典型金屬零件的加工實例分析

魯秋平

（沈陽航天譽興機(jī)械制造有限公司，遼寧沈陽110043）

典型金屬零件的加工實例分析

魯秋平

（沈陽航天譽興機(jī)械制造有限公司，遼寧沈陽110043）

金屬零件的機(jī)械加工是以設(shè)計尺寸為基礎(chǔ)，結(jié)合使用要求和裝配條件，選擇合理工藝路線，使加工的零件達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。選擇材料是機(jī)械加工的前提要素，尺寸精度高、形位公差嚴(yán)的零件，對其材料的綜合機(jī)械性要求更高。針對軸類、板類等典型零件，不同的使用場合需有不同的熱處理，適當(dāng)輔助基準(zhǔn)有利于制造、安裝、調(diào)試。

零件；材料；熱處理；加工工藝

機(jī)械制造工藝極其廣泛，包括毛坯制造、機(jī)械加工、熱處理和產(chǎn)品裝配等。金屬零件的加工通常需要考慮被加工零件的材料、熱處理、尺寸公差和形位公差等級，因此要選擇合理的工藝路線。其中，軸類工序為：粗車－精車－外磨/內(nèi)磨；板類工序為：銑－平磨－鉆孔/鏜孔。

機(jī)械加工的原則：先加工設(shè)計、工藝基準(zhǔn)，其中工藝基準(zhǔn)包括工序、定位、測量、裝配基準(zhǔn)；劃分粗、精加工階段，尤其分為熱處理前和熱處理后；先面后孔，便于定位；次要表面可穿插在各個加工階段間進(jìn)行[1]。批量生產(chǎn)中的工藝參數(shù)要實時監(jiān)控，動態(tài)參數(shù)及時調(diào)整，以保證產(chǎn)品的一致性。而制造過程中使用輔助基準(zhǔn)，一般與零件的加工尺寸并無直接聯(lián)系，主要為了保證零件實現(xiàn)設(shè)備中的設(shè)計功能，添加必要的參考平面，相對容易忽視輔助基準(zhǔn)在加工中的重要性。

1 材料及熱處理

金屬材料的綜合機(jī)械性能對加工有較大的影響，設(shè)計人員在材料選擇上應(yīng)考慮強(qiáng)度、硬度、切削性能、熱膨脹系數(shù)、熱處理性能以及零件功能等技術(shù)要求。金屬零件常用材料：Q235、Q345、HT200、20、45、40Cr、T8、CrWMn、GCr15、38CrMnAl、Cr12MoV等，主要特性如表1所示。

表1 常用材料特性

鋼的熱處理就是通過改變金屬內(nèi)部組織，來改善金屬的性能，提高材料的使用價值。通常的考察特性為淬硬性、淬透性、回火脆性、回火穩(wěn)定性。含碳量越高淬硬性越好，但硬度過高、淬透性不好的金屬會使零件變脆，回火可以增加材料的韌性，淬透性好的材料，芯部和表面的硬度差別小，在相同條件下，含有錳、鉬、鉻、鎳等元素的合金鋼都有良好的淬透性。淬硬層的深度還與淬火劑的冷卻速度有關(guān)，其中水和鹽水可以增加淬硬層深度，但快速冷卻容易造成開裂，形狀復(fù)雜截面較大的零件只能使用油類等緩和淬火劑。含有鉬或鎢的鋼不會產(chǎn)生回火脆性，對于工具鋼，回火穩(wěn)定越高，高速切削越穩(wěn)定；對于結(jié)構(gòu)鋼，回火穩(wěn)定性高的材料在相同的強(qiáng)度和硬度下，韌性越好[2，3]。

2 軸類

軸類零件常用材料45#鋼，熱處理硬度HRC35，綜合機(jī)械性能良好。對于中等精度的軸，選用40Cr，熱處理可以得到較高的力學(xué)性能。精度較高的軸應(yīng)選擇GCr15，經(jīng)調(diào)質(zhì)表面淬火可以得到更高的耐磨性和疲勞性。38CrMoAl氮化鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)氮化后，表面具有很高的耐磨性，芯部具有足夠的強(qiáng)度和韌性，熱處理變形較小。

