摘 要：加工大直徑特種材料薄壁零件極易產(chǎn)生變形問題，本文研究了一種材料為4J32的低膨脹合金的大直徑薄壁零件，分析了薄壁零件加工變形主要是由裝夾引起，提出采用端面壓緊加工內(nèi)孔和彈性脹套裝夾加工外圓，可以有效地保證該零件的加工精度。最后通過對幾批零件的質(zhì)量跟蹤，驗(yàn)證了該方法可有效控制零件的橢圓變形。

關(guān)鍵詞：薄壁件；變形；裝夾；加工精度

中圖分類號(hào)：TG65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

大直徑特種材料薄壁零件的加工一直是機(jī)械加工的難題，我中心承接一種連接環(huán)就面臨著這種問題。該零件的材料是4J32—難加工的低膨脹合金，且形狀復(fù)雜，加工極易產(chǎn)生變形，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文對其進(jìn)行工藝分析，尋求解決變形的工藝措施，以期能確定合理的工藝方法及工藝參數(shù)，最終能經(jīng)濟(jì)、高效地加工出合格地零件。

1零件結(jié)構(gòu)與材料分析

如圖1所示：此零件屬于典型的大直徑薄壁零件，其直徑為200mm，零件的壁厚最薄處為1.9mm，尺寸精度≥IT6，表面粗糙度Ra 1.6-0.8μm，加工精度要求高

4J32低膨脹合金含鎳高達(dá)31.5%-33.0%。雖然鎳能使材料的強(qiáng)調(diào)、塑性、韌性增加，熱導(dǎo)率降低。但是，含鎳量超過8%形成奧氏體鋼， 奧氏體的硬度雖然不高（HB=160），而韌性很高，切削性軟粘，使切削性能顯著下降。4J32低膨脹合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅為13.4W/m·K，（凡導(dǎo)熱系數(shù)小于41.87W/m·K的材料均屬于難加工材料）可加工性很低，屬于難加工材料之一， 其化學(xué)成分見表1。

2影響零件變形的因素分析

只要進(jìn)行切削加工，工件的內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，工件的應(yīng)里平衡將受到破壞，內(nèi)部組織的平衡狀態(tài)極不穩(wěn)定，殘余應(yīng)力重新分布，使工件產(chǎn)生變形。引起變形的因素有夾緊力、切削力、切削熱、定位誤差和振動(dòng)變形等。因此，分析引起變形的因素及其影響程度，采取有效的防止變形的措施，是工藝中要解決的問題。

2.1夾緊力的影響

薄壁件的剛性較差，精加工內(nèi)孔時(shí)若裝夾的方式不當(dāng)（采用三爪或四爪直接夾薄壁件的外圓），夾緊力分布均勻或過大，夾緊后零件會(huì)變成三角形，雖然加工時(shí)零件為圓形，但夾緊力撤除后，外圓為圓柱形而孔易出現(xiàn)“三角棱圓形”從而使圓度超差。

若先加工內(nèi)孔，靠頂蓋與端面的摩擦力頂著零件加工，由于薄壁件端面的接觸面積小，若頂緊力太小，則零件于頂蓋之間會(huì)產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，就無法進(jìn)行加工；若頂緊力太大，佷容易因失穩(wěn)造成零件彎曲和扭曲變形。

2.2切削力的影響

4J32低膨脹合金塑性和韌性較好，抗拉強(qiáng)度和硬度雖然不佷高，一般與中碳鋼接近，但是其延伸率是非分明45#鋼的兩倍左右，切削是塑性變形大，晶格歪扭畸變，斷面收縮也較高，加工硬化傾向大，從而造成切削阻力大。

2.3切削熱的影響

切屑與工件表面分離時(shí)，因強(qiáng)烈的塑性變形與劇烈的摩擦將產(chǎn)生大量的熱量，因4J32的導(dǎo)熱系數(shù)較小，使零件的已加工表面層有較高的溫度而里層溫度較低，溫度高的表面層體迅速膨脹，將會(huì)受到里層金屬的阻礙，從而使表面金屬產(chǎn)生熱應(yīng)。里層金屬受到拉應(yīng)力，當(dāng)零件壁厚較薄時(shí)，則很容易產(chǎn)生變形，從而使零件的徑向圓度超差。零件冷卻后，表面金屬產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同樣引起零件徑向變形。

2.4切削用量的影響

切削用量將對切削力、切削熱、和提高加工效率產(chǎn)生影響，對加工薄壁件來說，主要是考慮減小徑向變形，影響徑向切削力Fr的切削用量有背吃刀量ap、進(jìn)給量f，它們增加，F(xiàn)r增大，而切削速度V增加，F(xiàn)r則減小。因此在精加工時(shí)因采取減小背吃刀量ap和進(jìn)給量f，提高轉(zhuǎn)速，從而減小工件變形。

