不銹鋼薄壁齒形墊環(huán)車削方法研究

劉建偉，萬方前，李寒榮

（東方汽輪機(jī)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(qiáng)的耐蝕能力，并在較高溫度（>450℃）下具有較高的強(qiáng)度。經(jīng)常通常增大鉻的比例或添加可以促進(jìn)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(shí)改變了鋼的內(nèi)部晶體組織結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性能。基于不銹鋼所含的合金元素對(duì)切削性影響，不銹鋼具有切削力大、加工硬化嚴(yán)重、刀具易產(chǎn)生黏附磨損、切削區(qū)域溫度高等特點(diǎn)，屬于典型的難加工材料[1]。

基于不銹鋼的優(yōu)良特性，經(jīng)常用來作為承壓、防銹類工件。大型高溫高壓容器密封經(jīng)常使用端面齒形結(jié)構(gòu)，通過齒面受壓達(dá)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(jié)構(gòu)工件為車削加工帶來了一定的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為刀片磨損快、車削振動(dòng)、形位公差不易保證等。

1 產(chǎn)品分析

我公司新研發(fā)了一種齒形端面密封裝置，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，外徑為φ300 mm、內(nèi)徑為φ255 mm、壁厚為6 mm的薄壁圓環(huán)，兩側(cè)端面具有90°的8齒型密封環(huán)，產(chǎn)品尺寸公差等級(jí)為H7，且具有平行度、平面度0.025 mm要求。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

該產(chǎn)品為典型的薄壁圓環(huán)類零件，剛性差、裝夾困難、車削過程中易振動(dòng)[2]。不銹鋼材質(zhì)零件本身車削困難，薄壁圓環(huán)類零件裝夾、車削更為困難。傳統(tǒng)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(tǒng)加工方式的工藝方案，以保證實(shí)物質(zhì)量及制造效率。

2 工裝設(shè)計(jì)

針對(duì)薄壁圓環(huán)類零件，常使用扇形軟爪夾持工件的方式進(jìn)行車削[3]。扇形軟爪指使用普通車床的4爪非聯(lián)動(dòng)卡盤的中卡爪，在卡爪內(nèi)孔焊接的弧段組成的4爪半圓弧型卡爪結(jié)構(gòu)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(chǎn)品質(zhì)量。但是要特別注意的是，須根據(jù)工件外圓實(shí)際尺寸配合扇形軟爪內(nèi)徑，以保證裝夾時(shí)有效接觸，配車時(shí)可使用棒料裝入扇形軟爪內(nèi)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(jù)薄壁圓環(huán)類產(chǎn)品特點(diǎn)設(shè)計(jì)制作了扇形軟爪，結(jié)構(gòu)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(jìn)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(huì)發(fā)生變形；一次裝夾僅能車削一側(cè)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(guī)方式無法滿足圖樣要求，因此基于產(chǎn)品特點(diǎn)發(fā)明了一套不銹鋼薄壁齒形密封環(huán)車削時(shí)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(shè)計(jì)的車削裝置由固定基座、左側(cè)夾緊墊環(huán)、右側(cè)夾緊墊環(huán)、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(lián)接；定位螺紋套與工件預(yù)先加工的內(nèi)孔配合，保證工件徑向位置不會(huì)在加工過程中移動(dòng)；夾緊墊環(huán)根據(jù)工件及刀具尺寸調(diào)整配做，盡量使夾緊位置靠近工件外側(cè)。

圖3 車削裝置及夾持方法示意圖

車削裝置固定基座設(shè)計(jì)要點(diǎn)：長(zhǎng)度需保證工件左右兩側(cè)具有足夠的加工空間[6]。右側(cè)具有把緊螺紋，通過螺紋聯(lián)接把緊工件。左側(cè)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(nèi)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(shí)需使用機(jī)床尾座頂尖頂緊罩螺母的60°錐孔，確保車削時(shí)整體剛性良好。

根據(jù)工件內(nèi)徑尺寸調(diào)整左右兩側(cè)夾緊墊環(huán)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(shí)剛性更好，甚至可以進(jìn)行5 mm多的大切深粗車加工。

采用可更換的定位螺紋套結(jié)構(gòu)，為工件內(nèi)徑提供軸向定位。使用時(shí)可根據(jù)定位螺紋套外圓尺寸按小間隙配合關(guān)系配車工件內(nèi)徑，保證工件安裝后軸向定位牢固，同批次產(chǎn)品安裝后尺寸一致。

該車削裝置突破了傳統(tǒng)車床夾持工件的思路和模式，實(shí)現(xiàn)了在普通臥式車床高效加工不銹鋼薄壁齒形密封環(huán)。替代原有的車床裝夾模式，實(shí)現(xiàn)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(shí)物質(zhì)量并有效提升了生產(chǎn)效率。

圖5 車削裝置罩螺母結(jié)構(gòu)示意圖

3 制定工藝流程

基于所設(shè)計(jì)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(jī)床尾座頂尖頂緊，確保工件軸向、徑向固定牢固后實(shí)現(xiàn)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(jù)定位螺紋套外圓尺寸，將工件內(nèi)孔預(yù)先加工至φ100 mm，參照車削裝置示意圖安裝各部件，并使用機(jī)床尾座頂尖頂緊。按圖分別車削準(zhǔn)外圓、端面，使用切槽刀[9]分別加工左側(cè)密封槽、右側(cè)密封槽，最后使用切刀沿內(nèi)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(cè)量定位螺紋套外圓尺寸為φ100 mm；使用機(jī)床卡爪夾工件外圓，按小間隙配合制預(yù)加工工件內(nèi)孔；3）參照車削裝置示意圖，依次將夾緊墊環(huán)、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(jī)床，機(jī)床卡爪夾持固定基座外圓，按工裝本體找正后使用機(jī)床尾座頂尖頂緊罩螺母。

3.2 車削不銹鋼齒形密封環(huán)

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

4 工裝應(yīng)用效果

通過一段時(shí)間的使用及驗(yàn)證，證明該套車削工裝能夠很好地實(shí)現(xiàn)薄壁圓環(huán)類似結(jié)構(gòu)件的車削工作。通過固定調(diào)節(jié)工裝的使用，增強(qiáng)了工藝系統(tǒng)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(jìn)給速度等參數(shù)切削加工[7]，有效提高了車削效率。

5 結(jié)語

該方法能夠?qū)崿F(xiàn)車床一次裝夾狀態(tài)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(shí)物質(zhì)量并有效提高生產(chǎn)效率。該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、安全可靠，突破了傳統(tǒng)車床裝夾的思路和模式，有效解決了薄壁件密封環(huán)類產(chǎn)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(huán)類零件的車削加工，具有很好的推廣潛力和經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 不銹鋼齒形環(huán)加工后實(shí)物