不銹鋼薄壁長套半圓件加工變形及對策

韓鷹飛 周 靖 余克文

(1.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080;2.中冶連鑄技術(shù)工程股份有限公司 湖北 武漢：430040)

不銹鋼薄壁長套半圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的零件加工屬斷續(xù)加工，由于薄壁長套的剛性差，容易變形，加工較為困難。而且材料為0Cr18Ni9屬切削性能差的特性材料，更加增加了加工的難度，為解決零件的加工變形問題，必須在工藝上采取一些措施。

1 薄壁長套半圓件加工中遇到的問題

圖1所示零件壁厚∶直徑=1∶40，零件材料為0Cr18Ni9，固溶處理，是典型的長套和薄壁套，長度方向尺寸要求不高，徑向主要是外圓和右端內(nèi)孔有較高尺寸要求。其難點主要分析如下：

(1)它不是一個整圓件，在車床上是斷續(xù)切削，定位夾緊也很困難，需要復(fù)雜的夾具；

(2)材料0Cr18Ni9屬奧氏體不銹鋼，其高溫強(qiáng)度、硬度高，在高溫時不降低力學(xué)性能，不易斷屑，強(qiáng)度高、塑性強(qiáng)、切削力大，刀具磨損嚴(yán)重；

(3)由于不銹鋼易于粘刀，在刀具前面極易形成積屑瘤，而奧氏體不銹鋼強(qiáng)度高(σb=539MPa)，極易產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，易誘發(fā)馬氏體相變(σb=1568MPa)，導(dǎo)致切削力劇增，刀具磨損加劇，加工表面粗糙度值高；

(4)切削不銹鋼過程中的親和作用，使刀屑間產(chǎn)生粘結(jié)、擴(kuò)散，從而使刀具產(chǎn)生粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損，致使刀具前刀面產(chǎn)生月牙洼，切削刃還會形成微小的剝落和缺口；加上不銹鋼中的碳化物(如TiC)微粒硬度很高，切削時直接與刀具接觸、摩擦，擦傷刀具。

綜上所述，在加工時，必須提高刀具的切削性能，降低切削熱和切削力，減小夾緊力，克服夾緊變形，以滿足圖紙要求。

2 零件的加工工藝措施

零件采用兩件一起車削，即加工一個整圓，然后再分開的方法加工，加工時粗精加工分開，以減小裝夾變形，粗加工時采用鎢鈷類刀具進(jìn)行加工，如YG813、YG532、YG726、YW2等，刀具前角約15～20°，后角可取6～8°，刃傾角-10～20°為宜，切削速度Vc=40～60m/min，進(jìn)給量f=0.1～0.15mm/r，切削深度ap=2～3mm；精加工內(nèi)孔時采用CVD涂層硬質(zhì)合金刀片(涂層由TiCN-Al2O3-TiN三層組成)，切削速度Vc=60～80m/min，進(jìn)給量f=0.1～0.15mm/r，切削深度ap=0.2～0.4mm，冷卻液使用礦物油。

根據(jù)這一方案，制定的工藝路線為：粗車整圓→熱處理(固溶)→半精車整圓→銑(切開)→磨(剖分面)。按照這種工藝路線加工零件時發(fā)現(xiàn)，合格的整圓零件剖開分成兩個薄壁長套半圓件后，在零件的兩端口部向內(nèi)縮，縮小量達(dá)0.5～1mm，如圖2所示。因而在裝配時，零件必須經(jīng)過修磨，但修磨后的零件不符合圖樣要求。究其原因，是零件變形所致。

