薄壁深孔焊接件防變形加工工藝

史紅艷，付 淵，齊全洪

（山西北方機械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030009）

0 引 言

某產(chǎn)品筒類零部件多為薄壁、深孔焊接件，加工過程集多種工藝特點于一體，在焊接和機加過程中易產(chǎn)生變形，影響零件精度。薄壁深孔焊接件防變形加工方法綜合了焊接加工工藝、熱處理加工工藝與機械加工工藝，是一種結(jié)合薄壁焊接筒件整體加工過程所采取的控制、減少變形的加工方法。該技術(shù)通過合理確定加工流程及加工參數(shù)，工序間穿插進行熱處理，解決了薄壁深孔焊接件由于焊接應(yīng)力和機加應(yīng)力共同作用使零件加工中產(chǎn)生變形的問題,保證了薄壁深孔焊接件的加工質(zhì)量。薄壁深孔焊接件的防變形加工方法是深孔加工方法的延伸、拓展和整合，適用于火炮及其他行業(yè)薄壁套筒類零件的加工，對提高薄壁深孔類產(chǎn)品的加工質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 零部件工藝特點分析

某產(chǎn)品上的零部件多為薄壁、深孔且內(nèi)孔鍍鉻的組焊件。以其中一薄壁深孔組焊件為例說明，壁厚為5～6 mm，深度不等，在300～700 mm之間不等，內(nèi)孔尺寸精度在IT8～IT9之間，表面粗糙度高且內(nèi)孔每隔一定距離在互相垂直的方向上測量，見圖1，最大最小差不能超過某一尺寸[1]。

圖1 某薄壁深孔組焊件簡圖

2 零部件的加工難點

薄壁深孔焊接件的加工由于機加應(yīng)力和焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力共同作用使零件加工中產(chǎn)生變形；另外，由于薄壁筒剛度不足，裝夾和加工時容易產(chǎn)生變形。零件內(nèi)孔在焊接部位，兩端口部均有不規(guī)整的超差，尺寸精度和形狀公差不能保證。

在機械加工中，深孔較一般孔的加工難度大，而薄壁、焊接筒的加工由于焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和機加應(yīng)力共同作用使零件加工中產(chǎn)生變形；由于薄壁筒剛度不足，裝夾和加工時容易產(chǎn)生變形；深孔加工，切削時刀具系統(tǒng)易產(chǎn)生振動，導(dǎo)致刀具軸線走偏且變形超差。

多種變形因素使零件技術(shù)要求如內(nèi)孔尺寸精度與形狀公差、壁厚差等加工精度難以保證。

3 零件加工的工藝

3.1 工藝分析

薄壁深孔焊接件防變形加工技術(shù)的總體思路：根據(jù)零部件件的結(jié)構(gòu)特點進行工藝性分析—確定薄壁深孔焊接件的加工要點和難點—提出解決方案。針對上薄壁深孔焊接件的特點，通過多次試驗，確定了如下總體方案：下料—機加—焊接—機加—鍍鉻，并細(xì)化各個階段的工藝方案，采取各種工藝措施，保證零件加工質(zhì)量[2]。

毛坯材料選用35Cr、40Cr的無縫鋼管；長短選用單件的2倍，在批量生產(chǎn)時提高加工效率。

3.2 加工工藝

3.2.1 第一次機加工

齊兩端面、粗車外圓、粗鏜孔，切除大部分余量；再精車焊接部位，劃線并鉆孔待焊接用。其中加工后的外形設(shè)計為切斷后可成兩件成品，需要尺寸鏈的換算[3],如圖2所示。

3.2.2 焊接方法

材料選用 35Cr、40Cr，為合金結(jié)構(gòu)鋼，焊后易產(chǎn)生冷裂紋，因此焊接過程中應(yīng)采用一定的工藝方法降低焊接接頭的淬硬傾向，防止產(chǎn)生裂紋。由于零部件筒壁較薄，焊接生產(chǎn)中會產(chǎn)生變形，同時在后續(xù)的機加工中由于焊接應(yīng)力的存在，也會產(chǎn)生變形，因此在焊接時就要盡量控制變形在最低限度的情況下最大可能地降低焊接殘余應(yīng)力。圖3為焊后示意圖。

3.2.3 焊后進行去應(yīng)力退火，消除焊接殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定焊后尺寸，降低產(chǎn)生冷裂紋的傾向。

