薄壁零件加工工藝方法研究

陳曉薇

（陜西秦川機床工具集團有限公司，陜西寶雞721009）

1 問題的提出

眾所周知，導致薄壁件難加工的主要因素是變形與振動：變形包括因工件剛性差產生的變形、加工中因裝夾力或切削力產生力矩引起的變形、熱處理引起的變形等；而加工中產生的振動又極易引起零件的變形。兩者互相影響，共同作用，使薄壁件的加工顯得很困難。

我公司某新產品機頭采用了雙層分流結構，該結構中的關鍵零件——隔套，就是一個大型復雜曲面薄壁零件，其形狀結構特殊，熱處理變形及加工變形都很大，而且圖紙精度要求高。如果采用常規加工方法，則尺寸及形位公差都難以保證。

零件簡圖如圖1所示。

圖1 隔套零件簡圖

2 零件特點分析

零件左端壁厚10mm，右端為內、外角度錐體，內、外錐體高點處厚度約58mm，錐體最右端為倒圓R1的尖角，總長近850mm，兩端壁厚落差較大，錐體結構復雜，加工振動和變形，以及熱處理變形都會很大。

零件要求硬度≥500HV，芯部硬度250～280HB，滲氮層深0.4mm。

3 理論分析及解決方案

針對該零件薄壁及有復雜曲面的特征，采用毛坯種類為鍛件，并在粗車后進行調質處理。采用毛坯鍛件，能使金屬內部纖維組織按軸向排列，分布致密均勻，從而可獲得較高的抗彎、抗拉、抗扭轉強度。35CrMo是合金結構鋼，綜合機械性能良好，粗車后進行調質處理，可以避免因鍛坯表面脫碳、銹蝕、氧化皮等影響零件的淬透性和淬硬性，起到調整機械性能、去除內應力、穩定組織的作用。經淬火后高溫回火具有良好的綜合力學性能，具有較高的強度、較好的韌性和塑性。

針對零件各部分不同形狀，采用分步驟加工方法：粗車外圓及內孔→除應力→半精車外圓及內孔→時效處理→精車外圓及內孔留放磨量→粗外磨及內磨→低溫時效→外磨及內磨→自然時效→精外磨及內磨→精車加工零件內外錐體部分。采用粗、精加工間隔進行，最后進行精加工，這樣經過多次加工后，逐漸減少零件的變形誤差。同時對車削、內圓磨削、外圓磨削都提出了分多次進刀、每次進刀少余量切削的要求，使加工后零件的精度達到穩定的狀態。因為零件結構比較特殊，左端為薄壁套，右端為四段內、外錐體，右端面處幾乎為尖角，所以加工時裝夾困難、易發生變形。針對這一情況，工藝采用了右端內、外錐體先作成直的內、外圓以利于裝夾，最后再加工成形。左端薄壁套處裝夾時，利用工裝夾具克服夾緊力造成的變形。車削過程中，車床使用精密剛性數控機床CK6163，振動小。粗車時，零件右端內外錐體部分均車為直外圓及直孔，方便后道工序裝夾。半精車時，車出外錐體α角部分留精車量，另一部分仍保持直外圓。β、θ角內錐體部分留精車量。該過程中，因零件壁薄、自身重量大，三爪直接夾持會產生較大裝夾變形。工藝采用內孔用墊套墊實、外圓裝開槽彈性夾套后，再用三爪夾持的方法，使零件不被夾扁。半精車時，頭架轉速在70～90r/min之間，每次進刀量0.2～0.3mm；精車時，頭架轉速在50～60r/min之間，每次進刀量0.1～0.15mm。在加工中，要求多次進刀，并適當調整夾緊力的方法輔助。在最終的精加工前適當放松夾具后再夾緊零件，使加工應力充分釋放。

零件裝夾示意圖如圖2所示。

圖2

外磨工序中，設備為M1450B萬能外圓磨床。采用外磨心軸裝夾工件，以半精車過的內孔作為定位基準，半精車過的θ角內錐體部分頂緊后，兩頂尖頂起外磨心軸，磨削φ355外圓。內磨工序中，因零件外圓尺寸已超出磨床中心架裝夾范圍，故采用組合夾具V型支撐已磨過的外圓，帶動板帶動零件旋轉后磨削內孔，保證尺寸及形位公差。磨削過程分粗、精磨，精磨時要求多次進刀，頭架轉速20～40r/min，砂輪轉速30～40m/s，精磨每次進刀量0.01mm。

最后由CK6163數控車床分粗、精車右端內、外錐體至圖紙要求。裝夾時仍采用內孔、外圓用工裝夾具墊實后，再用三爪夾持的方法。

在零件進行氮化處理后采取研拋的方法降低零件的表面粗糙度。氮化后的零件硬度很高，氮化變形很小，此時研磨拋光后，零件的表面粗糙度會降低。

在粗、精加工中間加入多次熱處理除應力及人工時效的方法，使加工產生的應力逐漸并充分釋放：淬火（加熱溫度860℃，油冷）→高溫回火（加熱溫度600℃，空冷）→除應力（兩次除應力，第一次加熱溫度580℃，空冷；第二次加熱溫度350℃，空冷）→時效（加熱溫度180℃，空冷）→離子氮化（采用工藝裝備及控制變形措施）等熱處理方法與加工方法穿插進行，加熱溫度逐漸降低，保持適當保溫時間，調整冷卻方法和冷卻溫度，逐級減少加工余量，消除應力及變形。同時要求加工工序多次進刀、每次進刀少余量切削，以減少振動及變形。人工時效采用銅棒敲擊，相當于振動時效，消除應力。在薄壁件的加工中，切削熱是影響零件精度的重要因素之一。要求車削、磨削時采用乳化冷卻液的充分冷卻，使零件切削熱充分散發、零件溫度降低，也減小了零件的熱變形。

4 結語

在零件加工的各個階段，通過采取各種辦法，消除和避免變形和振動的影響。經過實踐加工，零件尺寸精度及形位公差均達到圖紙要求，保證了雙層結構的成功運用，對薄壁件的加工進行積極探索，也為今后加工此類零件積累了一定經驗。