真空電子束焊機不銹鋼花盤座加工工藝改進

劉 拓 付文柱

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

真空電子束焊接作為一種較為先進的特種焊接技術(shù)，以能量密度高、焊縫窄、熔深大、熱影響區(qū)小以及控制精準等優(yōu)點[1]，廣泛應(yīng)用于原子能、航空航天等國防高端制造領(lǐng)域，且正逐步應(yīng)用于汽車制造等民用機械領(lǐng)域。隨著真空技術(shù)、高壓電源技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)的不斷完善，真空電子束焊接設(shè)備及工藝取得了較快的發(fā)展。

中國航空制造技術(shù)研究院對真空電子束焊接技術(shù)進行了較為深入的研究，設(shè)計研發(fā)了一系列真空電子束焊接設(shè)備，并在多領(lǐng)域成功應(yīng)用。其中，轉(zhuǎn)臺中主要零件花盤座的材料為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）。該材料加工過程中不會產(chǎn)生剩余磁性，能夠有效避免磁渦流對電子束偏移的影響，但切削加工性較差，給零件加工造成了一定的困難[2]。

1 零件分析

圖1為花盤座的三維模型。圖2為花盤座圖紙?；ūP座位于真空室內(nèi)部，是電子束焊接過程中起旋轉(zhuǎn)作用的重要零件，內(nèi)腔深度為140 mm，外形較為復(fù)雜。各孔位及外圓加工精度要求較高，有同軸度等精度要求，且花盤座在實際加工過程中受材料、刀具、機床等多種因素影響，總體加工較為困難?；ūP座加工成型后的質(zhì)量約為140 kg，毛坯質(zhì)量約為390 kg。毛坯質(zhì)量較大，不利于零件加工過程中的裝夾、轉(zhuǎn)運，因此加工、轉(zhuǎn)運時需謹慎操作，避免造成加工超差和安全事故。需要說明的是，圖2中的數(shù)據(jù)單位均為mm。

圖1 花盤座三維模型

2 工藝分析

該真空電子束焊接設(shè)備花盤座由整塊不銹鋼原料加工而成，加工精度較高，且加工余量較大，必須按照粗加工、半精加工、精加工分開原則進行加工。原料加工余量較大，在粗加工中切除的金屬較多，多選用大進給量、大吃刀量加工，因而夾緊力、切削力都較大，產(chǎn)生的切削熱較多。加之粗加工后工件表面會產(chǎn)生嚴重的加工硬化現(xiàn)象，工件內(nèi)部應(yīng)力會重新分布，造成工件產(chǎn)生形變，影響加工精度。因此，在加工過程中需把粗加工和精加工分開。在粗加工后進行熱處理，有利于把加工后由于各種原因引起的工件變形充分暴露出來，從而在精加工中予以消除，并且能夠充分釋放工件內(nèi)應(yīng)力，減少對后續(xù)精加工的影響，提高最終的加工精度及其穩(wěn)定性[3]。同時，應(yīng)考慮盡量使工序集中，即在一臺機床上一次裝夾中盡可能多地完成加工工作量，以減少重復(fù)裝夾和找正所產(chǎn)生的誤差，同時減少轉(zhuǎn)運次數(shù)，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)過程安全性。

3 工藝更改

3.1 鏜床到銑床的更改

3.1.1 鏜床加工存在的問題

真空電子束焊接設(shè)備花盤座質(zhì)量較大，不利于零件的裝夾、轉(zhuǎn)運，因此加工時單人進行操作較為困難。考慮到這個原因，其中一步工序確定在定機為兩人的TM6112鏜床上進行加工。實際試生產(chǎn)中，加工時間遠高于其他工序。對此步瓶頸工序深入研究分析后發(fā)現(xiàn)，鏜床加工花盤座主要存在以下難點。第一，刀具切削不銹鋼零件時產(chǎn)生的熱量較高，而鏜床缺少冷卻系統(tǒng)，不能及時散出切削熱而積累在零件與刀具表面，致使零件及刀具溫度迅速升高產(chǎn)生積屑瘤。刀具在加工過程中相當(dāng)于發(fā)生退火，大大縮短了其使用壽命。第二，鏜床主軸較細，剛度較差，且加工過程中需要懸伸出來，無法滿足大余量切削時的切削力要求。加工時會產(chǎn)生較大變形，甚至?xí)a(chǎn)生振動，直接影響工件的形狀和尺寸精度，同時會對自身主軸精度產(chǎn)生不良影響。第三，鏜床加工時，刀具靠錐柄裝插在鏜床主軸上。加工過程中，錐柄與錐孔配合所得到的摩擦力不能克服銑削時所產(chǎn)生的切削扭矩時，會使銑刀受切削力影響而出現(xiàn)打滑、崩齒、折斷等現(xiàn)象，嚴重時甚至損壞鏜床錐孔，影響鏜床主軸精度。這些現(xiàn)象會嚴重影響加工精度和加工效率。

3.1.2 解決方法——銑床加工

為了解決上述問題，同時避免刀具松動而損壞鏜床的主軸錐孔及精度，決定將此步工序拆分，即側(cè)面孔位仍由鏜床加工，而具有大余量的外形、型腔改為銑床加工。銑床主軸與鏜床主軸結(jié)構(gòu)不同，銑床主軸為通孔，可以通過拉緊螺桿將銑刀拉緊來增大銑刀的切削剛性，有效克服鏜床加工過程中的缺點。此外，在實際加工過程中，為單人單機的銑床再安排一人輔助操作，以保證加工過程中的安全性。在確定將鏜床工序拆分為鏜床、銑床加工后，結(jié)合實際生產(chǎn)條件，在加工過程中還解決了以下問題。

