典型金屬零件的加工實例分析

魯秋平

（沈陽航天譽興機械制造有限公司，遼寧沈陽110043）

典型金屬零件的加工實例分析

魯秋平

（沈陽航天譽興機械制造有限公司，遼寧沈陽110043）

金屬零件的機械加工是以設計尺寸為基礎，結合使用要求和裝配條件，選擇合理工藝路線，使加工的零件達到預期目標。選擇材料是機械加工的前提要素，尺寸精度高、形位公差嚴的零件，對其材料的綜合機械性要求更高。針對軸類、板類等典型零件，不同的使用場合需有不同的熱處理，適當輔助基準有利于制造、安裝、調試。

零件；材料；熱處理；加工工藝

機械制造工藝極其廣泛，包括毛坯制造、機械加工、熱處理和產品裝配等。金屬零件的加工通常需要考慮被加工零件的材料、熱處理、尺寸公差和形位公差等級，因此要選擇合理的工藝路線。其中，軸類工序為：粗車－精車－外磨/內磨；板類工序為：銑－平磨－鉆孔/鏜孔。

機械加工的原則：先加工設計、工藝基準，其中工藝基準包括工序、定位、測量、裝配基準；劃分粗、精加工階段，尤其分為熱處理前和熱處理后；先面后孔，便于定位；次要表面可穿插在各個加工階段間進行[1]。批量生產中的工藝參數要實時監控，動態參數及時調整，以保證產品的一致性。而制造過程中使用輔助基準，一般與零件的加工尺寸并無直接聯系，主要為了保證零件實現設備中的設計功能，添加必要的參考平面，相對容易忽視輔助基準在加工中的重要性。

1 材料及熱處理

金屬材料的綜合機械性能對加工有較大的影響，設計人員在材料選擇上應考慮強度、硬度、切削性能、熱膨脹系數、熱處理性能以及零件功能等技術要求。金屬零件常用材料：Q235、Q345、HT200、20、45、40Cr、T8、CrWMn、GCr15、38CrMnAl、Cr12MoV等，主要特性如表1所示。

表1 常用材料特性

鋼的熱處理就是通過改變金屬內部組織，來改善金屬的性能，提高材料的使用價值。通常的考察特性為淬硬性、淬透性、回火脆性、回火穩定性。含碳量越高淬硬性越好，但硬度過高、淬透性不好的金屬會使零件變脆，回火可以增加材料的韌性，淬透性好的材料，芯部和表面的硬度差別小，在相同條件下，含有錳、鉬、鉻、鎳等元素的合金鋼都有良好的淬透性。淬硬層的深度還與淬火劑的冷卻速度有關，其中水和鹽水可以增加淬硬層深度，但快速冷卻容易造成開裂，形狀復雜截面較大的零件只能使用油類等緩和淬火劑。含有鉬或鎢的鋼不會產生回火脆性，對于工具鋼，回火穩定越高，高速切削越穩定；對于結構鋼，回火穩定性高的材料在相同的強度和硬度下，韌性越好[2，3]。

2 軸類

軸類零件常用材料45#鋼，熱處理硬度HRC35，綜合機械性能良好。對于中等精度的軸，選用40Cr，熱處理可以得到較高的力學性能。精度較高的軸應選擇GCr15，經調質表面淬火可以得到更高的耐磨性和疲勞性。38CrMoAl氮化鋼，經調質氮化后，表面具有很高的耐磨性，芯部具有足夠的強度和韌性，熱處理變形較小。

軸類分為：轉軸、傳動軸和心軸。其中轉軸既承受扭矩又承受彎矩；傳動軸只承受扭矩不承受彎矩；心軸只承受彎矩不承受扭矩。機床刀柄軸要求高精度、高同軸度、高耐磨性，在發熱量較大的情況下，仍需保持良好的強度和剛度，足夠的韌性和抗沖擊性。軸的旋轉精度和剛度是影響加工質量重要因數，旋轉精度主要由徑向和軸向跳動決定，剛度主要由材料性質決定。在機床轉軸加工領域中，針對不同直徑的軸，考慮加工、熱處理原理，機床專用的刀柄軸采用旋轉軸和刀套一體軸，其結構如圖1所示。

