某殼體零件加工工藝設(shè)計

常 海 張銀洲 肖建強 姚春臣

（江南機器（集團）公司，湖南湘潭 411207）

某零件殼體如圖1所示。該零件是某產(chǎn)品上一個關(guān)鍵性能件，機械性能和材料綜合性能要求都相當(dāng)高，而且壁薄、長徑比大（最薄壁厚為2.2±0.05 mm）、零件還必須承受一定壓力，其水檢壓強P為33±0.2 MPa。所采用的材料為國產(chǎn)45CrNiMo1VA（相當(dāng)于美國的D6AC），屬于低合金超高強度鋼，熱處理要求:σb≥1 470 MPa，δ5≥9%，45.5 ～49.5 HRC。

1 零件分析

1.1 材料分析

該零件采用45CrNiMo1VA材料淬火處理，其材料淬透性高。油中臨界淬透直徑為60 mm（96%的馬氏體），鋼在淬火后可獲得很高的強度，并具有一定的韌性，可加工成型。缺點是硬度高，機械加工困難。

該零件屬半封閉圓筒形狀，其內(nèi)腔長度達到458 mm;由于結(jié)構(gòu)特點，造成選材困難。45CrNiMo1VA材料是比較美國的D6AC自主研制的超高強度材料，目前只用于航空及火箭發(fā)動機，生產(chǎn)批量和品種有限，所以生產(chǎn)廠家只能提供棒料。

如果用棒料采用剝皮挖心的傳統(tǒng)加工方法，勢必消耗大量的原材料（材料的利用率相當(dāng)?shù)停挥?%以下），而且產(chǎn)品強度亦難達到產(chǎn)品的技術(shù)要求，并提高了生產(chǎn)成本，造成生產(chǎn)周期的延長。

1.2 加工性能分析

一是由于零件采用超高強度合金鋼制造，其強度和硬度要求都很高，其熱處理后硬度值可達到49.5 HRC，屬于難加工材料，造成機加困難;特別是加工特B165×2（鋸齒形螺紋）的螺紋，刀具磨損相當(dāng)快，一把YG類合金車刀有時不能加工完成一件產(chǎn)品的一個尺寸，更增加了加工的難度。二是零件結(jié)構(gòu)不適合普通機加設(shè)備生產(chǎn)，因為有內(nèi)外弧球面，只能用數(shù)控車加工，而且還必須設(shè)計專用刀具。三是生產(chǎn)效率不高。四是由于產(chǎn)品加工過程產(chǎn)生變形，其最小壁厚2.2±0.05 mm難以保證。

2 制定方案

該零件主要機械性能是強度和延伸率，在保證這兩點的前提下，適當(dāng)?shù)馗漠a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點對機械加工會有很大的促進作用。根據(jù)產(chǎn)品特點和單位擁有旋壓機和氬弧機的有利條件，我們提出將整體結(jié)構(gòu)改為分段加工，采用氬弧焊焊成整體的方案，并得到用戶的認(rèn)可。因此，我們在工藝設(shè)計時，為節(jié)約材料，降低成本，將零件分為半球體及筒體兩部分。半球體采用毛坯鍛造后機加，筒體采用鍛造后旋壓的工藝，并在毛坯工藝上動腦筋想辦法，將棒料鍛造成管料毛坯，粗車后旋壓成合適壁厚的筒體，再進行機加而成。

2.1 改整體結(jié)構(gòu)為焊接結(jié)構(gòu)

將半球體端分離出來，使零件由一個半球體和一個筒體段組成，然后運用氬弧焊焊接而成。

2.1.1 半球體

半球體部分如圖2所示，用棒料鍛造毛坯后車制而成。工藝為:下料→鍛毛坯→退火→粗車→數(shù)控精車→檢驗→清洗、待焊。

在45CrNiMo1VA材料的毛坯鍛造初期，由于沒有現(xiàn)成的工藝經(jīng)驗可以借鑒，一度產(chǎn)生毛坯鍛造后機加過程產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。經(jīng)過反復(fù)研究和試驗發(fā)現(xiàn):（1）鍛造時，坯料在高溫爐中加熱溫度規(guī)定不合理，產(chǎn)生晶粒組織粗大或過燒;（2）鍛造后未及時進行熱處理;這兩項是造成工件機加時產(chǎn)生裂紋的主要原因。針對這種情況，將鍛造工藝制定為加熱溫度在1 130～1 150℃，并要求加熱時注意翻動坯料，使其受熱均勻，保證坯料在熱透的前提下，盡量縮短高溫加熱時間;鍛造后必須及時轉(zhuǎn)熱處理球化退火，時間不得超過2 h。解決了鍛造后機加出現(xiàn)裂紋這一現(xiàn)象。

