15-5PH不銹鋼薄壁筒形零件車削工藝

中國空空導彈研究院十三分廠 (河南洛陽 471009） 王槐德

凱邁（洛陽）機電有限公司 (河南 471009） 鄭惠宗

因15-5PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼具有高的強度、良好地橫向韌性，熱處理工藝簡單，變形小，使用性能、工藝性能優(yōu)良等特點，已在某軍工行業(yè)等薄壁重要承力部件上得到廣泛使用。但15-5PH薄壁筒形零件的加工一直是比較棘手的問題。原因是薄壁筒形零件本身壁薄、剛性差、易變形，加工難度大；15-5PH材料韌性大、熱強度高、導熱系數(shù)低，切削時塑性變形大、加工硬化嚴重、切削熱多、散熱困難，導致刀具切削刃溫度高、切屑粘附刃口嚴重、容易產(chǎn)生積屑瘤，既降低了刀具壽命，又影響了表面加工質(zhì)量。因此，采用何種合理有效的工藝方法提高15-5PH薄壁筒形零件的加工精度，是一個亟需解決的問題。

1.影響加工精度的不利因素

（1）15-5PH不銹鋼材料切削性能 15-5PH材料中含有鉻、鎳、鉬、鈮等元素，而在機械加工中，鉻、鎳等元素使切屑不易斷開，刀具散熱不暢，影響表面質(zhì)量；鉬、鈮等元素使刀具極易磨損、破損，及產(chǎn)生積屑瘤?？傊?，15-5PH材料的導熱性差，加工硬化嚴重，親和性大，切屑粘附刀具刃口嚴重，刀具磨損快，切削性能極差。

（2）易變形 薄壁筒形零件的外形直徑D與壁厚δ之比（D/δ）通常為50～200，壁厚一般在0.5～3mm（見圖1），具有剛性差、強度低、易變性、易振動等特點。該類零件加工的最大瓶頸是如何控制變形，而影響薄壁件變形的因素有很多，主要體現(xiàn)在受力變形、受熱變形和內(nèi)應(yīng)力釋放產(chǎn)生變形三個方面。

通過對零件結(jié)構(gòu)及材料特性的分析，得知內(nèi)外圓的精車加工是該零件的加工難點，而如何有效控制加工變形是解決加工問題的重要措施。為提高加工效率、保證加工質(zhì)量，從工藝總體方、工藝系統(tǒng)剛度、裝夾方式、刀具材料及參數(shù)、切削參數(shù)及切削液等方面，提出有效控制加工變形，提高加工精度的工藝措施。

圖1 前筒體零件

2.工藝總體方案的合理設(shè)計

前筒體為薄壁零件，在機械加工過程中，容易在內(nèi)應(yīng)力與熱應(yīng)力耦合作用下產(chǎn)生變形，影響尺寸精度、形狀精度及位置精度。因前筒體尺寸精度及形狀精度要求較高，在加工內(nèi)外圓時，粗加工、半精加工及精加工分開進行，并在粗加工、半精加工之后增加人工時效工序，通過冷熱循環(huán)穩(wěn)定化處理，使得零件內(nèi)應(yīng)力充分釋放，減小精加工時的變形，提高加工精度。工藝方案設(shè)計為“先粗后精，先內(nèi)后外”，工藝路線為：粗加工→人工時效（去除內(nèi)應(yīng)力）→半精加工→人工時效（去除內(nèi)應(yīng)力）→精加工。

工藝方案確定之后，加工余量的合理分配對于零件變形的控制、加工質(zhì)量的保證顯得至關(guān)重要。在粗加工、半精加工階段，要盡可能多地去除余量，根據(jù)零件的變形情況，給精加工留合理的切削余量即可。經(jīng)過分析及加工經(jīng)驗，前筒體半精加工切削余量內(nèi)外圓分別為2mm、1mm；精加工切削余量內(nèi)外圓均為1mm。

3.提高工藝系統(tǒng)剛度

為提高前筒體加工工藝系統(tǒng)剛度，在進行內(nèi)圓加工時，采取了合理設(shè)置工藝臺階法，以具有一定剛性（厚度）的工藝臺階作為零件的裝夾、定位基準，并設(shè)計加長軟爪（有兩處定位夾持面）裝夾加工，完成零件尺寸加工后，最終將工藝臺階去除；在進行外圓加工時，采取了填充防振物機械加工方法，即零件一端（設(shè)置有工藝臺階端）以內(nèi)軟爪反撐夾持，將泡沫塑料、軟性橡膠或發(fā)泡材料等輕軟之物填充至零件內(nèi)孔中，與零件內(nèi)壁貼合一體不脫落，并配專用堵頭于尾部頂緊零件，完成裝夾之后加工（可采用兩端堵頭頂緊方式）。內(nèi)圓加工裝夾示意如圖2所示，外圓粗、半精加工裝夾示意如圖3所示。

