不銹鋼薄壁零件的工藝方案探索

陳繼寧 廖慧慧

摘要：薄壁耐熱不銹鋼零件因?yàn)閺?qiáng)度高，耐熱耐腐蝕，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。這類零件尺寸大、壁薄，加工中容易產(chǎn)生變形且不容易保證零件尺寸及形位公差。本文通過對我廠承接的某航空零件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和加工難點(diǎn)的分析，介紹了其加工難點(diǎn)的解決辦法， 滿足了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，發(fā)揮了較好的作用，在同類產(chǎn)品的加工中值得借鑒。

主題詞：耐熱不銹鋼 薄壁 車削加工

1 零件結(jié)構(gòu)分析

零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，零件材料為：1Cr11Ni2W2MoV耐熱不銹鋼，最大外圓φ282.4，最小內(nèi)孔φ171，最薄處壁厚只有1mm，零件總長112mm，外形為樣條坐標(biāo)曲線，圓跳動(dòng)0.1mm，線輪廓度0.4，允許向材料內(nèi)凹下，外形表面粗糙度不大于1.6，分析可得，該零件屬于典型的薄壁、要求較高，難加工零件。該零件為我廠協(xié)外加工某部套型號產(chǎn)品中航空發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)重要零件，該零件的加工質(zhì)量對于發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量及后續(xù)與客戶單位的合作起著至關(guān)重要的作用。因此對于該零件的加工，所具有的意義時(shí)非常重要的。

2 零件材料性能及切削加工性能分析

1Cr11Ni2W2MoV鋼是在低碳的12%Cr鋼中加入大量的W、Mo、V等縮小奧氏體相區(qū)的鐵素體形成元素，使得鋼具有馬氏體相變硬化能力，所得到的一種新型馬氏體耐熱不銹鋼。該鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，拋光表面的1Cr11Ni2W2MoV鋼在淡水和濕空氣中有耐蝕性，在航空工業(yè)中已廣泛應(yīng)用于制造600℃以下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、盤、軸等重要零部件。

材料的加工特性如下：

a） 切削變形大，且不易斷屑；

b） 加工硬化大：硬化程度可達(dá)240%～320%，且前一走刀或前一工序產(chǎn)生的硬化現(xiàn)象在后續(xù)加工中累積，這是加工時(shí)的主要矛盾所在；

c） 力學(xué)性能高：σb=885MPa，δ=12%～15%，aK=100 J/cm2～250J/cm2，269HBS～388HBS，其伸長率和沖擊值偏高，即“韌性大”，切屑不硬被切離，同時(shí)其高溫強(qiáng)度大，親和性強(qiáng)，易產(chǎn)生“積屑瘤”，對工件表面粗糙度起惡化作用；

d） 熱導(dǎo)率低：其熱導(dǎo)率僅為22.2W/（m·K），會引起已變形層內(nèi)熱量的高度集中，而使切削溫度很高，可達(dá)1000℃～1100℃，零件易變形，加工精度難以保證；

e） 刀具磨損快：加工硬化嚴(yán)重、高的切削溫度和在接觸面上較大的單位壓力，使得零件易與刀具發(fā)生冷焊，刀具耐用度低，致使零件表面質(zhì)量較差。

3 工藝方案

3.1 加工難點(diǎn)分析

通過分析可以看出，該零件有以下加工難點(diǎn)：

a） 如何裝夾，保證簡單、易操作、零件變形小；

b） 如何找正加工基準(zhǔn)，從而保證零件尺寸精度、壁厚均勻；

c） 如何防止零件加工過程中的變形；

3.2 解決途徑與措施

3.2.1裝夾方式

此零件完工壁厚只有1.5mm，最薄處僅有1mm，直徑又比較大，剛性較差，如果采用常規(guī)徑向夾緊的方法裝夾，工件將會受到徑向夾緊力和切削力的影響，出現(xiàn)彎曲變形，很難達(dá)到技術(shù)要求。外形又是不規(guī)則曲面，不宜采用套筒裝夾，內(nèi)孔直徑較大，且不好定位和裝夾，

所以采用芯棒的辦法也不可取。

綜合分析，最后決定采用在小端留工藝法蘭，裝夾方式如圖2所示，用壓板裝夾，這樣零件在徑向不受夾緊力，也減小了變形。在車外圓時(shí)，增加輔助頂板，提高工藝系統(tǒng)的剛性。上述裝夾方式定位可靠，拆裝方便，也減少了其它工裝的設(shè)計(jì)制造，既節(jié)省了時(shí)間，縮短了生產(chǎn)周期又節(jié)約了制造成本。

3.2.2基準(zhǔn)選擇

粗車后，每次裝夾時(shí)先修圖2中A基準(zhǔn)面（即法蘭端面），控制平面度，可用于軸向尺寸定位基準(zhǔn)，零件外形的0點(diǎn)坐標(biāo)可以從A面找正。徑向找正必須保證內(nèi)外圓軸線的同軸度，端面與內(nèi)孔軸線的垂直度，此問題采用校正外圓及內(nèi)孔圓跳動(dòng)，加工外圓和內(nèi)孔一次裝夾，保證和機(jī)床主軸同心，加工時(shí)余量均勻，更好的保證尺寸及形位公差要求。

