大型不銹鋼零件的加工方法

鐘曉鷗，沙奉奎，譚 飛

（1.珠海格力精密模具有限公司，廣東 珠海 519070；2.格力智能裝備有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

不銹鋼在抗蝕性和耐磨性方面具有優(yōu)勢，且不銹鋼成品的強(qiáng)度高、韌性大，廣泛應(yīng)用于機(jī)械裝備、模具等領(lǐng)域，該不銹鋼零件是某機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵部件，精度要求較高。

不銹鋼切削難度大，若以優(yōu)質(zhì)碳素鋼45的可切削性為參考標(biāo)準(zhǔn)（設(shè)為1.0），則奧氏體不銹鋼304的可切削性約為0.37[1]，不銹鋼是一種含鉻量大于12%或含鎳量大于8%的合金鋼，其導(dǎo)熱性能較差，加工過程中易出現(xiàn)粘刀、不易斷屑等問題。由于不銹鋼導(dǎo)熱性能較差，其切削溫度比切削常規(guī)鋼種高，最高可達(dá)1 000℃，加工時零件變形大，精度較難控制。實際切削過程中，鐵屑對熱量的攜帶最多是Fz（每刃進(jìn)給量）上下兩面，如果被加工材料具有理想的導(dǎo)熱性能，熱量就會在短時間內(nèi)在Fz的表面?zhèn)鲗?dǎo)至內(nèi)部，將更多的機(jī)加工熱量帶走[2]。不同的切削參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響程度也不同，從大到小依次是切削速度、切削深度和進(jìn)給量，這和切削參數(shù)對切削力、切削溫度的影響規(guī)律一致，說明切削參數(shù)對加工殘余應(yīng)力的影響同樣是通過機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)起作用的[3]。因此，設(shè)置合理的切削參數(shù)對減少零件加工變形具有優(yōu)勢。不銹鋼燒焊變形大，焊縫區(qū)因應(yīng)力作用而開始收縮，拉伸殘余應(yīng)力在焊接區(qū)產(chǎn)生，而壓縮殘余應(yīng)力被焊接區(qū)周邊區(qū)域承受，不銹鋼材料面臨不同程度的收縮變形[4]。燒焊面積大、燒焊時間長，燒焊工件變形現(xiàn)象相應(yīng)增多。

1 零件設(shè)計優(yōu)化與制造工藝

1.1 優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計零件加工模型時，考慮其加工性，將大型零件的各形狀特征分解成若干實體模型，如圖1所示，分解后的構(gòu)件為A、B、C、D、E、F，分解后的構(gòu)件特征變得簡單。分解前整體備料和分解后單件備料需用的材料進(jìn)行相比，分解備料可節(jié)約55.4%的材料，如圖2所示。被加工零件分解成單個簡單的構(gòu)件，加工特征變簡單，加工難度降低，去除體積也減少，加工工時、刀具使用量等生產(chǎn)成本都隨之減少，可降低制造成本，還可以避免數(shù)量較多的電極設(shè)計、電極加工、放電加工等?；麨榱愕脑O(shè)計方法可以降低零件加工成本、縮短加工周期，提高競爭力。

圖1 大型不銹鋼零件

1.2 制造工藝分析

被加工零件可分解成2個主體構(gòu)件A、B及較小的構(gòu)件C、D，還有多個加強(qiáng)筋E、F，共20多個構(gòu)件鑲接而成（見圖1）。加工該零件精度控制的難點：①主體構(gòu)件尺寸大、壁簿、去除體積大的特點，導(dǎo)致切削時間長、應(yīng)力變形大，容易造成加工尺寸超差；②所有鑲接處都需要燒焊連接密封，燒焊區(qū)域大，加工的零件變形控制難。

零件的裝備精度要求高，如圖3所示，要求最大平面的平面度為0.05 mm，A構(gòu)件屬大型簿板類，單件加工變形較大，燒焊鑲接后變形量更難預(yù)估；B構(gòu)件兩通槽側(cè)壁垂直90°、高度達(dá)425 mm，垂直度要求為0.05 mm，要達(dá)到圖紙技術(shù)要求，加工難度較大。

