大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司 (遼寧 116035) 陳鳳艷 蘇新順 曲 波 鄒治生

公司承接了用于安裝在海面下幾十米深海水里某流體旋轉(zhuǎn)頭的試制加工任務(wù)。該流體旋轉(zhuǎn)頭工作時(shí)要滿足內(nèi)外不泄漏、抗腐蝕性強(qiáng)、能適應(yīng)多種流體成分和流速高的要求，其組成零件之一的壓蓋如圖1所示。

圖1 壓蓋

壓蓋材料為ASTM A182 F51。對(duì)于這種難加工材料，表面粗糙度值要達(dá)到Ra=0.2 μm，尺寸精度達(dá)到IT5級(jí)，我公司首次遇到。公司技術(shù)人員和工人師傅通力合作，對(duì)該材料和該零件設(shè)計(jì)圖的加工難點(diǎn)進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，終于成功加工出滿足圖樣要求的產(chǎn)品并按期交貨。現(xiàn)將加工中難點(diǎn)攻關(guān)總結(jié)如下，供大家借鑒。

1.材料切削難點(diǎn)分析

ASTM A182 F51是美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)的奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼，其力學(xué)性能為：最小抗拉強(qiáng)度620 MPa、最小屈服強(qiáng)度 (0.2%殘余變形)450 MPa、最小延伸率25%、最小斷面收縮率45%、最小平均沖擊功45J，其切削加工性在不銹鋼中最差。以普通45鋼的切削加工性作為100%，奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼的相對(duì)切削加工性不足40%。該材料在切削過程中有如下幾方面特點(diǎn)：

(1)加工硬化嚴(yán)重 該材料塑性變形時(shí)晶格歪扭，強(qiáng)化系數(shù)很大;且奧氏體不夠穩(wěn)定，在切削應(yīng)力的作用下，部分奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體;再加上化合物雜質(zhì)在切削熱的作用下，易于分解呈彌散分布，使切削加工時(shí)產(chǎn)生硬化層;硬化層的深度可達(dá)切削深度的1/3或更大，硬化層的硬度比原來的提高1.4～2.2倍。前一次進(jìn)給或前一道工序所產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重影響后續(xù)工序的順利進(jìn)行。

(2)切削力大 該材料在切削過程中塑性變形大，其伸長率超過45鋼的1.5倍以上，使切削力增加。同時(shí)，加工硬化嚴(yán)重，熱強(qiáng)度高，進(jìn)一步增大了切削抗力，切屑的卷曲折斷也比較困難。因此加工該材料的切削力大。

(3)切削溫度高 切削時(shí)塑性變形及與刀具間的摩擦都很大，產(chǎn)生的切削熱多;加上該材料的導(dǎo)熱系數(shù)約為45鋼的1/4～1/2，大量切削熱都集中在切削區(qū)和刀-屑接觸的界面上，散熱條件差。在相同條件下，該材料切削溫度比45鋼高200℃左右。

(4)切屑不易折斷、易粘結(jié) 該材料的塑性、韌性都很大，車加工時(shí)切屑連綿不斷，不僅影響操作的順利進(jìn)行，切屑還會(huì)擠傷已加工表面。在高溫、高壓下，該材料與其他金屬的親和性強(qiáng)，易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，并形成積屑瘤，既加劇刀具磨損，又會(huì)出現(xiàn)撕扯現(xiàn)象而使已加工表面惡化。

(5)刀具易磨損 切削該材料過程中的親和作用，使刀-屑間產(chǎn)生粘結(jié)、擴(kuò)散，從而使刀具產(chǎn)生粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損，致使刀具前刀面產(chǎn)生月牙洼，切削刃還會(huì)形成微小的剝落和缺口;加上該材料中的碳化物 (如TiC)微粒硬度很高，切削時(shí)直接與刀具接觸、摩擦，擦傷刀具，還有加工硬化現(xiàn)象，均會(huì)使刀具磨損加劇。

(6)線膨脹系數(shù)大 不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼的1.5倍，在切削溫度作用下，工件容易產(chǎn)生熱變形，尺寸精度較難控制。

2.零件設(shè)計(jì)圖樣的加工難點(diǎn)分析

如圖1所示，流體旋轉(zhuǎn)頭壓蓋由于在惡劣環(huán)境下使用，其與內(nèi)環(huán)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的底面粗糙度值要求達(dá)Ra=0.2 μm，直徑200 mm，尺寸公差等級(jí)IT5級(jí)，其余尺寸精度和形位公差精度也要求極嚴(yán)格。Ra=0.2 μm的粗糙度要求對(duì)于一般碳鋼也少見 (Ra=0.8 μm比較常用)，況且由前述可知，該材料在不銹鋼中是最難加工的。試切時(shí)發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)生的硬化層厚、切削力大容易導(dǎo)致斷刀;切屑不易折斷、切削溫度高導(dǎo)致粘刀并加劇刀具磨損和刮傷已加工表面等。

該材料的難加工特性決定了不能用加工一般材料的傳統(tǒng)切削方法和刀具，尤其對(duì)于Ra=0.2 μm的粗糙度和高精度的尺寸、形位公差要求，因此，機(jī)械加工工藝的工序安排及刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削用量的選擇等成為關(guān)鍵。