軸類分為：轉(zhuǎn)軸、傳動軸和心軸。其中轉(zhuǎn)軸既承受扭矩又承受彎矩；傳動軸只承受扭矩不承受彎矩；心軸只承受彎矩不承受扭矩。機(jī)床刀柄軸要求高精度、高同軸度、高耐磨性，在發(fā)熱量較大的情況下，仍需保持良好的強(qiáng)度和剛度，足夠的韌性和抗沖擊性。軸的旋轉(zhuǎn)精度和剛度是影響加工質(zhì)量重要因數(shù)，旋轉(zhuǎn)精度主要由徑向和軸向跳動決定，剛度主要由材料性質(zhì)決定。在機(jī)床轉(zhuǎn)軸加工領(lǐng)域中，針對不同直徑的軸，考慮加工、熱處理原理，機(jī)床專用的刀柄軸采用旋轉(zhuǎn)軸和刀套一體軸，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刀柄軸

總體工藝方案為：粗加工－調(diào)質(zhì)－半精加工－人工時效－精加工－表面滲氮，表2簡單說明了刀柄軸加工工序。其特征為：軸端頂孔直徑≤3 mm；滲氮前整體調(diào)質(zhì)；精加工前人工時效；刀套部分加工順序為：外圓－內(nèi)圓－穿芯棒－外圓－內(nèi)圓；刀套端面配磨，頂住刀柄；外磨各外圓的砂輪進(jìn)給方向沿著軸線方向，減小軸的跳動公差。

表2 刀柄軸工序

38CrMoAl具有良好的滲氮性能和很高的機(jī)械性能，淬火溫度（950±10）℃，油冷或水冷，硬度HRC>56，回火200℃，硬度HRC>55，回火（640±30）℃，空冷，硬度HRC31~38，耐熱和耐腐蝕性良好、滲氮處理可以得到高表面硬度、高疲勞強(qiáng)度和良好的抗過熱性，工作溫度不高于500°C，淬透性差，一般滲氮使表面韌性下降，所以在滲氮前調(diào)質(zhì)，增加心部韌性，避免在沖擊較大的場合使用[4]。滲氮前調(diào)質(zhì)可獲得良好的綜合力學(xué)性能，不經(jīng)調(diào)質(zhì)直接滲氮的軸，心部強(qiáng)度和韌性較低，使心部和表皮的硬度差過大，脆性傾向增大，造成無法支撐表面硬層，滲氮層易脫落。熱循環(huán)離子滲氮經(jīng)過反復(fù)多次離子滲氮，用時2~5 h，滲氮層厚度可達(dá)0.29~0.45 mm[5]，可以滿足使用要求，相對于其它滲氮20~80 h的用時，速度較快，適用于軸類。

3 板類

板類零件常用材料45#鋼，熱處理可以到良好的機(jī)械性能，一般零件選擇Q235鋼；機(jī)床床身，變速箱體常用各類灰鐵，其有較好的鑄造性、耐磨性、切削性和吸振性，成本較低。

鉆模板是用來加工曲軸8個直油孔，分為A片和B片，通過液壓缸控制進(jìn)給位置，使用兩個銷軸定位，油孔尺寸完全一致，兩塊板的外形稍有不同，各板內(nèi)加工切削液專用冷卻水道，在定位銷口通過高壓進(jìn)切削液，切削液沿內(nèi)型腔傳遞至帶有一定角度的噴水口，要求水柱越過導(dǎo)柱，方向?qū)?zhǔn)鉆頭根部，可以完全冷卻鉆頭切削產(chǎn)生的熱量。整體結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜化，但安裝使用方便，維護(hù)成本較低，適用于生產(chǎn)線長期使用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉆模板

設(shè)置導(dǎo)柱是為了減小導(dǎo)向板的總厚度，降低鉆模板的重量，減小液壓缸受到的端部重力彎矩，有利于油孔加工質(zhì)量的提高。水道直徑依次遞減，可以使板內(nèi)切削液保持較高的壓力，噴水口濺射效果更好，鉆頭在整個切削過程處于完全冷卻，減小刀具的磨損率。聯(lián)動加工可以保證油孔相對位置精度，油孔光潔度、同軸度進(jìn)一步得到提高。

總體加工方案：導(dǎo)向板和導(dǎo)柱分別單獨粗加工，焊接后整體精加工，難點在導(dǎo)向板的加工和焊后的整體加工，表3為導(dǎo)向板和焊后的整體加工工序。其特征為：內(nèi)部冷卻水道相互貫通，避開8－φ18偏心套底孔；噴水口φ6角度60°，冷卻位置對準(zhǔn)鉆頭根部；導(dǎo)柱高于鉆模板前表面46 mm；鉆模板為A片和B片兩片成對使用，兩側(cè)同時鉆孔；材料為45#鋼，熱處理硬度HRC30～36；定位銷是空心形式，切削液進(jìn)口在兩處定位銷上。