圖2 內(nèi)圓加工裝夾示意

圖3 外圓粗、半精加工裝夾示意

4.可靠的裝夾方式

在精加工前筒體外圓時，因外圓尺寸精度要求較高，為φ100mm，外圓與內(nèi)圓φ98.2的同軸度要求高，為φ0.05mm，且加工之后零件壁厚僅0.9mm，若以普通的一端內(nèi)軟爪支撐一端堵頭頂緊，或兩端堵頭頂緊的裝夾方式加工，零件變形大，加工精度要求難于保證。因此，在精加工外圓時，為減小加工變形，保證加工質(zhì)量，采用可靠的裝夾方式加工極為重要。采用長軟爪夾持工藝臺階完成內(nèi)圓精加工之后，在最后一道工序選擇以零件內(nèi)圓表面定心的定位心軸裝夾精加工外圓。如圖4所示定位心軸，其作用是以前筒體內(nèi)圓定位，提高工藝系統(tǒng)剛度，減小加工變形，以便精加工外圓能夠滿足尺寸精度、表面質(zhì)量及相關(guān)技術(shù)條件的要求。

圖4 定位心軸

5.刀具合理選擇

（1）刀具材料 根據(jù)15-5PH不銹鋼的切削特點，所選刀具應(yīng)具備足夠的強度、韌性、高硬度和高耐磨性，且與前筒體材料的粘附性要小。因此，在車削加工時，最好選用具有硬度高、耐磨性好、耐熱性好等特點的硬質(zhì)合金刀具。經(jīng)過研究分析及加工試驗，分別選出了適用于粗加工與精加工使用的刀具材料。為提高加工效率，在粗加工階段選用韌性和導熱性較好，切屑不易粘結(jié)，可承受大吃刀量的YG類硬質(zhì)合金刀具；為保證加工表面質(zhì)量，在精加工階段選用硬度、耐磨性、耐熱性和抗氧化性以及韌性都較好的YW類硬質(zhì)合金刀具。

（2）幾何參數(shù) 經(jīng)過系統(tǒng)分析及加工試驗，得出適于切削15-5PH薄壁筒形零件的硬質(zhì)合金車刀幾何參數(shù)，如表1所示。

表1 刀具幾何參數(shù)表

6.切削用量

切削用量的大小對于刀具壽命、工件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很大影響，因此在確定刀具幾何參數(shù)之后，還需選定合理的切削用量。

采用硬質(zhì)合金刀具切削薄壁工件時，在粗加工階段切除余量大，為最大限度提高金屬切除率，提高加工效率，在系統(tǒng)剛度允許的情況下，應(yīng)盡可能選取大的背吃刀量（ap=2～4mm）和進給量（?=0.2～0.4mm/r）。同時為了保證刀具的壽命，切削速度不宜過高（vc=50～65m/min），以保證在刀具壽命一定的條件下達到最高的加工效率。在精加工階段，應(yīng)選擇較小的背吃刀量（ap=0.2～1mm）和進給量（?=0.05～0.15mm/r），以及較高的切削速度（vc=70～85m/min）進行切削。另外，由于零件尺寸精度與表面質(zhì)量要求較高，精加工時采用了逐漸減小背吃刀量的方法逐步提高加工精度。

實踐證明，表2所列的各加工階段切削用量，可以有效提高15-5PH薄壁筒形零件的加工質(zhì)量和加工效率。

表2 切削用量參數(shù)

7.切削液的合理選擇

根據(jù)15-5PH不銹鋼切削加工性能差、導熱性差、切削區(qū)溫度高等特點，要求切削液具有較高的冷卻性能、潤滑性能和滲透性。另外綜合考慮加工所用合金車刀對驟熱的敏感性，應(yīng)盡可能使刀具均勻受熱，而一般油基切削液的熱傳導性能較差，使刀具產(chǎn)生驟冷的危險性要比水基切削液小，所以一般選用含有抗磨添加劑的油基切削液為宜。因四氯化碳的滲透性好，全損耗系統(tǒng)用油的潤滑性好，可選用四氯化碳與全損耗系統(tǒng)用油按重量比為1∶8的混合物作為切削液。實踐證明，這種切削液適用于表面質(zhì)量要求較高的15-5PH不銹鋼零件的半精加工和精加工工序。

8.結(jié)語

采用此工藝方法加工的前筒體零件完全符合設(shè)計圖樣的要求，合格率達100%。有效解決了15-5PH薄壁筒形零件車削變形、振動等加工難題。通過對前筒體零件的加工及現(xiàn)場情況分析處理，對15-5PH薄壁筒形零件的加工有了比較深入的了解，為后續(xù)加工15-5PH及其他高強度材料薄壁筒形零件積累了一定的經(jīng)驗。