鎳鐵合金薄壁零件車削加工研究

袁愛民 李世健 呂德興 王恒廠 周時佳

（1.南京航空航天大學公共實驗教學部，江蘇 南京 211106；2.臨沂市技師學院，山東 臨沂 276005；3.南京航空航天大學航空學院，江蘇 南京 211106）

0 引言

鎳鐵合金薄壁零件由于質量輕、強度好、塑性良好、性能穩定、導熱性差等特點，在大氣、海水、淡水中均具有較好的耐腐蝕性能，在航天遙感器器材的結構件上應用較多。因鎳鐵合金的鎳元素含量較高，鎳鐵合金材料的強度、塑性、韌性增加，其具有奧氏體材料屬性，雖然硬度不高（HB160），但是韌性很強，切削性較45號鋼更軟、更黏，使得切削性能顯著下降，特別是鎳鐵合金薄壁類零件，由于零件壁薄、剛性差，車削加工中容易出現零件加工變形、走刀過程中振刀的現象，所以加工質量難以保證。基于該零件在材料和結構上的特點，在車削加工時，如何設計零件裝夾夾具，如何選擇刀具和切削參數來控制零件的變形是需要解決的主要問題。本文在對鎳鐵合金薄壁零件車削加工工藝分析的基礎上，提出了一些解決問題的相應方法，使產品質量得到了有效提高。

1 零件的加工性能分析

圖1為本文研究的薄壁鎳鐵合金車削加工零件圖，材料為4J32合金。4J32合金是典型的低膨脹鎳鐵合金，又稱超因瓦合金（super-invar），其主要化學成分如表1所示[1]。

表1 4J32合金的化學成分

圖1 4J32合金零件圖

4J32超因瓦合金在大氣溫度變化范圍內（-60～80℃）具有很低的膨脹系數，主要用于制造在環境溫度變化范圍內要求尺寸精度精確的精密部件，或者用在常溫附近要求尺寸恒定的膨脹系數極低的裝置中。由于4J32合金鎳的含量高達31.5%～33.0%，所以材料的韌性很強，切削性軟黏，導熱系數僅為13.4 W/（m·K）[低于41.87 W/（m·K）]，這就使得該類材料的可加工性很低，屬于難加工材料，切削時產生的大量切削熱不易被切屑帶走，從而集中在刀具上，造成刀具磨損加快，縮短了刀具的使用壽命。

另外，薄壁筒件剛性較差，壁薄、易變形，加工過程中產生的內應力容易引起工件翹曲、側彎和扭曲等形式的變形，用一般方法加工比較困難。而零件的精度要求較高，在加工過程中極易受到內外應力的影響而發生變形，受上述多因素綜合影響，該產品的合格率相對較低，加工難度較大，零件的加工質量及加工效率較低。因此考慮以上加工問題，本文針對該零件進行車削加工工藝的研究和探討，從而優化薄壁零件車削加工工藝，從根本上解決鎳鐵合金薄壁零件車削加工過程中出現的問題，提高薄壁零件的加工質量與加工精度。

2 減小零件變形的方法

2.1 降低薄壁零件的殘余應力

薄壁零件殘余應力主要在兩個過程中產生：毛坯制造過程和零件切削加工過程。薄壁零件在殘余應力下發生尺寸和形狀變形主要有兩方面因素，一方面是機械力因素，另一方面是材料受熱因素。

針對殘余應力的消除，經過多方面試驗，首先在零件熱處理階段，采取了淬火和回火的熱處理方法，消除了一部分的殘余應力[2]。方法如下：先將經過鍛造的毛坯零件加熱至（840±10）℃，保溫1 h，水淬，目的是使合金成分均勻化，后期將經過粗車的零件再進行一次回火處理，2 h緩慢加熱到（315±10）℃，保溫2 h，隨爐冷卻到90℃以下出爐，并進行時效處理，從而進一步降低材料內部的殘余應力，使材料組織均勻性得到改善，尺寸更加穩定，工件變形減小。

零件經過上述多次熱處理后，切削性能方面有所改善，有效降低了零件的殘余應力。

2.2 薄壁工件裝夾

針對零件的加工步驟，通過零件尺寸可以看出，該零件中間處壁厚7 mm，邊緣壁厚2.5 mm，所以零件剛性較差，毛坯裝夾加工時，如果采用三爪卡盤直接裝夾，一次粗車、精車車削加工到圖示尺寸，若夾緊力過大，零件加工后變形較大，會使得薄壁零件的圓度超差，從而導致零件加工精度無法保證。

