帶密封槽的薄壁零件的加工

張維林 李 梓

（ 西安煤礦機械有限公司，陜西 西安710200）

薄壁零件由于其重量輕、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、機械等各工業(yè)部門中，主要用于支承旋轉(zhuǎn)軸上的零件或用來導(dǎo)向的。但是由于其剛性差、強度小，在加工中容易變形，同時還會產(chǎn)生切削振動，導(dǎo)致加工質(zhì)量難以保證。近年來，大采高采煤機制造過程中出現(xiàn)了一些內(nèi)孔或外圓設(shè)計有密封槽的薄壁件，薄壁件本身的壁厚小，加之在壁厚方向上開密封槽，極易產(chǎn)生顫紋從而影響密封效果。本文以我公司一種典型零件為例，對其進行工藝分析，并制定出解決方案。

1 薄壁套零件的加工難點

薄壁套零件由于其剛性差、強度小、裝夾基準(zhǔn)面小，在加工過程中受切削力、切削熱及夾緊力等因素的影響，極易發(fā)生變形，不易控制各尺寸精度和形狀精度，因此薄壁零件的加工一直是難題，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 薄壁套承受不了較大的徑向夾緊力，用通用夾具安裝比較困難。

1.2 薄壁套零件的剛性差，在夾緊力作用下極易產(chǎn)生變形、常態(tài)下工件的彈性復(fù)原能力會影響工件的尺寸精度和形狀精度。

1.3 工件徑向尺寸受切削熱的影響大，熱膨脹變形的規(guī)律難以掌握，因而工件尺寸精度不易控制。

圖1 軸承座結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 由于切削熱的影響，容易產(chǎn)生變形和振動，工件的精度和表面質(zhì)量不易保證。

1.5 由于薄壁套剛性差，不能采用較大的切削用量，因而加工效率低。

2 問題分析

圖1 為我公司一種典型帶密封槽的薄壁零件- 軸承座的結(jié)構(gòu)示意圖，材料為某合金結(jié)構(gòu)鋼，熱處理硬度HB280-320。該零件右側(cè)壁厚為20mm (D4-D1)，壁厚與內(nèi)徑之比1：22，屬于薄壁類零件。加工難點集中在精車工序，該工序主要加工表面為內(nèi)孔、外圓及各密封槽，內(nèi)孔、外圓之間有同軸度要求，孔軸線與端面有垂直度要求。由于壁厚較小，徑向剛度弱，加工中極易發(fā)生變形和切削振動，讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重，裝夾和定位比較困難。加之該零件在本來就薄的壁厚方向上設(shè)計密封槽，密封槽D3×b處的壁厚僅有(D4-D3）/2=5mm，且由于該密封槽和油封配合，表面光潔度要求比較高，粗糙度為Ra1.6，加工難度非常大，極易產(chǎn)生顫紋導(dǎo)致表面質(zhì)量不佳，從而影響密封效果。

3 解決方案

3.1 我公司加工薄壁套的傳統(tǒng)方法

我公司以往加工薄壁套的工序安排為：粗車- 調(diào)質(zhì)- 半精車- 精車。調(diào)質(zhì)是淬火加高溫回火的雙重?zé)崽幚矸椒ǎ淠康氖鞘构ぜ哂辛己玫木C合機械性能。機械加工分為三個階段：

（1）粗加工：主要包括粗車外圓和內(nèi)孔，去除大部分余量；

（2）半精加工：完成零件一些次要表面的加工，并達到零件表面質(zhì)量和位置精度的要求，采用半精車加工在精加工之前達到必要的精度和加工余量，從而為精加工做準(zhǔn)備；

（3）精加工：為保證薄壁套零件表面質(zhì)量達到圖紙的技術(shù)要求，采用精車零件表面最后得到所需的精度和粗糙度。

我公司對于同軸度要求比較高的零件，壁厚小于25mm 的薄壁零件，一般采用工藝夾頭裝夾，即在毛坯上預(yù)留一定的夾持長度，在工件完成內(nèi)孔、外圓及端面的加工后切掉。這樣不但防止了工件產(chǎn)生太大的變形，而且保證了內(nèi)孔、外圓及端面的位置精度。而對于壁厚大于25mm 的薄壁件，則會安排磨削加工；如仍然達不到設(shè)計要求，則設(shè)計專用工裝夾具來加工。

