不銹鋼薄墊片精密加工工藝研究

程劍

（江蘇省相城中等專業學校，江蘇 相城 215000）

1 問題的提出

在管道橫向限制件產品加工制造過程中，有一種不銹鋼薄墊片零件，該墊片配套數量較多（30件/單臺機組），奧氏體不銹鋼（0Cr18Ni9）材質，厚度尺寸為8.4+(0.05~0.15)mm，長寬尺寸分別為1046 mm、489 mm，面平行度允差0.15 mm，面平面度允差0.4 mm，雙面表面粗糙度分別為Ra1.6 μm和Ra6.3 μm。對于近0.52 m2大面積的不銹鋼薄板件，要實現如此高的設計技術要求，其加工的技術難度不言而喻[1]。如果能夠順利解決這一技術難題，不僅關系到能否按期完成該重點工程項目，還可以為今后在類似高精度不銹鋼薄墊片加工方面積累寶貴的經驗[2]。

1）現有工藝方案。

僅工藝技術方案就制定了數種，其中主要試驗方案有[3]：

方案一：剪切備料（δ=10 mm鋼板坯料）→雙面刨、銑去除厚度方向上的部分加工余量至δ=9 mm→采用工裝過橋板解決工件的裝夾、定位問題，在M7150/NB平面矩臺磨床上正反磨削至圖示尺寸→修整外形→檢驗測量。

方案二：等離子切割備料（δ=10 mm鋼板坯料）→雙面刨、銑去除厚度方向上的部分加工余量至δ=9 mm→采用專用設備，雙面拋光成形處理至圖示尺寸→修整外形→檢驗測量。

除以上常規加工工藝以外，技術組還委托一些專業冶金機械單位，嘗試了冷滾壓、雙面同步擠壓等特種加工工藝，但無一例外地出現了這樣或那樣的加工缺陷，尤其是平面度和平行度以及表面粗糙度這3項技術指標，根本無法同時保證產品設計技術要求。其中最為突出的一項技術難點在于：無法有效地解決工件在加工過程中或加工后，因出現緩慢的延遲變形，導致原本檢驗合格的工件出現嚴重的平面度超差等問題，嚴重影響了工件的成品加工合格率。

2）現有工藝方案技術分析。

在多次的工藝試驗之后，我們對不銹鋼材料的加工性能有了一定的了解，同時也對該墊片零件在各種加工工藝試驗中出現的技術問題進行了細致、認真的分析，總結出墊片出現上述加工質量問題的主要技術因素有[4]：

a.奧氏體不銹鋼材質本身對于機械切削加工的抗力特征十分顯著，機加工性能較差，在加工過程中容易形成二次應力集中，導致工件出現較大的變形。

b.奧氏體不銹鋼鋼板在軋制后內部存在著大量的殘余應力，且由于該種不銹鋼本身具有良好的塑性和韌性，其內部的殘余應力會在較長的周期內緩慢得到釋放，因而造成墊片在機加工后發生較大的彈性變形。

c.奧氏體不銹鋼較小的導熱系數使得其在機加工切削過程中，即便是產生輕微的切削熱量，也會給工件帶來一定的變形，尤其對于薄壁、大尺寸類工件，這種變形會更加明顯。

d.由于加工零件屬于超薄件，且外形尺寸偏大，因此零件自身的剛度十分薄弱，在原材料中轉、下料、機加工等每一道加工工序上都極易產生外力變形，且這種變形是無法通過后期單純的人工或機械矯正實現零件的精密平整處理的。

e.零件在前期采用刨、銑、滾壓等常規機械加工方法去除鋼板毛坯余量的工藝，未能充分考慮到這些加工工藝方法的切削抗力對零件本身所造成的影響，致使零件在加工過程中的變形趨勢加劇。

f.零件在后期精密磨削加工時，采用了粒度為60目的普通綠碳化硅砂輪。在切削過程中，砂輪黏附現象嚴重，容易出現堵塞現象，從而無法很好地控制加工切削熱，使得工件在加工過程中，不斷地發生著微量變形。同時，也不能很好地保證磨削面的表面粗糙度，致使工件無法達到設計制造要求。

