張小強(qiáng) 趙娜 徐雪飛

(上海寶鋼工業(yè)技術(shù)有限公司機(jī)械制造分公司 上海201900)

1 前言

隨著國(guó)防工業(yè)技術(shù)發(fā)展和行業(yè)技術(shù)要求的不斷提高，高精度薄壁套類零件已在各個(gè)工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用；薄壁套類零件是機(jī)械制造中常碰到的一類難加工零件，由于其不同的功能用途和典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其制造有一定難度，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)加工制造后的零件尺寸精度、形狀精度、形位精度達(dá)不到使用及設(shè)計(jì)要求。本文較系統(tǒng)地闡述了薄壁套類零件的制造工藝以及在制造過程中產(chǎn)生的變形情況和應(yīng)對(duì)措施。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

套類零件主要作為旋轉(zhuǎn)或固定軸類零件的支撐、承受軸的徑向力等，一般套類零件是由外圓、內(nèi)孔、端面、階臺(tái)孔、螺紋、溝槽等組成，套類零件是以尺寸精度和表面粗糙度為主，而形狀和位置精度是根據(jù)工件用途來確定。

薄壁鋼套類零件的最典型的特點(diǎn)就是壁厚薄，有些壁厚薄到只有幾個(gè)毫米，并且其直徑有大有小，直徑大到甚至1米以上，越是壁厚薄直徑大的鋼套零件其制造難度越大，這類零件的剛性差，在加工中易變形，使零件的形位誤差增大，不易保證零件的加工質(zhì)量。

3 備料

薄壁鋼套類零件備料主要有以下幾種類型：鑄件、鍛件、圈圓焊接件或采購(gòu)無縫鋼管等，這取決于該工件的批量大小以及工況使用要求而定。其材料屬性有低碳鋼、中碳鋼、合金鋼、模具鋼、有色金屬以及不銹鋼等等。

4 表面強(qiáng)化

由于其使用工況的不同，一般情況下其薄壁套類零件工作表面有如下幾種表面強(qiáng)化狀態(tài)要求，如鑄鍛件退火狀態(tài)、正火狀態(tài)、調(diào)質(zhì)狀態(tài)、氮化、淬火、鍍Cr以及噴涂等類型。針對(duì)不同表面強(qiáng)化狀態(tài)類別的零件其制造工藝流程有所區(qū)別，這主要看其工件在制造過程中變形情況來定。

5 變形分析

薄壁鋼套類零件制造過程中發(fā)生變形的原因很復(fù)雜，但總體可歸納為兩類，內(nèi)應(yīng)力引起的變形和外應(yīng)力引起的變形。其中內(nèi)應(yīng)力有熱變形內(nèi)應(yīng)力和組織變形內(nèi)應(yīng)力，它是由于熱處理過程中材料的組織、結(jié)構(gòu)變化不均引起的殘余應(yīng)力；外應(yīng)力主要有機(jī)械夾緊力以及切削力引起的應(yīng)力等。

在制造加工薄壁鋼套類零件時(shí)，由于零件的剛性差，薄壁零件的變形通常表現(xiàn)為體積的漲縮，同時(shí)在加工過程伴隨彎曲、扭曲、橢圓等變形，影響薄壁鋼套零件加工精度的因素主要有兩方面：1)由于工件壁厚薄，由工件、刀具和夾具組成的切削系統(tǒng)剛性較差，裝夾工件(如圖1)時(shí)[1]，在夾緊力的作用下極易產(chǎn)生變形，切削加工過程易產(chǎn)生切削振動(dòng)，在切削力特別是徑向切削力的作用下，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。2)由于工件壁厚薄，切削熱會(huì)引起工件熱變形，使工件尺寸難以控制。特性是對(duì)于線膨脹系數(shù)較大的金屬薄壁鋼套類零件，如果在一次裝夾中連續(xù)進(jìn)行粗車、半精車、精車，由于切削熱引起的零件熱變形，會(huì)對(duì)尺寸精度產(chǎn)生極大影響。