3.2.3零件變形因素分析及解決措施

a） 受力變形

因工件壁薄，在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而影響工件的尺寸精度和形狀精度。在裝夾時(shí)，不要完全壓緊一個(gè)壓板后在壓緊另一個(gè)壓板，而是對稱的逐漸使各個(gè)壓板壓緊，車削完成后，也是對稱的逐漸松開各個(gè)壓板。

b） 受熱變形

因工件較薄，材料本身熱導(dǎo)率低，切削熱不易擴(kuò)散，會引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制，在車削過程中，合理的使用冷卻液，可以有效地解決。冷卻液一般選用乳化液。

c） 振動(dòng)變形

在切削力（特別是徑向切削力）的作用下，很容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，影響工件的尺寸精度，形狀、位置精度和表面粗糙度，此零件我們主要采取以下幾個(gè)措施來減小振動(dòng)：1.控制切削速度；2加工外形時(shí)，可在內(nèi)孔放置一個(gè)厚橡膠板；3車削內(nèi)孔時(shí)可以在外圓上包裹橡膠皮，吸收零件的振動(dòng)能量，達(dá)到減小振動(dòng)的目的。

d） 切削應(yīng)力

當(dāng)每切除一層金屬層時(shí)，由于應(yīng)力釋放，造成變形。針對工件內(nèi)部存在應(yīng)力而車削后引起工件的變形，可以采取以下措施解決，把粗車和精車加工分開進(jìn)行，可消除粗車時(shí)切削力過大而產(chǎn)生的變形，粗車后進(jìn)行退火等去應(yīng)力時(shí)效處理，可減小內(nèi)應(yīng)力。此零件因?yàn)橐筝^高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精度要求高，所以，在粗車和精車之間增加兩道半精車工序，并相應(yīng)增加退火去應(yīng)力，使粗車加工產(chǎn)生的變形逐漸得到修正，幾何形狀和尺寸精度逐步得到提高。

3.3 刀具選用

1Cr11Ni2W2MoV為難切削材料，刀具材料選用紅硬性高，抗彎強(qiáng)度高，耐磨、導(dǎo)熱性好，抗粘結(jié)、抗擴(kuò)散和抗氧化磨損性好的刀具材料，盡量采用性能優(yōu)越的YG8N、YG8、YG6、YG6X等鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具，也可采用YH1、YH2、YD15、712、813等硬質(zhì)合金刀具。高速鋼刀具材料（如W2Mo4Cr4V3、W12Mo3Cr4V3Co5Si）也可選用。

3.4 工藝方案確定加工方案分析

根據(jù)零件的特點(diǎn)和要求選擇合理的工藝方案，是保證薄壁零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵，同時(shí)要從防止變形和保證精度出發(fā)去設(shè)計(jì)加工工藝。只有適當(dāng)?shù)陌才殴に図樞颍牟僮鞑拍鼙ＷC薄壁工件的加工質(zhì)量。

此零件毛坯為環(huán)形鍛件，所以后續(xù)加工去除余量較多，內(nèi)應(yīng)力也較大，所以加工過程中去應(yīng)力次數(shù)定為3次，使內(nèi)應(yīng)力完全釋放，減小內(nèi)應(yīng)力引起的變形，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性及形狀、精度等要求，粗車選擇普通車床，半精車和精車選擇數(shù)控車床，因?yàn)檎{(diào)質(zhì)過程變形較大，去應(yīng)力變形相對較小，所以調(diào)質(zhì)安排在兩道半精車之間進(jìn)行，為了保證加工后零件的表面粗糙度要求，精車時(shí)車刀磨削鋒利，進(jìn)給量應(yīng)較小。為了更好的保證零件尺寸精度要求，去應(yīng)力時(shí)效時(shí)要進(jìn)行穩(wěn)定尺寸處理。因?yàn)榱慵庑魏蛢?nèi)孔為不規(guī)則拋物線，不好直接檢驗(yàn)外型面和內(nèi)型面尺寸，最終選用制作型面樣板的方法，嚴(yán)格控制型面樣板尺寸及公差，用型面樣板來檢驗(yàn)，既能保證尺寸又簡單方便。

結(jié)合以上分析，最終確定此零件加工方案如下：

粗車（單邊留余量3mm）→去應(yīng)力時(shí)效→半精車（單邊留余量2mm）→調(diào)質(zhì)并去應(yīng)力時(shí)效→半精車（單邊留余量1mm）→去應(yīng)力時(shí)效→精車（到尺寸）→熒光檢驗(yàn)表面質(zhì)量→表面化學(xué)鈍化處理→完工尺寸檢驗(yàn)→交付。

3.4.2進(jìn)給量f

粗加工時(shí)，選用硬質(zhì)合金刀具，一般選擇0.2mm/r～0.4mm/r。選用高速鋼刀具時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小f值。

精加工時(shí)，選用硬質(zhì)合金刀具，一般選擇0.08mm/r～0.1mm/r，主要考慮工件表面粗糙度的要求。選用高速鋼刀具時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小f值。

3.4.2車削速度vc

車削速度不宜過高，選擇硬質(zhì)合金刀具時(shí)，一般在0.5m/s～1.5m/s。選擇高速鋼刀具時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小vc值，精加工時(shí)，為保證表面質(zhì)量，選擇恒定線速度切削，可有效保證表面光潔度。

4結(jié)論

本文對1Cr11Ni2W2MoV耐熱不銹鋼薄壁零件的加工進(jìn)行了分析闡述，通過制定合理的加工方案，選擇合適的工裝、刀具及合理的切削用量，運(yùn)用合理的加工技巧，通過實(shí)際加工生產(chǎn)，以上措施很好的解決了薄壁零件的加工變形、加工精度等問題，減少了裝夾校正的時(shí)間，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率并保證加工后零件的質(zhì)量要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]《機(jī)械加工工藝手冊》孟少農(nóng) 主編，1998年3月出版，機(jī)械工業(yè)出版社。

[2] GB/T 20878-2007 不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分。