環(huán)類薄壁零件數(shù)控車削工藝淺析
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摘要：闡述經(jīng)過試驗，采用合適的切削刀具、合理的工藝路線、優(yōu)化的裝夾方式和切削參數(shù)，通過本次加工探索，為其他2Cr15Mn15Ni2N抗磁不銹鋼材料的薄壁零件車削刀片的選擇提供借鑒。
0引言
薄壁類零件因具有重量輕等特點廣泛應用在精密零件中，但由于圓環(huán)類薄壁類不銹鋼零件剛性差，在加工中極易變形，造成尺寸公差、形位公差超差，不易保證零件的加工質(zhì)量，圓環(huán)類薄壁類零件的加工是車削中比較棘手的問題。本文中某環(huán)類薄壁件采用2Cr15Mn15Ni2N抗磁不銹鋼材料，切削性較差，加工難度大。為了有效克服薄壁類零件在加工過程中的變形，保證加工精度，提高薄壁類零件合格率，本文闡述分析、試驗過程，對該零件的加工工藝路線、裝夾方式、刀具選用、切削參數(shù)確認、程序編制等進行了研究總結(jié)，為這類零件的加工提供借鑒，具有實際的生產(chǎn)意義。
1零件的結(jié)構(gòu)特點
某環(huán)類零件是用于某型產(chǎn)品艙體連接處的重要零件之一，設計要求高，加工難度大。材料為抗磁不銹鋼，尺寸多、精度高，特別是形位公差要求極多，易變形，零件結(jié)構(gòu)具有直徑大、薄壁長等特點，加工難度大，加工質(zhì)量難于控制等特點，導致加工成本高、加工效率低，是生產(chǎn)上的一個瓶頸。該零件壁厚只有0.7mm，且內(nèi)孔上有非標準的M80×0.75mm螺紋。該零件為典型薄壁結(jié)構(gòu)零件，去除余量較大，如果用常規(guī)工藝夾持方式恐怕很難防止變形，給零件加工帶來困難。主要技術要求：某圓環(huán)零件尺寸精度均有較高要求，一般各孔的同軸度要求0.02mm，圓度要求0.02mm，孔徑與端面垂直度要求0.02mm，孔徑尺寸公差0.12～0.2mm。
2加工難點及分析
2.1加工難點
薄壁零件機械加工變形是多年來困擾機械加工行業(yè)的難題。在生產(chǎn)實踐中，薄壁零件的變形是多種多樣的，既有體積和尺寸的脹大和收縮變形，也有彎曲，扭曲等畸形變形，原因有零件的形狀結(jié)構(gòu)、材料內(nèi)應力、夾緊力、切削力和切削熱等。車削加工不銹鋼時因其塑性變形大，刀具摩擦嚴重，切削熱產(chǎn)生多，加工質(zhì)量難于控制，導致加工效率低下。況且零件屬于薄壁零件，變形的控制非常困難。具體問題如下：（1）零件采用2Cr15Mn15Ni2N抗磁不銹鋼為原材料，切削過程材料彈性變形較大，刀具磨損快、產(chǎn)品精度及表面質(zhì)量難以保證。（2）零件為環(huán)類薄壁直筒結(jié)構(gòu)，裝夾定位難以實現(xiàn)。該零件壁厚只有0.7mm，普通裝夾方式非常容易引起零件變形，φ0.03mm同軸度、0.01mm端面跳動及0.06mm公差的孔徑保證困難。原零件加工工藝文件通過制作專用工裝，雖能勉強夠保證產(chǎn)品合格率。但是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，且專用工裝應用不方便，一道工序加工中需要反復拆卸，嚴重制約了生產(chǎn)效率。
2.2問題分析
材料彈性變形大，刀具磨損比較嚴重。該零件材料選用2Cr15Mn15Ni2N抗磁不銹鋼，切削加工性較差，甚至一定程度上難于鈦合金材料加工。在切削過程中，為克服材料的彈性變形，刀具與零件之間摩擦大部分轉(zhuǎn)化為切削熱，造成零件各部位溫度不均，最終零件產(chǎn)生變形，對尺寸精度產(chǎn)生很大影響，有時甚至會使零件卡死在夾具上。在生產(chǎn)過程中每個刀片只能加工10余個零件，給生產(chǎn)成本造成極大的壓力，同時零件由于熱變形卡死在夾具上的事情時有發(fā)生，降低了零件的生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)安全上也存在隱患。薄壁零件加工及裝夾時容易引起變形。薄壁零件在加工過程中去除余量較大，車削加工過程容易讓刀，會產(chǎn)生變形。該零件壁厚只有0.7mm，在加工內(nèi)孔過程中時，采用普通三爪夾持外圓柱面，在夾緊力的作用下，會略微變成三角形，但鏜孔后得到的是一個圓柱孔。