第一，選擇合適的刀具。由于切削力較大，切屑與前刀面接觸很短，切削力集中在刀刃附近，容易產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，因此刀具材料不易采用強度低、脆性大的YT類硬質(zhì)合金。此外，YT類硬質(zhì)合金中的鈦元素與工件材料中的鈦元素發(fā)生親和會導(dǎo)致冷焊，在高溫下還會加劇擴散磨損。查找相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)中選用帶涂層的硬質(zhì)合金來切削不銹鋼材料，能顯著提高切削性能，如YB125、YB215、YB415和YB435等[4-5]。但是，由于生產(chǎn)條件限制，試生產(chǎn)條件下車間并不具備這些刀具。實際中嘗試選擇了綜合性能良好的YW類合金刀具。該類刀具導(dǎo)熱性較好，有利于熱量傳導(dǎo)，降低切削溫度。刀片安裝方式為在Φ120 mm刀盤上隔一個齒裝一個刀片，增大容屑空間，改善排屑條件。調(diào)整刀片，使刀片切削部分位于同一平面，保證每個切削刃的切削負荷均勻。將銑刀盤裝在主軸上，用拉緊螺桿把銑刀拉緊。

第二，選擇合適的冷卻方式。在相同的切削參數(shù)下，使用冷卻潤滑液會大大減小銑削力，提高刀具切削性能，延長刀具的使用壽命。硬質(zhì)合金刀具銑削過程中突然受冷時容易碎裂，這就要求冷卻時要有足夠、連續(xù)的潤滑液，而不能采用刷冷卻液的方法。在實際加工過程中使用機床現(xiàn)有的煤油作冷卻潤滑，連續(xù)不間斷供給，取得了較好的效果。

第三，選擇合適的切削參數(shù)。切削速度除考慮機床不產(chǎn)生振動外，還要考慮使切削溫度控制在合理范圍，以保證刀具的使用壽命。切削不銹鋼零件的速度較普通鋼材要小很多，且應(yīng)選擇合適的進給量。進給量過大，則切削負荷過大；進給量過小，則切削刃會在上次走刀所形成的冷硬層內(nèi)工作，致使刀具磨損嚴重，影響切削精度及刀具壽命。吃刀量應(yīng)盡可能選大些，以避免毛坯的外皮或前道工序留下的加工硬化層對刀具的影響[6]。在實際加工過程中，機床轉(zhuǎn)速為75 r·min-1，進給速度為30 mm·min-1，分兩次去除余量。

3.2 鏜床到車床的更改

考慮到重復(fù)裝夾和找正會產(chǎn)生較大誤差，工序原本安排在鏜床上集中進行內(nèi)孔及Φ140、Φ140k6外圓的加工，這樣在一臺機床上一次裝夾中盡可能多地完成加工工作量，符合工序集中的原則。在實際鏜床加工過程中，因加工面（A1、A2面）較深，刀桿懸伸長度較長，剛性差，切削中容易產(chǎn)生振動，切削質(zhì)量較差。鏜床刀頭徑向吃刀量無刻度標識，進刀不易控制，加工Φ140k6外圓時需多次試刀，實際加工困難較大，時間較長。綜合考慮后，這些加工內(nèi)容改由車工加工。

車床加工是利用工件的旋轉(zhuǎn)運動和刀具的移動來車削外圓，是一種最常見、最基本的外圓加工方法，且排屑通暢，能夠獲得較高的加工質(zhì)量。經(jīng)過深入分析，Φ140、Φ140k6外圓處有2-Φ120/Φ60H7孔，將孔口倒角改為60°，完全可以做車工加工的頂尖孔使用。若鏜床將Φ140、Φ140k6外圓加工一段（10 mm左右），再由車床找正進行加工，此時雖有重裝夾、找正，但考慮實際情況及效率，加工過程中此方法能夠保證花盤座圖紙中的同軸度要求，且實際加工后表面粗糙度較小，相較鏜床加工效率高、效果好。

因此，在實際加工過程中綜合考慮，將此工序拆分，由鏜床加工完內(nèi)孔后，在孔口倒角60°，軸向深度2 mm，作為車工頂尖孔，再鏜Φ140、Φ140k6外圓見光10 mm，用于車床找正，A1面和A2面不加工。裝在車床上，夾一端頂一端，找正外圓在精度范圍內(nèi)，再車外圓、A1面和A2面。

4 結(jié)語

編制不銹鋼零件的工藝時，應(yīng)該根據(jù)其特性合理選擇刀具材料、刀具參數(shù)、切削參數(shù)及有效的冷卻方式，以減少刀具的磨損，提高加工表面的質(zhì)量和切削效率[7]。在實際加工過程中，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)條件和機床特點選擇合適的加工方法。在普通鏜床上通常不作銑削加工，如果工藝中無法避免，則鏜床主軸懸伸得越短越好。銑削用量應(yīng)選較小值，刀具錐柄不能有凹痕等缺陷。刀具錐柄與主軸錐孔的配合精度要高，以提高刀具安裝的牢固程度。鏜床不適合外圓加工，因為刀桿呈懸伸狀態(tài)時剛性較差。一般來說，在鏜床上加工的外圓面長度較短，加工精度低于孔的加工精度。外圓加工應(yīng)盡量使用車床，如果必須使用鏜床，應(yīng)盡可能縮短刀桿的懸伸長度，從而提高刀桿的剛性。此外，大型零件在單人單機機床加工時，應(yīng)根據(jù)安全生產(chǎn)需要適當(dāng)安排兩人操作，以保證安全性。