圖1 刀柄軸

總體工藝方案為：粗加工－調質－半精加工－人工時效－精加工－表面滲氮，表2簡單說明了刀柄軸加工工序。其特征為：軸端頂孔直徑≤3 mm；滲氮前整體調質；精加工前人工時效；刀套部分加工順序為：外圓－內圓－穿芯棒－外圓－內圓；刀套端面配磨，頂住刀柄；外磨各外圓的砂輪進給方向沿著軸線方向，減小軸的跳動公差。

表2 刀柄軸工序

38CrMoAl具有良好的滲氮性能和很高的機械性能，淬火溫度（950±10）℃，油冷或水冷，硬度HRC>56，回火200℃，硬度HRC>55，回火（640±30）℃，空冷，硬度HRC31~38，耐熱和耐腐蝕性良好、滲氮處理可以得到高表面硬度、高疲勞強度和良好的抗過熱性，工作溫度不高于500°C，淬透性差，一般滲氮使表面韌性下降，所以在滲氮前調質，增加心部韌性，避免在沖擊較大的場合使用[4]。滲氮前調質可獲得良好的綜合力學性能，不經調質直接滲氮的軸，心部強度和韌性較低，使心部和表皮的硬度差過大，脆性傾向增大，造成無法支撐表面硬層，滲氮層易脫落。熱循環離子滲氮經過反復多次離子滲氮，用時2~5 h，滲氮層厚度可達0.29~0.45 mm[5]，可以滿足使用要求，相對于其它滲氮20~80 h的用時，速度較快，適用于軸類。

3 板類

板類零件常用材料45#鋼，熱處理可以到良好的機械性能，一般零件選擇Q235鋼；機床床身，變速箱體常用各類灰鐵，其有較好的鑄造性、耐磨性、切削性和吸振性，成本較低。

鉆模板是用來加工曲軸8個直油孔，分為A片和B片，通過液壓缸控制進給位置，使用兩個銷軸定位，油孔尺寸完全一致，兩塊板的外形稍有不同，各板內加工切削液專用冷卻水道，在定位銷口通過高壓進切削液，切削液沿內型腔傳遞至帶有一定角度的噴水口，要求水柱越過導柱，方向對準鉆頭根部，可以完全冷卻鉆頭切削產生的熱量。整體結構雖然復雜化，但安裝使用方便，維護成本較低，適用于生產線長期使用，其結構如圖2所示。

圖2 鉆模板

設置導柱是為了減小導向板的總厚度，降低鉆模板的重量，減小液壓缸受到的端部重力彎矩，有利于油孔加工質量的提高。水道直徑依次遞減，可以使板內切削液保持較高的壓力，噴水口濺射效果更好，鉆頭在整個切削過程處于完全冷卻，減小刀具的磨損率。聯動加工可以保證油孔相對位置精度，油孔光潔度、同軸度進一步得到提高。

總體加工方案：導向板和導柱分別單獨粗加工，焊接后整體精加工，難點在導向板的加工和焊后的整體加工，表3為導向板和焊后的整體加工工序。其特征為：內部冷卻水道相互貫通，避開8－φ18偏心套底孔；噴水口φ6角度60°，冷卻位置對準鉆頭根部；導柱高于鉆模板前表面46 mm；鉆模板為A片和B片兩片成對使用，兩側同時鉆孔；材料為45#鋼，熱處理硬度HRC30～36；定位銷是空心形式，切削液進口在兩處定位銷上。