改進措施：薄壁零件車削可采取粗車、半精車和精車三道工序。以零件圖1內孔加工為例，零件右端內孔粗車為?191→半精車為?192.5H7→精車為?1930+0.06，零件左端內孔粗車為?194→半精車為?195.5H7→精車為?196H7。

薄壁零件粗車改進辦法：

（1）采用三爪卡盤裝夾零件毛坯，夾緊階段要用劃針找正裝夾零件。

（2）粗車零件一端端面至平整，在該已加工端面加工出4個M10均布螺紋孔。

（3）粗加工零件內外圓時，用M10的螺栓將零件緊固在特制的、預先裝夾在卡盤上的圓盤上，圓盤均布螺孔與零件均布螺孔分布同軸。

（4）粗加工零件內外圓，利用切斷刀切下零件，這樣可以有效減小直接用三爪卡盤裝夾毛坯零件時夾緊力造成的零件尺寸變形。

工件半精車與精車的改進方法：先利用扇形軟爪（圖2）撐住零件右端?191處，半精車左端孔為?195.5H7，其余各部車至留0.5 mm精車余量；然后掉頭利用可脹心軸（圖3）撐住?195.5H7內孔，外圓用扇形軟爪夾持，對工件右端進行半精車，其中內孔車至?192.5H7，其余各部車至留0.5 mm精車余量。精車時采用可脹心軸支撐工件內部，扇形軟爪夾緊工件外圓，先精車圖1左端各輪廓尺寸至符合圖紙要求，然后掉頭同方法裝夾薄壁零件，精車右端各輪廓尺寸至符合圖紙要求。

圖2 扇形卡爪結構圖

圖3 可脹心軸夾具示意圖

扇形軟爪設計要求：扇形軟爪的內圓弧面半徑尺寸大小與薄壁零件半精車外圓直徑尺寸相接近，這樣可以增大薄壁零件裝夾接觸面，使得薄壁零件外表面承受扇形軟爪的夾緊力更分散，有利于降低零件的變形量。

可脹心軸結構設計：由內椎體、開縫脹環、壓板、壓緊螺栓、墊片、螺母組成。螺母和螺栓緊固的軸向推力，通過墊片和壓板的傳遞，推動開縫脹環向內椎體方向壓緊，內椎體的大端直徑徑向擴張開縫脹環，開縫脹環直徑變大，將薄壁工件內孔壁脹緊，使得薄壁工件和可脹心軸形成統一體，扇形軟爪內圓弧面夾持薄壁工件的外表面，使得扇形軟爪的夾緊力與可脹心軸的脹緊力近似一致，從而達到減小工件夾緊變形的目的。

在半精車和精車薄壁零件外圓及內孔時，將撐好可脹心軸的工件通過扇形軟爪定位夾緊，這種裝夾方法具有更強的適應性和減振作用，操作過程中有以下幾點注意事項：

（1）扇形軟爪在三爪卡盤上加工時，軟爪內孔直徑比所要夾持的工件外圓略大（0.05 mm）即可，過大或過小都會因夾緊力的分布不均而對工件變形產生影響。

（2）可脹心軸的脹環必須在脹緊的情況下進行磨削加工，脹環磨削應滿足與所要脹的工件內孔為過渡配合，磨好后需在螺母與心軸的端面上做一個標記，在可脹心軸脹緊工件時，螺母上的記號與心軸端面上的記號對齊時脹緊力剛好合適。

（3）工件在進行半精車和精車時必須保持內孔或外圓各項尺寸都在設計公差范圍以內，否則會由于夾緊力與脹緊力的不一致而導致工件變形。

（4）使用扇形軟爪和可脹心軸裝夾工件進行半精車和精車前，須用百分表檢驗工件的圓跳動，一般圓跳動量控制在0.02 mm以內，這樣薄壁零件尺寸變形小，可滿足零件精度要求。

2.3 選擇合適的車刀和冷卻液

針對薄壁零件切削熱問題，從刀具材料選擇、刀具幾何角度選擇、冷卻方式選擇上主要采取如下改進措施：

首先，加工時對零件和刀具表面進行連續、充分的冷卻和潤滑，以減小零件的熱變形，提高刀具的耐用度。筆者運用的是硫化乳化液，因為這種乳化液具有較好的冷卻、潤滑和抗粘結性能。