圖2 整體備料和分解備料質(zhì)量差異

圖3 零件技術(shù)要求

根據(jù)以上分析，采用單個構(gòu)件精加工后，再燒焊鑲拼無法保證零件的公差要求，因此工藝制定時，單個構(gòu)件加工預(yù)留余量，設(shè)計銷釘（孔）定位、螺釘（孔）緊固，裝配一體后燒焊鑲拼，再精加工到要求的尺寸。零件上對精度要求高的特征，通過粗銑加工留余量、空冷時效、去余量加工管控變形的方法，釋放和消除單個工件的應(yīng)力變形。裝配后無法再加工的面和精度要求不高的特征按圖紙要求一次加工到位，再裝配鑲拼燒焊成整體構(gòu)件，最后對精度要求高、留余量的特征進(jìn)行精加工，如圖4所示。通過上述工藝方法可有效管控加工精度，對于無法管控的變形面，如圖5所示的P1大平面，燒焊后會變形且不可管控，但又有平面度要求，在滿足機(jī)械零件使用要求的前提下，優(yōu)化設(shè)計模型，根據(jù)實際使用需求增加P2小平面，燒焊變形后再精銑P2小平面，這樣既能使加工變得簡單又能保證零件的加工技術(shù)要求和降低加工成本。

圖4 精度要求高的特征面

圖5 零件燒焊后P1面變形管控

1.3 構(gòu)件加工

1.3.1 構(gòu)件B加工

構(gòu)件B如圖6所示，采用效率高的CNC加工。該構(gòu)件是粗銑切削難度較大的工件，70%材料需去除，且是深型腔加工，為降低排屑的難度，選擇臥式CNC機(jī)床加工，據(jù)現(xiàn)場工況確定表1所示的加工參數(shù)，刀具的切削效率達(dá)到40 min/次，可減少操作人員換刀頻率而提高加工效率。

圖6 構(gòu)件B結(jié)構(gòu)

加工步驟如下。

（1）CNC機(jī)床粗銑加工375 mm的高度，軸向留單邊余量2 mm，工件四周外形面、兩通槽暫不加工。

表1 粗銑的切削參數(shù)

（2）CNC機(jī)床粗銑加工四周外形面、兩通槽貫通，徑向、軸向留余量2 mm/單邊。

（3）空冷時效處理48 h。

（4）CNC機(jī)床精銑底面、銷釘孔、螺釘孔、倒角，底面精銑后用于和A構(gòu)件鑲拼。

（5）CNC機(jī)床四周側(cè)面精銑，加工各螺釘孔、銷釘孔，648 mm×346 mm×82 mm的臺階面暫不加工，留后續(xù)裝配燒焊后再加工。

（6）裝配，鉗工通過銷釘及孔，組裝構(gòu)件A、B、C、D和加強(qiáng)筋后，進(jìn)行燒焊。

1.3.2 構(gòu)件A加工

構(gòu)件A屬于薄板型，如圖7所示，大直徑的銑刀切削加工時擠壓產(chǎn)生較大的力容易使構(gòu)件變形，為了減小變形風(fēng)險和提高加工效率，選用D21 mm的銑刀，快速去除余料。

圖7 構(gòu)件A結(jié)構(gòu)

加工步驟如下。

（1）CNC機(jī)床粗加工正面、底面特征，徑向、軸向留單邊余量2 mm；加工完成后，工件在無拘束狀態(tài)下，在機(jī)用千分表檢測平面度＜2 mm為合格，可進(jìn)入下工序。

（2）空冷時效處理48 h。

（3）檢測平面度＜2 mm為合格，可進(jìn)入下工序。

（4）CNC機(jī)床加工正面，大平面精銑后軸向留余量0.1 mm（后續(xù)磨削到最終尺寸）；加強(qiáng)筋的位置槽、銷孔加工到位，四周外形側(cè)面徑向留余量0.5 mm。加工底面時工件最大外形四面分中為X0Y0，底面抬高0.1 mm；6個M10 mm沉臺螺紋孔加工到位，其余特征徑向、軸向留余量1 mm/單邊加工。