精車薄壁零件時，還有一些需要注意的：刀柄的剛度要求高，刃口要鋒利；在切削時澆注充分的切削液，降低切削溫度，減小工件熱變形。

3.2 密封槽的薄壁零件的加工方法

本次工藝設(shè)計過程中充分考慮結(jié)構(gòu)及變形問題，傳統(tǒng)的工藝路線套用在該零件上顯然不合適，必須及時作出調(diào)整。經(jīng)過查閱文獻并結(jié)合生產(chǎn)實際，最終工藝路線為：粗車- 調(diào)質(zhì)- 半精車- 人工時效- 精車- 鉆孔。和以往工序安排相比，有兩處變動：

（1）半精加工時，內(nèi)孔、外圓及端面單邊留1mm 余量，同時考慮到D3×b 處密封槽的結(jié)構(gòu)，其外形尺寸也需單邊留1mm的余量，外圓表面的4 個密封槽由于深度較淺可以暫時不加工，半精車加工如圖2 所示。

（2）為了消除或減少加工過程出現(xiàn)的應(yīng)力、穩(wěn)定組織和尺寸，半精加工后須進行人工時效處理。人工時效是人為的方法，將工件加熱到一定溫度，長時間保溫后隨爐冷卻，或在空氣中冷卻，主要用于消除或減小工件內(nèi)的微觀應(yīng)力、機械加工殘余應(yīng)力、防止變形及開裂、穩(wěn)定組織以穩(wěn)定零件形狀和精度。人工時效比自然時效節(jié)省時間，殘余應(yīng)力去除較為徹底。

圖2 軸承座半精加工過程圖

考慮到該薄壁套零件的外形尺寸，半精車、精車均安排在CK6185 數(shù)控車床進行加工，半精加工轉(zhuǎn)速設(shè)定在80r/min、進給量為0.2mm/min。在半精加工時，由于油封槽處壁厚為7mm，因此往往容易出現(xiàn)顫紋，如圖3。為了改善這一問題，把4mm 內(nèi)孔切槽刀換成3mm 內(nèi)孔切槽刀，同時降低轉(zhuǎn)速、減少進給量、刀具盡量裝短。

在人工時效后進行精加工，由于整體余量較小，精加工轉(zhuǎn)速設(shè)定在100r/min、進給量為0.12mm/min。油封槽處的進給量盡可能更小。為了避免油封槽處裝夾變形、確保尺寸精度，必須先加工左端尺寸，最后加工油封槽端尺寸。具體加工方法為：

（1）撐內(nèi)孔右端，平左端面，加工外圓D4、內(nèi)孔D5 及其上密封槽、4 處外圓密封槽等尺寸；

（2）掉頭夾外圓左端，車內(nèi)孔D1、D2 及油封槽D3×b 等右端尺寸。

圖3 半精加工油封槽處顫紋

通過工藝方法的改進，油封槽處未出現(xiàn)顫紋等影響密封效果的缺陷，表面光潔度達到了設(shè)計要求，其余表面的尺寸精度、形位公差經(jīng)檢驗均合格，且該零件在實際應(yīng)用過程中未出現(xiàn)質(zhì)量問題。

對于帶密封槽的薄壁零件的加工，為了控制加工變形，除進行工藝方法的優(yōu)化外，還需要合理選擇工件裝夾方法，減小夾緊力對變形的影響，下面列舉了一些改善措施：

（1）采用開縫套筒、扇形軟爪等，使接觸面積增大，讓夾緊力均布在工件上；

（2）增加工藝?yán)撸鰪姶颂幍膭傂?，使夾緊力集中在工藝?yán)呱隙潜”诹慵希?/p>

（3）設(shè)計專用工裝夾具，使在加工時實現(xiàn)軸向夾緊；

（4）采用減震措施，調(diào)整好車床各部位的間隙，加強工藝系統(tǒng)的剛度，使用吸振材料等。

4 結(jié)論

本文通過對公司一種典型帶密封槽的薄壁套零件- 軸承座的結(jié)構(gòu)進行分析，對傳統(tǒng)加工路線及工藝內(nèi)容做出調(diào)整，并驗證了方案的可行性。我公司對于內(nèi)孔或外圓處設(shè)計有密封槽的薄壁件，如果槽深相對于壁厚較大，目前都采用本方案，尺寸、精度均能滿足設(shè)計要求。該方案對帶密封槽的薄壁零件的加工均具有參考意義。