當松開卡爪，取下零件后，由于彈性恢復，外圓恢復成圓柱形，內(nèi)孔則變成弧形三角形。所以同軸度、端面跳動及孔徑保證困難。原工藝路線煩瑣，工裝應用拆卸不方便，影響加工效率。零件原工藝路線方案由5道數(shù)控車工序反復調(diào)換夾頭完成零件加工，工藝加工方案煩瑣，并且第三道工序精加工階段產(chǎn)品加工過程中要先使用工裝1和工裝2配合軸向壓緊零件端面加工零件內(nèi)孔，內(nèi)孔加工后要暫停機床運行，將第3套工裝壓緊在零件內(nèi)孔臺階端面與工裝1配合，再拆卸工裝2，完成外圓的加工，零件工裝在加工過程中的拆卸，嚴重影響加工效率。
3采取的工藝措施
選擇合適切削刀具。合適的刀具直接影響零件表面的加工光潔度，且對于產(chǎn)品保證尺寸精度，提升加工效率有著重要影響。本文通過選取多種刀片進行多組試驗，最終采用IC908系列刀片作為粗加工，GC1025和GC2025系列刀片作為精加工。合理的安排走刀進給路線。由于零件為薄板零件，切削量大，零件易產(chǎn)生應力，所以零件加工分粗車、精車階段。粗車工序時，以去除外圓、內(nèi)孔余量為主，盡量滿足精加工前余量均勻要求。但要在加工時注意控制切削力與夾緊力的大小，以避免零件產(chǎn)生新的應力，影響零件精車工序；精車時，切削量要小，重點以控制零件精度、減小零件變形為主。進給路線的安排要充分發(fā)揮數(shù)控車床能加工復雜形面的優(yōu)勢，進給路線要與零件剛度較好的方向平行。合理優(yōu)化工藝路線。工藝方案將原加工工藝5道數(shù)控車工序縮短為安排3道，特別是原工藝第4和第5工序中為了保證尺寸精度采用頂尖頂緊方式加工，對薄壁零件的變形影響極大，同時由于多次轉(zhuǎn)換工藝基準，給形位公差的保證帶來了不穩(wěn)定，新方案采用優(yōu)化工裝，降低了不穩(wěn)定性。且采用先粗加工再精加工的方式，避免了應力得不到完全釋放而引起的零件變形。確定合理的切削參數(shù)。采用該工藝路線后，進行了多組切削試驗，確定了合理的切削用量（見表1），避免了大吃刀量引起機床震動引起的變形，也避免了太小切削用量帶來的經(jīng)濟效益低下問題。試驗數(shù)據(jù)分析：第一組試驗數(shù)據(jù)采用了大切削深度，刀具磨損非常嚴重，加工2件零件刀具就不行了；第二組數(shù)據(jù)適當?shù)臏p小切削深度，刀具磨損還是比較嚴重，加工6件零件后，刀具已經(jīng)不能再使用；第三組數(shù)據(jù)大大降低切削深度，刀具磨損減輕，但是效率較低；第四組試驗，適當加大切削深度，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟性的前提下，提高了切削效率。當前采用的第四組數(shù)據(jù)，一個刀片可以完成約25件產(chǎn)品的加工。
4結(jié)語
2Cr15Mn15Ni2N抗磁不銹鋼材料的薄壁精密零件采用以上工藝改進后，減少了刀具損耗，節(jié)約了成本，提高了零件表面質(zhì)量。尤其是經(jīng)過工藝路線和切削參數(shù)的優(yōu)化改進，使得該類零件的加工效率和質(zhì)量得到了極大的改善，增強了零件生產(chǎn)的穩(wěn)定性。經(jīng)過統(tǒng)計，在試制初始階段，該零件每批50件的數(shù)控車加工周期在15天，且加工質(zhì)量不穩(wěn)定，刀具磨損也很厲害，大約10件零件就要重新?lián)Q新刀片。本文經(jīng)過研究試驗，通過采用合適的切削刀具、合理的工藝路線、優(yōu)化的裝夾方式和切削參數(shù)，每批產(chǎn)品的加工周期縮短到了7天，效率提高了一倍，一次更換刀片可加工近25個零件，且零件質(zhì)量穩(wěn)定，多批次零件合格率均達到98%以上。同時，通過本次加工探索，為其他2Cr15Mn15Ni2N抗磁不銹鋼材料的薄壁零件車削刀片的選擇提供了借鑒，不僅能改善該類零件加工的經(jīng)濟性，更提高了加工效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，取得了良好的效果，對同行業(yè)類似產(chǎn)品有一定借鑒意義。
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作者:劉大偉 單位:中國空空導彈研究院