3.2.4 第二次機加工（中間穿插熱處理）

機加過程及熱處理簡述：第二次機加是加工的關(guān)鍵件工序，內(nèi)孔的尺寸精度、直線度、圓柱度、表面粗糙度等要求都要在此加工中保證。

由于焊接變形、薄壁筒剛度不足、裝夾和加工時容易產(chǎn)生變形、切削時易振動、內(nèi)孔容易走偏且變形超差，其他技術(shù)要求如壁厚差、內(nèi)孔圓柱度等形位公差也難保證，因此可通過如下方法進行解決。

通過加工試驗確定機加工藝路線為：去應(yīng)力退火—粗加工—去應(yīng)力退火—半精加工—時效處理—精加工。

圖2 某薄壁深孔組焊件中間加工簡圖

圖3 某薄壁深孔組焊件中間加工簡圖

為了保證內(nèi)孔的加工質(zhì)量，采用內(nèi)孔和外圓互為基準(zhǔn)的方法，逐步去除加工余量，內(nèi)孔需經(jīng)過深孔鉆削、深孔粗鏜、半精鏜、精鏜、珩磨或拋光等工序的加工。過程如下：

1）焊后在較高溫度下退火，消除焊接產(chǎn)生的應(yīng)力。

2）以內(nèi)孔和外圓互為基準(zhǔn)粗、半精加工內(nèi)孔和外圓，并在此后切成兩個工件。安排此工序切斷避免了在加工完成后切斷時產(chǎn)生的薄壁深孔口部的變形；以內(nèi)孔和外圓互為基準(zhǔn)，反復(fù)加工，逐步切削余量，防止切削受力變形，從而為后續(xù)工序保證加工精度和形位公差奠定工藝基礎(chǔ)。

3）切斷后送熱處理，消除在機加過成程中的機加應(yīng)力。

4）采用浮動鏜刀進行精鏜內(nèi)孔，留余量待磨。

5）時效處理，消除精鏜內(nèi)孔時產(chǎn)生的受力變形與避免磨削時產(chǎn)生的熱變形。

6）內(nèi)孔的粗磨，此工序在數(shù)控珩磨機上進行。為避免裝夾變形，在裝夾時采用加裝開口套的方法。

7）精車外圓、內(nèi)支口及內(nèi)螺紋的加工。

8）內(nèi)孔的精磨，磨后保證內(nèi)孔尺寸要求。

9）其他輔助工序的加工，如劃線、銑、鉆、鉗等工序。

10）內(nèi)孔的拋光，進一步提高表面粗糙度。

4 變形控制技術(shù)

1)薄壁筒加工變形控制首先防止在機械加工過程中的裝夾變形。由于薄壁筒剛度不足，裝夾和加工時容易產(chǎn)生變形，合理選擇裝夾定位方式和夾緊裝置結(jié)構(gòu)，使夾緊力、夾緊接觸面積、作用部位保證裝夾可靠且不產(chǎn)生超出允許范圍的變形。加工時合理選擇刀具和切削參數(shù)，盡量減小切削力的不利影響。以內(nèi)孔和外圓互為基準(zhǔn)，反復(fù)加工，釋放機加應(yīng)力。

2)在加工過程中按照加工余量與變形量適時進行去應(yīng)力退火熱處理，選用正確的退火、時效處理工藝參數(shù)。

3)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，設(shè)計新型焊接工藝及防變形焊接工裝。

5 結(jié)束語

1）解決了薄壁深孔焊接件加工由于焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和機加應(yīng)力共同作用使零件加工中產(chǎn)生變形的問題，保證了薄壁深孔焊接件的加工質(zhì)量與各項技術(shù)指標(biāo)。

2）薄壁深孔焊接件防變形加工技術(shù)是在套筒、深孔加工方法的基礎(chǔ)上采用合理工藝路線及機加過程中適時熱處理的工藝措施解決了變形問題，該項技術(shù)是深孔加工方法的延伸、拓展和整合。

3）薄壁深孔焊接件防變形加工技術(shù)已成功應(yīng)用在某產(chǎn)品的批生產(chǎn)中，技術(shù)成熟，加工質(zhì)量穩(wěn)定。為薄壁深孔焊接件類零件的加工創(chuàng)造了成功的案例，可適用于機械行業(yè)類似零件的加工。

[1] 李旦.機械加工工藝手冊[M].第2版.北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2] 鄭修本.機械制造工藝學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1999.

[3] 王先奎.機械制造工藝學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.