圖2 剖開件端口向內(nèi)收縮

3 變形原因分析

產(chǎn)生這種誤差的原因主要是零件的內(nèi)應(yīng)力所致。而內(nèi)應(yīng)力是熱處理和車削造成的。在熱處理中，零件經(jīng)加熱，升溫至1010～1150℃左右，再經(jīng)快速冷卻(水冷)，完成對零件的固溶。由此可見，在熱處理過程中，從熱到冷，零件受熱膨脹，遇冷收縮。零件結(jié)構(gòu)不規(guī)則、厚薄不一，則受到的冷熱程度、熱脹冷縮的程度及受熱和冷卻速度不一。壁薄處熱脹快，冷縮也快；壁厚處熱脹慢，冷縮也慢。這種速度差，就會在零件的厚處與薄處的過渡區(qū)域內(nèi)形成相互作用的內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力在整圓零件內(nèi)部是相互平衡的。當(dāng)零件被切開以后，內(nèi)應(yīng)力就要尋求新的平衡。這樣，零件就會發(fā)生變形，而變形的大小，與其剛度有關(guān)。剛度大則變形小。對于薄壁件變形就比較大。該零件由于其中間有一段厚壁，在熱處理冷卻后，中間部分冷卻速度慢，在其兩端壁薄處，溫度已降低了，而中間部分還在冷卻收縮，則在兩端壁薄處產(chǎn)生壓應(yīng)力，如圖3所示。

半精車和銑削也會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，是切削熱引起的，相對來說較小，對零件變形影響不大。至于夾緊力，也會產(chǎn)生變形，但主要是圓度精度受影響，對零件開口影響不大。所以，當(dāng)零件被銑開后，其壓應(yīng)力就在尋求新的平衡時，使零件開口處產(chǎn)生縮口現(xiàn)象。產(chǎn)生這種縮口變形誤差的主要原因就是熱處理產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

圖3 薄壁筒受力狀態(tài)

4 解決問題的辦法

要想解決這個問題，就要從消除內(nèi)應(yīng)力著手。一種辦法是將工件在熱處理后進(jìn)行時效處理。另一種辦法是先切開，再熱處理，然后將兩件點焊在一起加工。這兩種辦法，前一種工藝路線不變，只是加一道時效工序，由于時效處理內(nèi)應(yīng)力不可能完全被消除，故只能減少變形，但不能完全消除變形。后一種工藝路線要進(jìn)行比較大的改變。但這種方法能更有效地消除變形誤差。

現(xiàn)詳述后一種辦法。工藝路線改為：整圓粗車(留有較多的余量)→銑(分開)→熱處理→點焊(合并)→半精車→鉗(分開)→磨。這種改動關(guān)鍵在于先切開，再熱處理。這樣熱處理時，工件可以充分變形。這是由于其形狀是個半圓，而不是整圓，在這時內(nèi)應(yīng)力因零件已變形而會減少很多。而且，在后續(xù)加工時，只是將其余量去除，本身結(jié)構(gòu)不作大的變動(不像原來整圓切開)，故其內(nèi)應(yīng)力的平衡也不會被打破，不會再因內(nèi)應(yīng)力而引起變形。熱處理后，再將兩件在自由狀態(tài)下點焊在一起(合成一個圓)。由于是在粗加工后切開，留有較大余量，在點焊前制作了圓筒工裝，兩半圓靠近工裝就可以實施點焊，然后再精加工，這樣就可以保證點焊后兩個半圓的軸線是吻合在一起的，可以達(dá)到圖紙要求加工精度。在點焊后，焊接點處會有焊接應(yīng)力。由于焊后都是收縮，故在焊點處存在有拉應(yīng)力。而零件的兩端薄壁部分還會存在一定的壓應(yīng)力，兩者可以抵消一些，從而使焊接應(yīng)力對零件不會有什么影響。焊好的零件經(jīng)車削加工后，焊接處僅剩很少一點焊縫，可輕松分開，再將剖分面磨光，便可得到完全合格(開口處基本無變形)的零件。如果要更精細(xì)些，則可在點焊后再加一道時效工序，效果會更好。即：粗車整圓→銑→熱處理→點焊→時效→半精車→鉗→磨。

綜上所述，對于該零件，在工藝上主要采用了合理的刀具、兩件合一和先分開后熱處理的辦法，解決了加工問題和變形問題。因此，解決不銹鋼薄壁件、半圓件的加工問題，需根據(jù)不同情況加以分析，可以找到滿意的解決方法。

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