其次，為了使切削輕快，提高零件的加工質量。在試制之初選用了熱性好、耐磨性好、粘附性小的硬質合金和高速鋼（如YG8、YG813、YW2和M2A）作為切削刀具。通過對刀具的實際運用發現，這些刀具更適合用于粗車，因為它們強度和韌性雖然不錯，但熱硬性稍差些，所以刀具磨損現象比較嚴重。后經反復試切最終選擇了硬質合金TiN涂層刀具和HSSAL高速鋼刀具作為精車用刀具，因為它們具備更高的硬度和耐磨性，使加工效率和零件質量得到顯著提高[3]。

再次，由于4J32合金的硬度并不高，其塑性、韌性都較好，切削時切屑不易折斷，易粘結，因此在保證刀具強度足夠的前提下應選用較大的前角，這樣既能減小金屬的塑性變形，又能降低切削力和切削溫度，同時可以減小硬化層的深度。加大后角能減小后刀面與加工表面的摩擦，但會使切削刃的強度和散熱能力降低，在切削厚度較小時，宜采用較大的后角[4]。因此，選擇合適的刀具角度，能夠減小切削力對零件變形產生的影響。

筆者在實際車削薄壁零件的過程中，使用高速鋼刀具時前角取6°～30°，后角取6°～12°；用硬質合金刀具時前角取5°～20°，后角取4°～12°。主偏角的選擇一般在30°～90°，由于主偏角的大小對切削力會產生較大的影響，所以加工薄壁零件時宜選擇90°，以減小徑向力對零件變形的影響。刃傾角的大小和方向決定了切屑流出的方向，為避免切屑對已加工表面的影響，刃傾角通常取-10°～20°為宜。在精車外圓、精車端面、精車內孔時，刀具的刃傾角可選擇較大值。

2.4 切削用量選擇要求

薄壁零件車削加工過程中，切削力的大小和切削用量是密切相關的[4]。

第一，背吃刀量和進給量同時增大使得刀具切削力增加，導致零件變形加大，不利于薄壁零件車削加工。

第二，減少背吃刀量，加大進給量，切削力雖然有所下降，但工件表面粗糙度值會增加，使得強度不好的薄壁零件內應力加大，同樣也會導致零件變形。

第三，切削用量選擇不當會導致積屑瘤產生，零件表面質量降低。

所以，合理選擇切削用量能減少切削力，并進一步減少零件變形，使零件加工質量得到提高[5]。

刀具材料選擇：使用TiN涂層刀具和YG類刀具加工零件，粗加工時，背吃刀量選擇在2 mm左右，進給量選擇在0.15～0.25 mm/r；精加工時，背吃刀量選擇在0.1～0.25 mm，進給量選擇在0.06～0.12 mm/r。當選擇HSSAL高速鋼刀具時，進給量應小于0.15 mm/r；高速鋼刀具一般切削速度較低，以防止切削溫度過高。使用HSSAL高速鋼刀具時，切削速度約取45 m/min；使用YG刀具時，切削速度約取70 m/min；使用TiN涂層刀具加工時，切削速度約取160 m/min。

3 技術實施現狀

第一，對刀具材料的合理選擇及刀具角度的合理運用，使刀具易磨損、零件尺寸不穩定的現象得到了改善，尤其是原先使用高速鋼車刀加工內槽時，由于刀具磨損較快，零件的尺寸精度難以控制且生產效率較低，后來改用了硬質合金TiN涂層刀具，零件的加工精度得到了保障，生產效率得到了很大的提高[6]。

第二，薄壁零件可脹心軸裝夾方法和夾緊力大小的控制是一個重要經驗的體現，早期筆者是采用扇形軟爪與鋁質悶頭來對薄壁零件進行裝夾的，由于鋁質悶頭與孔的配合間隙難以控制，加工后的零件變形很大，有的零件變形量超過了0.2 mm，而該薄壁零件的內孔公差只有0.046 mm。后期采用可脹心軸與扇形軟爪配合裝夾，很好地解決了悶頭與零件孔配合的間隙問題，使得零件裝夾方便而快捷，加工后的零件精度達到了圖紙設計的要求。

4 結語

本文對鎳鐵合金薄壁筒件的車削加工問題進行了研究與實踐，從材料特性和零件結構等方面分析特種材料薄壁零件的可加工性，通過改進裝夾方式、合理選用刀具及切削參數來減小加工變形，提出使用硬質合金TiN涂層刀具和HSSAL高速鋼刀具加工超因瓦合金薄壁筒件，從而獲得良好的加工質量，并通過試驗獲得了一些合適的切削參數選用范圍。應用本文所述改進方法，薄壁筒件的加工質量得到了很大的提高。