2.1.2 筒體段

筒體段如圖3所示，采用棒料鍛造、旋壓毛坯后車削而成。工藝如下:下料→鍛造、退火→車旋壓毛坯→旋壓→退火→車內(nèi)外圓→檢驗→清洗、待焊。

該工藝中旋壓工序是關(guān)鍵，目前國內(nèi)針對45CrNiMo1VA超高強度鋼的旋壓研究不是很多，沒有完整的旋壓資料可以參考。而且，由于產(chǎn)品硬度相當(dāng)高，旋壓芯棒和旋輪的選取以及旋壓參數(shù)的制定是很關(guān)鍵的工作。經(jīng)過反復(fù)試驗和摸索，最后選用4Cr5MoVSi合金鋼作為制造旋壓芯棒的材料;旋輪則采用CrWMn材料，熱處理后硬度要求達到55～60 HRC，才能滿足產(chǎn)品的要求。在旋壓工藝方面，采用強力、反旋方法。為盡量減小擴徑對產(chǎn)品精度的影響，運用4道次旋壓而成，旋壓后退火處理;旋輪采用復(fù)合前角，如圖4。

采用上述工藝方案后，基本上滿足了零件生產(chǎn)工藝的需要;而且，原材料節(jié)約70%以上，生產(chǎn)周期大大縮短，機加成本也大幅下降。

2.2 解決焊接、熱處理變形問題

2.2.1 焊接變形

45CrNiMo1VA屬于超高強度鋼，在焊接過程主要是考慮其熔深性及焊接變形兩方面。為達到最佳的焊接性，采用氬弧焊對接。焊接參數(shù)為電流80 A，焊接速度0.18 m/min，而且焊接前必須進行預(yù)熱處理，焊接后后熱及退火處理。

2.2.2 熱處理變形

考慮到工件熱處理后加工難度增大，在保證工件精度的前提下，將主要機械加工工序排在熱處理之前，只保留必要的精加工工序（車絲及要求同軸度部位）在淬火后進行。

焊接后工藝如下:預(yù)熱、工件焊接→后熱→淬火、回火→精車（特B165×2 mm端）→調(diào)頭精車。

在上述工藝中，由于熱處理后產(chǎn)品變形較大，后續(xù)精車工序中因工件變形過大，無法校正工件而使得精車無加工余量，曾一度使生產(chǎn)陷入困境;必須解決熱處理變形問題，才能使生產(chǎn)按上述工藝正常進行。經(jīng)過認(rèn)真仔細地分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在淬火過程變形不是很大，主要是在回火過程中發(fā)生變形，也就是在產(chǎn)品定型過程中產(chǎn)生了變形。針對這一現(xiàn)象，我們設(shè)計了一回火工裝，在產(chǎn)品回火時裝上。使產(chǎn)品在回火過程產(chǎn)生的變形量減小，如圖5所示。

2.3 壁厚尺寸的控制

在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，焊接后進行內(nèi)外圓加工時圓柱部位壁厚2.2±0.05 mm的尺寸超差，而且有時達到40%。仔細分析原因后發(fā)現(xiàn)，主要是產(chǎn)品（圓柱段）壁薄及受熱處理的影響，在機加過程中由于內(nèi)應(yīng)力釋放所致。原工藝的編制的確存在一定的問題，沒有考慮到變形所產(chǎn)生的影響。經(jīng)過反復(fù)實驗和探討，最后決定更改工藝，在焊接前保證產(chǎn)品的壁厚，焊接后不再加工壁厚尺寸，只保證螺紋及相關(guān)尺寸。

工藝如下:下料→鍛造、退火→車旋壓毛坯→旋壓→退火→粗車內(nèi)外圓→精車外圓→磨外圓→精鏜內(nèi)孔→檢驗→待焊。

外圓采用磨削保證了產(chǎn)品的尺寸精度和一致性，并以此為定位基準(zhǔn)精鏜內(nèi)孔，保證了產(chǎn)品的壁厚尺寸。此工序的關(guān)鍵是采用以鏜代磨來保證內(nèi)孔尺寸控制壁厚2.2±0.05 mm的要求。

2.4 鋸齒螺紋的加工

產(chǎn)品圓柱段大頭為特B165×2 mm的鋸齒形螺紋，由于熱處理后硬度可達到49.5 HRC，對加工螺紋來說相當(dāng)困難。

產(chǎn)品特點:薄壁、淬火變形件，螺紋為33°鋸齒形特形螺紋，螺紋精度為6 h。

加工難點:（1）淬火薄壁件機加性能不好掌握;（2）機加變形大，尺寸難以控制;（3）硬度高，刀具容易磨損。

經(jīng)過反復(fù)摸索最后采用:刀具材料YS8，刀尖角為32°左右，主后角為 3°～5°，副后角為 2°～3°，刃傾角為3°;主軸轉(zhuǎn)速80 r/min，切削速度50 m/min，基本滿足了生產(chǎn)要求。

3 結(jié)語

通過對殼體零件的加工工藝設(shè)計，對于45CrNiMo1VA超高強度鋼的材料性能和加工性能有了進一步的認(rèn)識和提高;同時，采用上述工藝方法加工一是節(jié)約了大量的原材料、每件零件的原材料消耗由91 kg下降到31 kg;二是提高了產(chǎn)品的合格率，由最初60%左右的合格率提高到95%之上;三是成功地采用多種特殊工藝（鍛造、旋壓、焊接）的結(jié)合以及以鏜代磨工藝用于生產(chǎn)，達到節(jié)能減排的效果。對同行業(yè)相關(guān)零件的機加有一定的參考價值。

［1］趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1979.

［2］馮之敬.機械制造工程原理［M］.北京;清華大學(xué)出版社，1999.

［3］王成和，劉克璋.旋壓技術(shù)［M］.北京;機械工業(yè)出版社，1986.