（5）磨削底面見光，正面到最終尺寸（前工序留有0.1 mm余量），頂平面磨削到最終尺寸，用于和構(gòu)件B、C、D、E、F鑲接。

（6）裝配，鉗工通過銷釘及孔，組裝構(gòu)件A、B、C、D、E、F和加強(qiáng)筋后，進(jìn)行燒焊。

1.3.3 小型構(gòu)件加工

小型構(gòu)件C、D如圖8所示，精度要求低，組合燒焊前直接按圖紙加工到最終尺寸。

圖8 構(gòu)件C與D

加強(qiáng)筋E、F圖紙要求自由公差，多個加強(qiáng)筋構(gòu)件組合在一塊材料上備料，再用線切割加工成形，如圖9所示。

圖9 加強(qiáng)筋組合模型

1.4 裝配焊接

大型不銹鋼零件焊接過程中，由于難度較大，必須預(yù)估焊接過程中可能出現(xiàn)的變形情況，提前采取預(yù)防措施進(jìn)行管控。該工序是將焊件進(jìn)行定位，利用設(shè)計的多個銷釘（銷孔）、螺釘（螺孔）將零件精準(zhǔn)地裝配并緊固，如圖10所示，保證各工件在焊接過程中位移最小及工件與工件之間的相對位置不變。焊接過程中需掌握焊接參數(shù)與方法、順序等，才能確保不銹鋼零件變形得以有效控制。

圖10 構(gòu)件裝配

裝配燒焊后進(jìn)行組合加工，如圖11所示，具體實施步驟如下。

（1）檢測底面平面度≤0.5 mm為合格，可進(jìn)入下工序。

（2）CNC機(jī)床加工底面，構(gòu)件A最大外形四面分中為X0Y0，指定面為Z0，精銑最大外形、底平面，底面特征加工到最終尺寸；精銑通槽1/2高度到最終尺寸，如圖12所示。因為零件的兩通槽總高為425 mm，R角為18 mm，選D32 mm圓鼻刀（硬質(zhì)合金防震刀桿），夾持后懸長為215 mm，加工1/2的槽高度保證刀具的剛性，才能保證最終加工尺寸精度，加工完后用千分表檢測通槽已精銑的側(cè)面，垂直度、平面度≤0.02 mm為合格。加工頂面時，分中已精銑的通槽四側(cè)面為X0Y0，精銑接順剩余1/2高度通槽；加工圖5所示的P2小平面，P1大平面燒焊后變形較大、特征復(fù)雜，且已無裝配要求，不再進(jìn)行加工，加工完后用千分表檢測已精銑的兩通槽側(cè)面，垂直度、平面度≤0.02 mm為合格。零件制作過程中引入過程檢驗，對零件關(guān)鍵尺寸進(jìn)行實時檢查確認(rèn)，對沒有加工到位或裝配不合理的部位及時予以修正，保證零件在加工下機(jī)前達(dá)到合格的要求[5]。

（3）CNC精加工構(gòu)件A四周側(cè)面螺紋孔與構(gòu)件B的82 mm臺階及螺紋孔。

（4）600#砂紙拋光底大平面、兩通槽及底面特征，去除CNC銑削紋路。

2 效果驗證

表面粗糙度和尺寸精度是質(zhì)量評價指標(biāo)中的2個重要參數(shù)，這2個參數(shù)從表面效果、幾何精度反映零件制造的好壞。通過以上加工工藝和批量零件加工驗證，最終尺寸、粗糙度檢測數(shù)據(jù)均達(dá)到圖紙技術(shù)要求，特別是最難控制的圖11所示的底面大平面，平面度檢測數(shù)值均≤0.023 mm，圖12所示的兩通槽四側(cè)的平面度和垂直度均＜0.05 mm。由尺寸檢測數(shù)據(jù)可知，此類型的不銹鋼零件，通過上述工藝，可控制加工、燒焊所產(chǎn)生的變形，保證加工質(zhì)量。

圖11 裝配燒焊后零件

圖12 兩通槽加工

3 結(jié)束語

大型不銹鋼零件加工時采用化整為零的分解方法，可有效降低零件的加工難度和減少加工變形，構(gòu)件上采取銷孔（釘）定位和螺孔（釘）緊固的措施，保證裝配精度和降低燒焊的變形；切削加工過程中，降低切削速度、切削深度、每刃進(jìn)給量可以保證不銹鋼材料切削順利進(jìn)行；分解的構(gòu)件單件加工時，留合適余量，裝配燒焊后組合再精加工，可以保證關(guān)鍵尺寸的精度。