劉建偉，李寒榮，萬(wàn)方前

東方汽輪機(jī)有限公司 四川德陽(yáng) 618000

1 序言

滲氮是指工件在高溫環(huán)境下通過(guò)注入氨氣等方式，將氮原子滲入工件表面深度約0.3mm左右晶間結(jié)構(gòu)，以提升工件表面硬度等特性的特殊工藝方法。由于受高溫環(huán)境熱輻射影響，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致工件變形，特別是薄壁套筒類(lèi)零件的變形更為明顯。

浮動(dòng)環(huán)為電站燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器裝配組件的關(guān)鍵件之一，屬薄壁套筒件。加工時(shí)，切削應(yīng)力逐漸釋放、滲氮時(shí)受高溫?zé)嵊绊懢鶗?huì)導(dǎo)致工件變形，長(zhǎng)期以來(lái)存在產(chǎn)品合格率較低，變形控制困難的問(wèn)題。

薄壁件加工變形產(chǎn)生的原因很多，與零件的材質(zhì)、幾何形狀以及生產(chǎn)條件（包括人、機(jī)床設(shè)備、工藝方法和環(huán)境等因素）都有關(guān)系。

2 浮動(dòng)環(huán)工件特點(diǎn)

圖1 為浮動(dòng)環(huán)零件，材質(zhì)為38CrMoAl，切削性能尚可。該薄壁套筒件壁厚最薄處僅6.25mm，產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)決定了其加工后易產(chǎn)生變形。工件為滲氮件，滲氮時(shí)高溫環(huán)境對(duì)工件變形的影響極大。滲氮后內(nèi)孔、外圓均有變大的趨勢(shì)，尺寸超差主要集中在φ172.5mm內(nèi)孔，各件超差情況不盡相同。

圖1 浮動(dòng)環(huán)零件示意

3 浮動(dòng)環(huán)加工變形分析

浮動(dòng)環(huán)毛坯為鍛件，加工工序主要為車(chē)削、磨削。通過(guò)對(duì)工件變形可能有影響的來(lái)料、車(chē)削、磨削和滲氮工序進(jìn)行分析，各工序具體操作過(guò)程及變形原因見(jiàn)表1。

表1 各工序具體操作過(guò)程及變形原因

4 變形數(shù)據(jù)分析

各工序都有可能導(dǎo)致產(chǎn)品變形，且滲氮時(shí)受熱變形無(wú)法避免，屬于影響工件變形的最主要因素。為研究掌握變形規(guī)律，選取兩批次各55件數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

第一批次數(shù)據(jù)在φ172.72～φ172.85mm無(wú)規(guī)律隨機(jī)分布，通過(guò)Excel查看，70%點(diǎn)位分布在φ172.75～φ172.80mm，算術(shù)平均值為φ172.78mm；第二批次數(shù)據(jù)在φ172.60～φ172.68mm無(wú)規(guī)律隨機(jī)分布，通過(guò)Excel查看，70%點(diǎn)位分布在φ172.62～φ172.65mm，算術(shù)平均值為φ172.63mm。

對(duì)比上述兩組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，每組數(shù)據(jù)在某個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)隨機(jī)分布，其中特定數(shù)值段可以覆蓋70%數(shù)據(jù)。兩批次的特定數(shù)值段及其算術(shù)平均值又不盡相同。針對(duì)此錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)，如使用算術(shù)平均數(shù)或者特定區(qū)段值，則無(wú)法反映真實(shí)的變形規(guī)律。

為了研究方便，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)減去理論值φ172.50mm得到變形量，后續(xù)針對(duì)變形量進(jìn)行分析。為了更好地研究變形量的分布規(guī)律，擬采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的“分位數(shù)”原理。分位數(shù)用來(lái)反映數(shù)據(jù)的最小值與最大值分布信息，即可使用分位數(shù)表達(dá)數(shù)據(jù)具體所在位置，具體體現(xiàn)為：第P百分位數(shù)將數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分，有P%的數(shù)據(jù)比第P百分位數(shù)大，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)比第（100－P）%數(shù)小。

在E x c e l電子表格中，也可使用函數(shù)PERCENTILE進(jìn)行計(jì)算，在數(shù)組array中，P分位函數(shù)為：PERCENTILE（array，P） ；在110個(gè)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)位置在A1～A110）中，找到第50百分位數(shù)（即為中位數(shù)）函數(shù)公式為：PERCENTILE（A1：A110，0.5） 。

通過(guò)上述方式可以計(jì)算出，在110個(gè)滲氮后內(nèi)孔變大量的中位數(shù)為0.27mm，可以理解為50%的數(shù)值比它小，有50%的數(shù)值比它大。中位數(shù)0.27mm正好處在該批數(shù)據(jù)的中間位置，可以較好地反映數(shù)據(jù)分布規(guī)律。

5 變形控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)浮動(dòng)環(huán)全工序及最終產(chǎn)品變形數(shù)據(jù)分析，明確了影響產(chǎn)品變形的因素，掌握了變形規(guī)律，擬通過(guò)制定控制方案以減小變形，保證產(chǎn)品合格率。

5.1 應(yīng)用“落料法”降低切削應(yīng)力

“落料法”是指針對(duì)內(nèi)孔尺寸較大、需要掏空內(nèi)孔，并保證內(nèi)孔尺寸的零件，找到合適的落刀點(diǎn)，刀具切入并繞輪廓尺寸邊緣一周后再切出，將中心材料以完整的方式“掏”出，最后精加工從而達(dá)到尺寸要求。

毛坯來(lái)料后，采用切刀在內(nèi)孔方向單面留約2mm余量，將中心材料以完整的方式“掏”出來(lái)，替代原有分層車(chē)削方法。減少了因切削加工而產(chǎn)生的變形，同時(shí)也相應(yīng)提高了產(chǎn)品加工效率。

5.2 采用扇形軟爪夾持工件

為減少夾持變形，設(shè)計(jì)制作了一套扇形軟爪（見(jiàn)圖2），將卡爪夾持部位的線(xiàn)接觸改進(jìn)為扇形軟爪圓弧面接觸，分散了夾持力，可有效減少工件裝夾變形。扇形軟爪配車(chē)夾持止口時(shí)，注意止口直徑要稍大于產(chǎn)品外圓，止口深度不能過(guò)深。同時(shí)要求在粗車(chē)后松開(kāi)卡爪，釋放變形后再夾持精車(chē)，以盡量減小車(chē)削變形。

圖2 扇形軟爪

5.3 優(yōu)化變形補(bǔ)償方式

根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，基于內(nèi)孔滲氮后變形值中位數(shù)可確定滲氮變形補(bǔ)償值：172.5－0.27＝172.23（mm）。

選取了30件工件進(jìn)行方案驗(yàn)證，在滲氮前將內(nèi)孔全部按φ172.23mm加工，外圓尺寸按中下差加工，最終該批產(chǎn)品滲氮后檢測(cè)均符合圖樣要求。

應(yīng)用“落料法”及滲氮變形補(bǔ)償方式，最終順利解決了該型產(chǎn)品滲氮后合格率低的問(wèn)題，后續(xù)產(chǎn)品按該方案執(zhí)行，基本都符合圖樣要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取優(yōu)化滲氮變形補(bǔ)償方案及在車(chē)削過(guò)程中降低切削應(yīng)力等措施，解決了長(zhǎng)期以來(lái)浮動(dòng)環(huán)合格率低的問(wèn)題，其中的數(shù)據(jù)分析方法對(duì)后續(xù)類(lèi)似問(wèn)題的解決具有一定的借鑒意義。