2 新工藝設計構思

針對上述墊片在加工過程中產生的種種技術問題，根據多年積累的實踐經驗，結合機械加工工藝學、金屬材料熱處理學以及材料力學等專業技術，開發出一種適合高精度奧氏體不銹鋼墊片加工的工藝。該工藝體系的整體構思如下：

1）備料。采用水切割的工藝方法解決零件在前期選用剪切或數控切割備料所帶來的應力集中問題，對于合理分布材料在軋制時的殘余內應力，獲得較為穩定的備料尺寸是極為有效的（考慮到零件的8.4+(0.05~0.15)mm凈尺寸和加工余量，零件選用10 mm的坯料）。

2）矯正。零件在備料工序后，安排一道矯正工序。對下料后的鋼板坯料逐件采用平板機進行平整，要求經過矯正后，鋼板坯料的整體平面度偏差小于1.5 mm。

3）外力固定。將經過機械矯正后的鋼板坯料，以5塊為一組，相互疊加放置在專用組合工裝內，通過工裝周邊12只M36×220六角螺栓的連接固定，將5塊墊片與上下工裝模板牢牢壓緊、壓平。壓緊螺栓時需注意對稱施力，確保工件在各個方向上盡量受力均勻，相互間緊貼無間隙。

4）高溫去應力熱處理。采用石棉隔套保護聯接螺栓光桿部分，工裝螺母旋合端用耐火泥封蓋后，將工裝聯合體置于箱式熱處理爐中，進行870℃/2 h的高溫去應力熱處理，熱處理工藝見圖1。

圖1 高溫去應力熱處理工藝

5）板面精整。對經過高溫去應力熱處理后的墊片再次進行逐件的平面度檢查，對于板面平整度誤差超過1 mm的零件，需再次進行板面平整，直至滿足要求為止。

6）制備定位工藝孔。對板面平整度達到預定質量控制狀態的零件，安排一道外型尺寸的精加工工序，以修整零件在平整和熱處理兩道工序上所產生的微量尺寸跑偏。而后，按照零件設計圖采用工裝模板加工49-M8螺紋底孔，并按要求制備好螺紋。

7）粗磨。通過墊片平面上49-M8螺紋孔，采用內六角螺栓（M8×20）將墊片牢牢壓在工裝定位板二上，通過工裝定位板二實現墊片在M7150/NB型平面矩臺磨床工作臺上的裝夾定位。然后以較小的切削進給量磨完工件平面（切削進給量一般選擇0.02 mm左右，以工件表面不出現色差為宜），待該磨削面全部顯現后，將工件移出磨床工作臺，拆分墊片與工裝板二，翻轉墊片后再將墊片與工裝定位板固定，繼續磨削另一面，直至該平面全部磨出為止。如此反復交替進行磨削，最終保證墊片的有效厚度在8.8～8.9 mm之間。但有一點值得注意：需選用36或46號粒度的單晶剛玉（SA/GD）或微晶剛玉MA（GW）砂輪進行磨削（有條件可配用極壓乳化液作為磨削液），以確保磨削面的表面切削質量。

8）低溫時效熱處理。對完成粗磨工序后的墊片，按照前道熱處理的工序準備程序，再次以5塊一組，通過組合工裝進行壓緊、固定聯接后，在箱式或井式熱處理爐中，進行一次300℃、4~5 h的低溫時效熱處理，以進一步消除原材料中的各種殘余應力，達到穩定和提高墊片平面度偏差的目的，熱處理工藝見圖2。

圖2 低溫時效熱處理工藝

9）半精磨、精磨。將墊片再次按照粗磨工序安裝程序與工裝定位板裝配定位后，在同一臺M7150/NB型平面矩臺磨床上，采用60號粒度的單晶剛玉（SA/GD）或微晶剛玉MA（GW）砂輪，以較小的切削進給量，正、反兩面交替實施工件的半精磨、精磨，并定期加以測量，確保工件8.4+（0.05～0.15）mm的厚度尺寸。