3減小加工變形的方法研究

3.1減少夾緊力的影響

在工藝上，可根據(jù)零件的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取如下措施：將徑向夾緊力改為軸向壓緊，如在加工內(nèi)徑時(shí)可采用端面壓板壓緊的方式如圖2，這樣零件只受軸向力，而不受徑向力，大大減小了零件的夾緊變形，經(jīng)過我們對幾批零件尺寸數(shù)據(jù)的跟蹤，圓度誤差不超過0.05mm。內(nèi)孔加工好后，采用彈性脹套以內(nèi)孔定位，配合大扇形軟爪夾持外圓可使夾緊力均勻，不致出現(xiàn)徑向變形，針對零件設(shè)計(jì)制作的夾具對減少切削變形和裝夾變形具有良好的效果。

3.2選擇合適的刀具材料及合理的幾何參數(shù)

4J32低膨脹合金的切削加工性能類似于1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，要求刀具材料具有較高硬度、強(qiáng)度和韌性，又具有良好的耐磨性抗氧化性及抗粘結(jié)性。為此加工此類不銹鋼通常采用鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具，如YG6X YG8 YW等。精車時(shí)，前后刀面經(jīng)過精心刃磨和研磨，較低的表面粗糙度可減小摩擦力，以減小切削抗力Fr。在刀具幾何參數(shù)方面，精加工宜選擇大前角γ=15°-25°，適當(dāng)?shù)暮蠼铅?5°-10°，較小的刀尖圓角半徑rε≤0.5，主偏角K=89.3°-90.3°刃傾角λ=4°-8°，寬斷屑槽。這樣可以使切屑流暢地流向待加工表面，減小徑向切削力，從而大大降低變形的趨向。

3.3選取合理的切削用量

在精加工中，采用較小的走刀量和吃刀深度可以降低切削力，從而減小變形。在加工中采用較小的刀尖圓角rε≤0.5，且對刀尖圓角進(jìn)行研磨使其圓滑，在采用較小的吃刀深度和走刀量，以及高的轉(zhuǎn)速，還可以減少切削表面的殘留面積，降低表面粗糙讀值。

3.4粗精加工分開

對薄壁件的加工，需采用粗加工、半精加工、精加工分開，這樣就拉長了各工序之間的時(shí)間間隔，相當(dāng)于自然時(shí)效，有利于消除工件的內(nèi)應(yīng)力，使工件有變形的時(shí)間，以便在下道工序中修正。

連接環(huán)的加工工藝路線是：首先進(jìn)行粗加工，采用大的切削用量，提高切削效率和經(jīng)濟(jì)效益。然后進(jìn)行熱處理，加熱倒315°C±10°C，保溫兩小時(shí)隨爐冷卻到90°C以下出爐。接下來進(jìn)行半精加工，精加工。其優(yōu)點(diǎn)是：克服了粗加工中強(qiáng)力切削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和夾緊力較大所引起的變形，使精加工時(shí)采用較小的切削用量，從而可以有效避免或減少精加工中出現(xiàn)的變形。

3.5充分的冷卻與潤滑

在切削4J32低膨脹合金時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，必須進(jìn)行充分的冷卻與潤滑。冷卻與潤滑有四個(gè)作用：一是冷卻，即吸收切削過程中產(chǎn)生的熱量，冷卻效果與切削液的流量、導(dǎo)熱系數(shù)、氣化熱以及粘度值等有關(guān)；二是潤滑，可以降低前刀面與切屑和后刀面與工件之間的摩擦，從而避免積屑瘤的產(chǎn)生；三是清洗，即可沖去切屑碎塊以及刀具的顆粒和其他殘留物，有利于改善工件表面的粗糙度和減小刀具的磨損；四是表面松馳作用，也稱液體的切削作用，含有表面活性劑的切削液中的吸附分子可加速對由晶格缺陷產(chǎn)生的微小裂紋的崩解、擴(kuò)散與滲透。由于被吸附液體的類似楔的作用，從而使切屑變形取中呈現(xiàn)出的塑性變形及切削單元的滑移更加容易和更加頻繁。正是由于切削液的作用，可以減少30%左右的切削抗力。同時(shí)大大降低了熱應(yīng)力，減小零件的變形。我們采用機(jī)械油和煤油的混合物，比例為3：2，提高清洗和潤滑作用，切削液時(shí)應(yīng)有足夠的流量、壓力和流動(dòng)性，從而提高刀具的耐用度。

結(jié)語

實(shí)踐證明，薄壁件的加工變形主要是裝夾引起，我們對此分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)夾具，采用端面壓緊加工內(nèi)孔和彈性脹套裝夾加工外圓，通過對幾批零件的質(zhì)量跟蹤，有效的控制了零件的橢圓變形，橢圓度≤0.05mm，保證了圖紙尺寸的要求。

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