圖1 薄壁工件裝夾方式產(chǎn)生變形對(duì)加工精度的影響

6 變形應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)內(nèi)應(yīng)力引起的變形，需合理安排熱處理工藝方法和熱處理道序，如熱處理其工件留余量情況、異形部位的處理、熱處理過程中的升溫速度、保溫溫度以及時(shí)間等進(jìn)行嚴(yán)格控制和要求，以盡量減小因工件在熱處理過程中的變形量。

任何一個(gè)零件的加工都有多種加工工藝方案，它取決于生產(chǎn)實(shí)際的批量狀況，現(xiàn)有加工設(shè)備、操作人員的技術(shù)技能水平和工裝刀具的制造能力等等。

針對(duì)外應(yīng)力引起的變形，可以采取如下一些工藝措施，為減少工件熱變形對(duì)加工精度的影響比如可采取工件分階段加工；為減少工件裝夾變形可采取增加裝夾接觸面和采用軸向夾緊夾具；同時(shí)還應(yīng)合理選擇刀具幾何參數(shù)和合理的切削用量等。

6.1 減小切削力對(duì)變形的影響

減小切削力對(duì)變形的影響可采取粗精加工分開以及合理選擇刀具角度和切削用量的方式改進(jìn)。

其中，粗精加分開的目的是通過工序分開來釋放機(jī)加工產(chǎn)生的一部分應(yīng)力，這是釋放部分機(jī)加工應(yīng)力最常見的方法，為了保持零件的精度及穩(wěn)定性。對(duì)于精度要求較高的薄壁類零件，應(yīng)當(dāng)把粗加工、半精加工和精加工分開進(jìn)行，可避免因粗加工引起的各種變形，包括粗加工時(shí)夾緊力引起的彈性變形、切削熱引起的熱變形以及粗加工后內(nèi)應(yīng)力重新分布引起的變形等。

其次，選擇合理的切削刀具幾何角度。精車薄壁套時(shí)，刀柄的剛度要求較高，車刀的修光刃不易過長(zhǎng)，刃口要鋒利。對(duì)于高速鋼刀具，前角一般取6°～30°，對(duì)于硬質(zhì)合金刀具，前角一般取5°～20°，刀具的后角要大一些，摩擦力小，切削力也相應(yīng)減小，但是后角過大也會(huì)造成刀具強(qiáng)度減弱，對(duì)加工不利[2]。

再次，選擇合理的切削用量。如果進(jìn)給量和切削深度同時(shí)增加，則切削力也增加，切削變形也增加，對(duì)加工極為不利；若減小切削深度而只增加進(jìn)給量，雖然切削力有所下降，但是工件的表面粗糙度又會(huì)加大。精車時(shí)用盡量高的切削速度，但不易過高，粗加工時(shí)切削深度和進(jìn)給量可以取的稍微大些，合理選用切削用量三要素，就能減小切削力，從而減小變形。

6.2 減少夾緊力對(duì)變形的影響

1)徑向夾緊時(shí)，夾緊力不應(yīng)集中在工件的某一徑向截面上，而應(yīng)使其分布在較大的面積上，以減少工件單位面積上所承受的夾緊力。比如采用開縫C型套(如圖2)[2]，事先加工一彈性較好的開縫C型套，然后將薄壁套鑲?cè)腴_縫C型中進(jìn)行夾緊，改變?nèi)ūP的三點(diǎn)接觸為整圓抱緊，因加工開縫的C型套難度和成本也較大，這在批量生產(chǎn)上應(yīng)用比較多些，單件小批量應(yīng)用較少。

圖2 開縫的C型套

2)夾緊力的位置宜選在零件剛性較強(qiáng)的位置。比如在單件生產(chǎn)時(shí)，可在備料時(shí)工件長(zhǎng)度上加長(zhǎng)一段，加長(zhǎng)一段的壁厚可適當(dāng)放厚些，并且在加長(zhǎng)一段可預(yù)先在內(nèi)外圓工件長(zhǎng)度處預(yù)加工釋放應(yīng)力的槽，已使在加工時(shí)增加其工件的剛度，但這種方式消耗的料較大，在生產(chǎn)中小規(guī)格以及單件以及小批量上經(jīng)常有應(yīng)用。

3)采取軸向夾緊工件的方法，減小其徑向變形。這種方式適合在工件端面上有螺孔分布的零件或者是工件寬度不寬，厚度稍后一點(diǎn)工件，在立車上進(jìn)行端面壓緊的方式進(jìn)行，因工件軸向剛度大，所以不易產(chǎn)生夾緊變形。