3.加工難點(diǎn)的解決對(duì)策

(1)機(jī)械加工工藝的工序安排 毛坯預(yù)處理→粗車→超聲波探傷→鉆鏜孔→熱處理 (固溶處理并淬火)→粗車→失效→半精車→鏜孔→半精車→精車→滲透探傷→三坐標(biāo)及粗糙度檢測。

傳統(tǒng)的加工方法應(yīng)采用磨削或者超聲波振動(dòng)切削儀加工來達(dá)到Ra=0.2 μm的粗糙度要求，但是工序安排上沒有磨削，只有車削。因?yàn)榻?jīng)我們反復(fù)試驗(yàn)，數(shù)控磨床磨削的表面粗糙度值能達(dá)到Ra=0.8 μm，超聲波振動(dòng)切削儀加工的表面粗糙度值能達(dá)到Ra=0.3 μm。我們選用美國MAG數(shù)控車銑中心機(jī)床 (回轉(zhuǎn)工作臺(tái)直徑2 m，工作臺(tái)載重15 t，Z軸高度為2 m，X軸單向移動(dòng)距離為1600 mm)，采用車削的加工方法，表面粗糙度值達(dá)到了Ra=0.2 μm。

在工序安排上遵循粗、精加工分開的原則，并在粗加工后、精加工工序前進(jìn)行時(shí)效處理，充分釋放作用于工件上的夾緊力和切削力，待工件變形穩(wěn)定后進(jìn)行最終的精加工，防止粗加工變形過渡到精加工工序而產(chǎn)生尺寸誤差、形位誤差。

(2)刀具材料的選擇 選擇合適的刀具材料是加工出高精度零件的基礎(chǔ)。雙相不銹鋼ASTM A182 F51這種材料的難加工特性，要求刀具材料應(yīng)具有耐熱性好、耐磨性高、與被加工材料的親和作用小等特點(diǎn)。目前常用的刀具材料有高速鋼和硬質(zhì)合金。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)得出的結(jié)論是：硬質(zhì)合金更適合加工該材料。我們選擇了涂層硬質(zhì)合金材質(zhì)，基體為強(qiáng)度、韌性比較好的超細(xì)晶粒非合金物質(zhì)，涂層為耐磨耐高溫的AlTiN材料。

(3)刀具幾何參數(shù)的選擇 前角：根據(jù)前述該材料的難加工特性，在保證刀具有足夠強(qiáng)度的前提下，選用15°～25°比較大的前角，這樣不僅能夠減小被切削金屬的塑性變形，而且可以降低切削力和切削溫度，同時(shí)使硬化層深度減小。

后角：加大后角能減小后刀面與加工表面的摩擦，但會(huì)使切削刃的強(qiáng)度和散熱能力降低。后角的合理值取決于切削厚度，切削厚度小時(shí)，宜選較大后角。我們?nèi)?0°～20°(精加工) 或6°～10°(粗加工)。

主偏角、副偏角：減小主偏角可增加刀刃工作長度，有利于散熱，但在切削過程中使徑向力加大，容易產(chǎn)生振動(dòng)，取主偏角45°～75°，若機(jī)床剛性不足，可適當(dāng)加大。副偏角取8°～15°。為了增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，應(yīng)磨出0.5～1.0 mm的刀尖圓弧。

刃傾角：為了增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，刃傾角取-8°～-3°，斷續(xù)切削時(shí)取 -15°～ -5°。

另外比較重要的一點(diǎn)是采用周邊磨削刀片。對(duì)刀片雙面的周邊和外形進(jìn)行磨削，使刀具能在很大的剪切力作用下進(jìn)行切削，較好地減小使切削力增大和切削溫度升高的摩擦力。經(jīng)周邊磨削的切削刃，可保留一個(gè)僅有0.0005 in寬的刃帶，為普通只經(jīng)壓制的刀片切削刃刃帶寬度的1/5～1/3，用這種刀片能加工出較理想的零件表面粗糙度。

(4)切削用量的選擇 刀具材料和幾何參數(shù)確定后，切削用量的選擇對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和刀具壽命起著決定作用，對(duì)于該材料，宜采用中低速50～80 m/min切削。我們最終選擇的切削用量如下。半精車：切削速度50 m/min，進(jìn)給量0.3 mm/r，背吃刀量0.3 mm;精車：切削速度80 m/min，進(jìn)給量0.1 mm/r，背吃刀量0.1 mm，多次加工以去除表面硬化層;超精車：切削速度80 m/min，進(jìn)給量0.05 mm/r，背吃刀量0.1 mm。

4.結(jié)語

流體旋轉(zhuǎn)頭的難加工件主要有壓蓋、內(nèi)環(huán)和外環(huán)，雖然它們的材料ASTM A182 F51在不銹鋼中切削性能最差，具有加工硬化嚴(yán)重、切削力大、切削熱高、導(dǎo)熱系數(shù)低、易粘刀及易磨損刀具等特點(diǎn)，且精度要求極高，但通過我們的深入研究、創(chuàng)新試驗(yàn)、刻苦攻關(guān)，終于加工出經(jīng)三坐標(biāo)儀和粗糙度儀檢測完全合格的零件并按期交貨，深得用戶滿意。如圖2所示是加工出的成品的壓蓋、內(nèi)環(huán)和外環(huán)。

通過該試制加工任務(wù)的圓滿完成，我們摸索出了一套利用我公司現(xiàn)有設(shè)備加工目前還依賴進(jìn)口的流體旋轉(zhuǎn)頭的工藝方法，為我公司開拓海工產(chǎn)品市場奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2