。這樣在粗車時夾緊力大些，精車時夾緊力小些，可以有效減小夾緊力引起的變形，提高加工精度。如果是批量生產可以將粗精加工分成兩道工序來干。

根據我們選定的刀具，粗加工時，去除的余量較大，可以選擇較大的背吃刀量、較大進給量及中等主軸轉速，背吃刀量為1.5mm，主軸轉速選擇500r/min，進給量0.2mm/r。精車時可以選擇較小的背吃刀量、較小進給量及高等主軸轉速，背吃刀量為0.25mm，主軸轉速選擇1120r/min，進給量0.1mm/r。這樣既能保證粗車時的加工效率，又能保證加工時尺寸精度和表面粗糙度達到要求。

（2）降低切削溫度。切削溫度對薄壁零件的變形影響較大，在車削時要有效降低零件溫度以減少變形，我們常采用的辦法就是充分使用切削液，降低切削溫度對零件變形的影響。同時切削液對零件的表面粗糙度、刀具的磨損有著一定影響，選擇合適的切削液不僅可以降低切削溫度，還可以改善切屑、工件與刀具間的摩擦狀況，減小零件表面粗糙度，減小切削力，從而延長刀具使用壽命，因此對切削液的選用顯得尤為重要。

車削時常用的切削液有水溶性切削液和油溶性切削液，我們從零件的材料及加工實際需求出發，選擇了水溶性切削液類中的合成切削液，合成切削液是由水、各種表面活性劑和化學添加劑組成。國產DX148 多效合成切削液有良好的使用效果，其性能兼顧了冷卻、潤滑、清洗和防銹，并且不含油，有利于環保。

以上是采用車床加工薄壁套筒零件的粗淺心得，薄壁套筒加工是機械零件加工中的難點問題，在薄壁零件的加工中防止變形是首要問題，并且貫穿于整個加工過程中，同時要對刀具、夾具、切削用量等綜合考慮，采用一些相應的辦法來解決這些問題，只要方法得當，就能加工出合格的薄壁零件。