4)采用心軸工裝裝夾方式，當(dāng)車削薄壁套的外圓時(shí)，采用心軸定位和軸向夾緊時(shí)可以有效防止薄壁套變形，這種方式在日常生產(chǎn)制造中應(yīng)用也較多。

5)增加工藝加強(qiáng)筋，有些薄壁工件通過在其裝夾部位加裝幾根工藝加強(qiáng)筋，增加其剛性，待工件加工完畢后，再去掉工藝加強(qiáng)筋。

6.3 充分澆注切削液

在切削時(shí)充分使用切削液，不僅可以減小切削力，降低切削溫度，減少工件熱變形。同時(shí)刀具的耐用度也得到提高，工件的表面粗糙度值也有所降低，用高速鋼刀具粗加工時(shí)，以水溶液冷卻，主要降低切削溫度；精加工時(shí)，選用潤(rùn)滑性能良好的極壓切削油或濃度較高的極壓乳化液，主要改善已加工表面的質(zhì)量和提高刀具使用壽命；用硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)，可以不用切削液，必要時(shí)也可采用低濃度的乳化液或水溶液，但必須是連續(xù)充分澆注。

6.4 采用先進(jìn)的加工方法

若需加工的零件尺寸精度以及形位精度要求不是很高的情況下可利用數(shù)控線切割機(jī)床、激光切割或者高速水切割機(jī)床等加工，可以解決很多傳統(tǒng)加工難以解決的問題。

7 實(shí)例分析

7.1 實(shí)例一：大直徑高精度滲氮處理的薄壁鋼套

本例是為特鋼13MN徑向鍛造機(jī)主缸柱塞修復(fù)時(shí)制作的薄壁鋼套零件(如圖3)。

圖3 薄壁鋼套

1)該薄壁鋼套備料38CrMoAl鍛件，鍛件經(jīng)粗車后作超聲波探傷、Ⅱ級(jí)檢驗(yàn)。

2)由于該鋼套直徑達(dá)660mm，其鋼套壁厚僅15mm，鍛后粗加工后經(jīng)過正火、調(diào)質(zhì)處理，為了減少各道機(jī)加工應(yīng)力和最終氮化后的變形量，在加工過程中穿插幾道穩(wěn)定化熱處理，并且最后一次穩(wěn)定化后精加工余量<1mm。

3)精車內(nèi)外圓時(shí)，必須一刀落，保證同軸度要求，另外由于工件較大，粗糙度

圖4 薄壁鋼套外圓磨削示意圖

4)受使用工況條件要求，主缸柱塞外圓最終表面硬度要求HV1000，硬層深度達(dá)到0.5～0.6mm，變形量小于0.20mm。因此制造的鋼套外圓進(jìn)行氣體滲氮處理，加熱溫度采用550℃，氮化時(shí)間72h[3]。

5)工藝流程路線：鍛造、正火、粗車、UT、調(diào)質(zhì)、半精車、穩(wěn)定化、精車、穩(wěn)定化、半精磨、滲氮(穩(wěn)定化處理穿插在粗車、半精加工和精加工之間，每次穩(wěn)定化前加工余量逐次減小)。

7.2 實(shí)例二：20#鋼薄壁錐襯套

本例是為鋼管廠連軋機(jī)制造的薄壁錐襯套零件(如圖5)，該零件壁厚最薄處僅有7mm，直徑達(dá)343mm，該零件的長(zhǎng)度達(dá)390mm，從圖上看該零件的尺寸精度和形位精度和形狀精度要求都很高。

圖5 薄壁錐襯套

1)該薄壁錐襯套的材質(zhì)為20#鋼，由于該零件制作數(shù)量較少，根據(jù)零件成品尺寸規(guī)格情況，其市場(chǎng)上正好有可用于加工此規(guī)格的無縫鋼管規(guī)格，因此備料時(shí)直接采購(gòu)無縫鋼管進(jìn)行備料，并且由于零件的制作數(shù)量較少，制造專用工裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此在下料時(shí)，工件長(zhǎng)度直接放長(zhǎng)50mm，用于工藝夾頭用。