表3 鉆模板工序

正火正常化可以消除焊接導(dǎo)柱產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，細(xì)化焊接區(qū)域的晶粒組織，便于后續(xù)加工，防止熱處理產(chǎn)生裂紋。工件殘余應(yīng)力有：毛坯制造的殘余應(yīng)力；零件冷校直帶來的殘余應(yīng)力；切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，切削熱產(chǎn)生的變形和工件去除殘余應(yīng)力后殘余應(yīng)力重新分布產(chǎn)生的變形。減小殘余應(yīng)力的方法有：合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)，降低壁厚差，增大零件的剛度；對工件進(jìn)行熱處理和人工時效，高溫時效適用于粗加工，低溫時效適用于半精加工之后。

熱處理產(chǎn)生的變形應(yīng)越小越好，加熱冷卻溫度要均勻緩慢，回火溫度600℃，硬度降至不足20HRC，組織發(fā)生嚴(yán)重軟化[6]，工件整體厚度盡量一致，在滿足工藝的要求下，盡量使用油性介質(zhì)。淬火產(chǎn)生裂紋的原因：應(yīng)力集中；號鋼含碳量大，脆裂傾向增大；加工應(yīng)力淬火未被消除。熱處理工序原則：一般變形較大的安排在精加工磨削之前，變形較小的安排在精加工之后；預(yù)備熱處理，目的在于改變加工性能，為最終熱處理做準(zhǔn)備和消除應(yīng)力，如正火、退火和時效處理，通常放在粗加工之后，有利于消除粗加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，減小變形量。

圖3為百分表拉直基面，找正基準(zhǔn)，準(zhǔn)備精鏜孔。加工中心精鏜孔精度達(dá)到0.01mm，由于材料有一定的硬度，會磨損刀尖，必須在加工過程調(diào)整刀具補償，結(jié)果顯示加工兩個孔后，其直徑相差0.006 ~0.007 mm，調(diào)整刀補是非常必要的。為了保證的鏜孔精度，可以先使用精度低的刀柄和刀具進(jìn)行粗加工，留出加工余量后，再使用精度高的刀柄和刀具進(jìn)行精加工，可以保證最小的刀具磨損量，達(dá)到最大的加工精度?；鶞?zhǔn)孔和聯(lián)接孔均是盲孔，分別在板的兩面，需要裝夾兩次，先鏜基準(zhǔn)孔和鉆套孔，反向裝夾時，校正基面，以φ18孔為基準(zhǔn)，反算其它尺寸。

圖3 拉直基面

4 結(jié)束語

金屬零件的機(jī)械加工必須根據(jù)設(shè)計要求和加工工藝，選擇合理的材料與熱處理，使零件達(dá)到更高的機(jī)械性能，以滿足使用功能，要注重?zé)崽幚韺Σ牧闲阅艿奶嵘?。軸類和板類為典型的機(jī)械零件，通常狀態(tài)下軸類零件要求同軸度，板類零件要求平行垂直度，加工過程中要有參考基準(zhǔn)和工藝孔，便于后續(xù)的制造檢驗。

[1]王選逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M]．第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]張久龍.淬透性和淬硬性的概念介紹[J].金屬加工，2008，（19）：67-69.

[3]胡光立，謝希文.鋼的熱處理[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[4]楊剛.滲氮工藝對機(jī)床主軸用38CrMoAl鋼性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2014，35（7）：1450-1452.

[5]雷廷全，傅家琪.金屬熱處理工藝方法500種[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[6]王洋，王樹奇，魏敏先.45#鋼磨損性能和磨損機(jī)制的研究[J].材料熱處理技術(shù)，2010，39（16）：11-14.The Example Analysis of Typical Metal Parts Processing

LU Qiu-ping
（Shenyang Aerospace Yuxing Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Shenyang 110043，China）

The mechanical processing of metal part is based on the design size，combines with use requirements and assembly conditions，chooses reasonable workmanship，and makes the part to achieve the desired goals. The choice of materials is the key premise of processing machinery，high size precision，strict form and position tolerance of the part，which has higher requirements of the material comprehensive mechanical properties. For typical parts，such as shaft，plate and so on，different heat treatment should be used in different occasions，appropriate auxiliary benchmark is conducive to manufacturing，installation，debugging.

parts；materials；heat treatment；processing technology

T G15

B

1672-545X（2016）09-0132-03

2016-06-29

魯秋平（1986-），男，遼寧丹東人，工學(xué)碩士，助理工程師，主要從事發(fā)動機(jī)零部件設(shè)計相關(guān)工作。