10）成形孔加工。對完成精磨工序后的墊片平面上的28-M8工藝螺紋孔，進行擴孔、锪孔處理，完成28-φ8.7H13成形孔的加工。

11）外觀處理。對墊片的外觀質量進行必要的修整處理。

12）綜合檢驗。對墊片實施逐件、全面的質量檢測。

至此，該高精度奧氏體不銹鋼薄墊片的整體加工工序完成。

3 新工藝技術分析

該加工工藝依靠以下技術論點作為有效解決高精度奧氏體不銹鋼薄墊片這一加工難題的主要依據。

1）在下料工序方面，采用了切削加工抗力和熱效率相對較小的水切割工藝，替代剪切、等離子切割等常規工藝，既保證了零件在下料工序上尺寸的精細化控制，又大大降低了零件的該工序上的應力集中程度。

2）舍棄了零件坯料采用刨、銑等加工方法去除前期加工余量的工藝，改為直接安排粗磨工藝，可以最大程度上減小鋼板在前期機加工工序方面所產生的過量的變形量，緩解墊片后期消除內在殘余應力的難度。

3）兩次去應力熱處理的工序安排，依靠專用輔助配套工裝的控制和保證，技術可靠性較強。高溫去應力熱處理安排在下料、矯正工序之后，此時，鋼板經過一系列的機械外力施壓之后，內部留有大量的屈服抗力，如果不采用高溫退火的熱處理工藝方法，很難在短時期內清除這些殘余應力，那么，零件在精加工之后，極易出現應力反彈，造成工件返工或報廢的可能性較大。粗磨工序之后的低溫時效熱處理的安排，因此時工件中存在的內應力較小，且主要以前一次高溫熱處理時所產生的熱應力為主，低溫人工時效熱處理可以起到緩慢釋放材料內部的熱應力、穩定工件固有加工精度的效果。這兩次定向熱處理，對于最大程度上消除工件和材料的各種內應力，起到了重要的作用[5]。

4）采用專用工裝解決墊片在磨床工作臺上的定位、裝夾這一技術上的難題，既充分考慮了墊片的定位精度問題，又考慮到了墊片在定位中的均勻受力，對于保證和提高產品的加工精度和質量起到了關鍵作用。

5）采用單晶剛玉（SA/GD）或微晶剛玉MA（GW）類磨料砂輪，可有效解決砂輪面極易堵塞的問題，大大提高了工件磨削面的整體加工質量。

4 新工藝實踐論證

1）質量論證。該加工工藝經過一段時間的實踐應用驗證，其技術性能指標完全達到了預期的目標。經對加工工件進行一段時間的質量跟蹤監測，其結果顯示：墊片厚度尺寸均可控制在8.40～8.50 mm；面平行度加工偏差控制在0.08～0.12 mm；面平面度加工偏差控制在0.15～0.25 mm，且雙表面粗糙度均能達到Ra1.6 μm。成品一次檢驗合格率達到98以上，加工質量完全滿足產品的各項設計技術要求。

2）加工效率。在實際生產過程中，我們制備了2件定位板，便于墊片在批量加工時的工序流轉，大大縮短了加工過程中的輔助裝夾時間。在保證墊片加工質量的同時，生產效率得到了較大提高。

5 結論

1）采用該工藝實施高精度不銹鋼薄墊片類零件的加工，可以較好地解決常規加工工藝所無法解決的技術難題。在零件批量化生產的前提下，可以實現保證加工精度、提高生產效率、穩定產品制造質量等目標。

2）零件在實施高溫去應力熱處理時，應嚴格按照熱處理工藝曲線圖控制升降溫的速度，避免因奧氏體不銹鋼熱處理工藝不當而產生“敏化”現象，降低材料原有的抗晶間腐蝕的能力。

3）選用合適的不銹鋼磨削加工砂輪，并在加工過程中，定期對砂輪進行修整，保持切削刃的鋒利，以減小砂輪的黏附阻塞，提高工件的磨削效率。