2)工藝流程如下：備料-粗車(內(nèi)孔/外錐圓單邊各留3mm余量，長(zhǎng)度方向放裝夾頭的余量，外圓錐度走數(shù)控車錐度，并在放長(zhǎng)一段內(nèi)孔以及外圓出預(yù)先車出應(yīng)力釋放槽如圖6)-穩(wěn)定化-半精車-精磨(錐度走程序進(jìn)行控制)-車(切斷放長(zhǎng)工藝夾頭)-檢驗(yàn)。

圖6 錐襯套粗加工圖

3)為保證內(nèi)外圓同心度要求，在車加工以及內(nèi)外圓磨削工序中，采用工序集中的方法，在一次裝夾中，同時(shí)加工內(nèi)外圓和端面，減少工件的安裝誤差，保證相互位置精度。

4)由于粗加工的進(jìn)給量較大，為消除機(jī)加應(yīng)力防止工件后續(xù)變形，因此在粗車后安排一次穩(wěn)定化消應(yīng)力熱處理，零件在300℃進(jìn)爐，并保溫1h，再進(jìn)行保持升溫速度小于100℃/h，在580℃保溫4h，并進(jìn)行爐冷至300℃出爐進(jìn)行冷卻[3]。

5)在零件車削時(shí)，鑒于工件材質(zhì)為20#鋼，選用高速鋼刀具，前角取15°，其半精車及精車是其進(jìn)刀量取0.2mm/刀，在粗車時(shí)其工件轉(zhuǎn)速控制在400r/min左右，精車時(shí)其工件轉(zhuǎn)速控制600r/min左右。經(jīng)過制造完成后進(jìn)行相關(guān)尺寸及精度測(cè)量完全符合圖紙要求。

7.3 實(shí)例三：外圓表面進(jìn)行噴涂強(qiáng)化的薄壁襯套

本例是為煉鐵廠煤攪拌機(jī)制造的薄壁襯套零件，該零件外圓尺寸304，壁厚只有7.2mm，工件長(zhǎng)度210，材料要求45#，數(shù)量2件，從圖紙上看工件的尺寸精度和形位精度要求比較高，而且外圓表面進(jìn)行強(qiáng)化處理(如圖7)。

圖7 外圓表面強(qiáng)化處理的薄壁襯套

1)鑒于該薄壁襯套零件材料為45#，由于制作的數(shù)量較少，根據(jù)零件成品尺寸規(guī)格情況，其市場(chǎng)可購(gòu)買加工此規(guī)格的無縫鋼管，因此備料時(shí)直接采購(gòu)無縫鋼管進(jìn)行備料，鑒于工件后續(xù)要進(jìn)行噴涂強(qiáng)化處理和外圓磨削，且在噴涂強(qiáng)化處理時(shí)，工件要有假軸安裝進(jìn)行旋轉(zhuǎn)進(jìn)行，因此，該零件制作時(shí)制作了假軸工裝(如圖8)。

2)工藝流程如下：備料-粗車-配做假軸工裝-穩(wěn)定化處理-半精車-噴涂-磨-鉗工-檢驗(yàn)。

圖8 襯套加工工裝示意圖

3)由于工件要求內(nèi)外圓同心度要求高，當(dāng)粗加工完成，內(nèi)孔精加工結(jié)束后，安裝芯軸工裝，件的內(nèi)外圓每道工序的余量均很少，在內(nèi)孔加工到成品尺寸后，其此時(shí)外圓余量小于1mm，再裝配假軸工裝，將內(nèi)孔的基準(zhǔn)引申到假軸外圓出，鑒于內(nèi)外圓的同心度要求小于0.02，因此配車假軸時(shí)，與內(nèi)孔的配合間隙要小于0.01mm，經(jīng)過制造完成后進(jìn)行相關(guān)尺寸及精度測(cè)量完全符合圖紙要求。

8 結(jié)論

通過近年來的生產(chǎn)實(shí)踐，上述制造方法以及措施在生產(chǎn)實(shí)踐上取得良好的效果，大大降低了此類零件的廢品率，提高了生產(chǎn)效率，本文可作為同行業(yè)制造薄壁鋼套類產(chǎn)品提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。