帶密封槽的薄壁零件的加工

張維林 李 梓

（ 西安煤礦機械有限公司，陜西 西安710200）

薄壁零件由于其重量輕、節約材料、結構緊湊等優點，廣泛應用于航空、汽車、機械等各工業部門中，主要用于支承旋轉軸上的零件或用來導向的。但是由于其剛性差、強度小，在加工中容易變形，同時還會產生切削振動，導致加工質量難以保證。近年來，大采高采煤機制造過程中出現了一些內孔或外圓設計有密封槽的薄壁件，薄壁件本身的壁厚小，加之在壁厚方向上開密封槽，極易產生顫紋從而影響密封效果。本文以我公司一種典型零件為例，對其進行工藝分析，并制定出解決方案。

1 薄壁套零件的加工難點

薄壁套零件由于其剛性差、強度小、裝夾基準面小，在加工過程中受切削力、切削熱及夾緊力等因素的影響，極易發生變形，不易控制各尺寸精度和形狀精度，因此薄壁零件的加工一直是難題，具體表現在以下幾個方面：

1.1 薄壁套承受不了較大的徑向夾緊力，用通用夾具安裝比較困難。

1.2 薄壁套零件的剛性差，在夾緊力作用下極易產生變形、常態下工件的彈性復原能力會影響工件的尺寸精度和形狀精度。

1.3 工件徑向尺寸受切削熱的影響大，熱膨脹變形的規律難以掌握，因而工件尺寸精度不易控制。

圖1 軸承座結構示意圖

1.4 由于切削熱的影響，容易產生變形和振動，工件的精度和表面質量不易保證。

1.5 由于薄壁套剛性差，不能采用較大的切削用量，因而加工效率低。

2 問題分析

圖1 為我公司一種典型帶密封槽的薄壁零件- 軸承座的結構示意圖，材料為某合金結構鋼，熱處理硬度HB280-320。該零件右側壁厚為20mm (D4-D1)，壁厚與內徑之比1：22，屬于薄壁類零件。加工難點集中在精車工序，該工序主要加工表面為內孔、外圓及各密封槽，內孔、外圓之間有同軸度要求，孔軸線與端面有垂直度要求。由于壁厚較小，徑向剛度弱，加工中極易發生變形和切削振動，讓刀現象嚴重，裝夾和定位比較困難。加之該零件在本來就薄的壁厚方向上設計密封槽，密封槽D3×b處的壁厚僅有(D4-D3）/2=5mm，且由于該密封槽和油封配合，表面光潔度要求比較高，粗糙度為Ra1.6，加工難度非常大，極易產生顫紋導致表面質量不佳，從而影響密封效果。

3 解決方案

3.1 我公司加工薄壁套的傳統方法

我公司以往加工薄壁套的工序安排為：粗車- 調質- 半精車- 精車。調質是淬火加高溫回火的雙重熱處理方法，其目的是使工件具有良好的綜合機械性能。機械加工分為三個階段：

（1）粗加工：主要包括粗車外圓和內孔，去除大部分余量；

（2）半精加工：完成零件一些次要表面的加工，并達到零件表面質量和位置精度的要求，采用半精車加工在精加工之前達到必要的精度和加工余量，從而為精加工做準備；

（3）精加工：為保證薄壁套零件表面質量達到圖紙的技術要求，采用精車零件表面最后得到所需的精度和粗糙度。

我公司對于同軸度要求比較高的零件，壁厚小于25mm 的薄壁零件，一般采用工藝夾頭裝夾，即在毛坯上預留一定的夾持長度，在工件完成內孔、外圓及端面的加工后切掉。這樣不但防止了工件產生太大的變形，而且保證了內孔、外圓及端面的位置精度。而對于壁厚大于25mm 的薄壁件，則會安排磨削加工；如仍然達不到設計要求，則設計專用工裝夾具來加工。

精車薄壁零件時，還有一些需要注意的：刀柄的剛度要求高，刃口要鋒利；在切削時澆注充分的切削液，降低切削溫度，減小工件熱變形。

3.2 密封槽的薄壁零件的加工方法

本次工藝設計過程中充分考慮結構及變形問題，傳統的工藝路線套用在該零件上顯然不合適，必須及時作出調整。經過查閱文獻并結合生產實際，最終工藝路線為：粗車- 調質- 半精車- 人工時效- 精車- 鉆孔。和以往工序安排相比，有兩處變動：

（1）半精加工時，內孔、外圓及端面單邊留1mm 余量，同時考慮到D3×b 處密封槽的結構，其外形尺寸也需單邊留1mm的余量，外圓表面的4 個密封槽由于深度較淺可以暫時不加工，半精車加工如圖2 所示。

（2）為了消除或減少加工過程出現的應力、穩定組織和尺寸，半精加工后須進行人工時效處理。人工時效是人為的方法，將工件加熱到一定溫度，長時間保溫后隨爐冷卻，或在空氣中冷卻，主要用于消除或減小工件內的微觀應力、機械加工殘余應力、防止變形及開裂、穩定組織以穩定零件形狀和精度。人工時效比自然時效節省時間，殘余應力去除較為徹底。

圖2 軸承座半精加工過程圖

考慮到該薄壁套零件的外形尺寸，半精車、精車均安排在CK6185 數控車床進行加工，半精加工轉速設定在80r/min、進給量為0.2mm/min。在半精加工時，由于油封槽處壁厚為7mm，因此往往容易出現顫紋，如圖3。為了改善這一問題，把4mm 內孔切槽刀換成3mm 內孔切槽刀，同時降低轉速、減少進給量、刀具盡量裝短。

在人工時效后進行精加工，由于整體余量較小，精加工轉速設定在100r/min、進給量為0.12mm/min。油封槽處的進給量盡可能更小。為了避免油封槽處裝夾變形、確保尺寸精度，必須先加工左端尺寸，最后加工油封槽端尺寸。具體加工方法為：

（1）撐內孔右端，平左端面，加工外圓D4、內孔D5 及其上密封槽、4 處外圓密封槽等尺寸；

（2）掉頭夾外圓左端，車內孔D1、D2 及油封槽D3×b 等右端尺寸。

圖3 半精加工油封槽處顫紋

通過工藝方法的改進，油封槽處未出現顫紋等影響密封效果的缺陷，表面光潔度達到了設計要求，其余表面的尺寸精度、形位公差經檢驗均合格，且該零件在實際應用過程中未出現質量問題。

對于帶密封槽的薄壁零件的加工，為了控制加工變形，除進行工藝方法的優化外，還需要合理選擇工件裝夾方法，減小夾緊力對變形的影響，下面列舉了一些改善措施：

（1）采用開縫套筒、扇形軟爪等，使接觸面積增大，讓夾緊力均布在工件上；

（2）增加工藝肋，增強此處的剛性，使夾緊力集中在工藝肋上而非薄壁零件上；

（3）設計專用工裝夾具，使在加工時實現軸向夾緊；

（4）采用減震措施，調整好車床各部位的間隙，加強工藝系統的剛度，使用吸振材料等。

4 結論

本文通過對公司一種典型帶密封槽的薄壁套零件- 軸承座的結構進行分析，對傳統加工路線及工藝內容做出調整，并驗證了方案的可行性。我公司對于內孔或外圓處設計有密封槽的薄壁件，如果槽深相對于壁厚較大，目前都采用本方案，尺寸、精度均能滿足設計要求。該方案對帶密封槽的薄壁零件的加工均具有參考意義。