表3 鉆模板工序

正火正常化可以消除焊接導柱產生的殘余應力，細化焊接區域的晶粒組織，便于后續加工，防止熱處理產生裂紋。工件殘余應力有：毛坯制造的殘余應力；零件冷校直帶來的殘余應力；切削加工產生的殘余應力，切削熱產生的變形和工件去除殘余應力后殘余應力重新分布產生的變形。減小殘余應力的方法有：合理設計零件結構，降低壁厚差，增大零件的剛度；對工件進行熱處理和人工時效，高溫時效適用于粗加工，低溫時效適用于半精加工之后。

熱處理產生的變形應越小越好，加熱冷卻溫度要均勻緩慢，回火溫度600℃，硬度降至不足20HRC，組織發生嚴重軟化[6]，工件整體厚度盡量一致，在滿足工藝的要求下，盡量使用油性介質。淬火產生裂紋的原因：應力集中；號鋼含碳量大，脆裂傾向增大；加工應力淬火未被消除。熱處理工序原則：一般變形較大的安排在精加工磨削之前，變形較小的安排在精加工之后；預備熱處理，目的在于改變加工性能，為最終熱處理做準備和消除應力，如正火、退火和時效處理，通常放在粗加工之后，有利于消除粗加工產生的殘余應力，減小變形量。

圖3為百分表拉直基面，找正基準，準備精鏜孔。加工中心精鏜孔精度達到0.01mm，由于材料有一定的硬度，會磨損刀尖，必須在加工過程調整刀具補償，結果顯示加工兩個孔后，其直徑相差0.006 ~0.007 mm，調整刀補是非常必要的。為了保證的鏜孔精度，可以先使用精度低的刀柄和刀具進行粗加工，留出加工余量后，再使用精度高的刀柄和刀具進行精加工，可以保證最小的刀具磨損量，達到最大的加工精度。基準孔和聯接孔均是盲孔，分別在板的兩面，需要裝夾兩次，先鏜基準孔和鉆套孔，反向裝夾時，校正基面，以φ18孔為基準，反算其它尺寸。

圖3 拉直基面

4 結束語

金屬零件的機械加工必須根據設計要求和加工工藝，選擇合理的材料與熱處理，使零件達到更高的機械性能，以滿足使用功能，要注重熱處理對材料性能的提升。軸類和板類為典型的機械零件，通常狀態下軸類零件要求同軸度，板類零件要求平行垂直度，加工過程中要有參考基準和工藝孔，便于后續的制造檢驗。

[1]王選逵.機械制造工藝學[M]．第2版.北京：機械工業出版社，2007.

[2]張久龍.淬透性和淬硬性的概念介紹[J].金屬加工，2008，（19）：67-69.

[3]胡光立，謝希文.鋼的熱處理[M]．西安：西北工業大學出版社，2010.

[4]楊剛.滲氮工藝對機床主軸用38CrMoAl鋼性能的影響[J].鑄造技術，2014，35（7）：1450-1452.

[5]雷廷全，傅家琪.金屬熱處理工藝方法500種[M]．北京：機械工業出版社，1998.

[6]王洋，王樹奇，魏敏先.45#鋼磨損性能和磨損機制的研究[J].材料熱處理技術，2010，39（16）：11-14.The Example Analysis of Typical Metal Parts Processing

LU Qiu-ping
（Shenyang Aerospace Yuxing Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Shenyang 110043，China）

The mechanical processing of metal part is based on the design size，combines with use requirements and assembly conditions，chooses reasonable workmanship，and makes the part to achieve the desired goals. The choice of materials is the key premise of processing machinery，high size precision，strict form and position tolerance of the part，which has higher requirements of the material comprehensive mechanical properties. For typical parts，such as shaft，plate and so on，different heat treatment should be used in different occasions，appropriate auxiliary benchmark is conducive to manufacturing，installation，debugging.

parts；materials；heat treatment；processing technology

T G15

B

1672-545X（2016）09-0132-03

2016-06-29

魯秋平（1986-），男，遼寧丹東人，工學碩士，助理工程師，主要從事發動機零部件設計相關工作。