雙相不銹鋼管體零件加工工藝及變形控制

何董權(quán)，蒲科錦，梁衛(wèi)和，王廷軍

(中船重工第七一三研究所，河南 鄭州 450052)

在某產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，有零件使用一種022Cr23Ni5Mo3N雙相不銹鋼材料，結(jié)構(gòu)為薄壁件，且一端呈縷空狀，屬于長(zhǎng)懸伸、薄壁件，零件剛性差，易變形；且因雙相不銹鋼材料不易切削加工，需從工藝路線、刀具切削參數(shù)、工裝夾具等方面綜合考慮，才能解決加工難題[1]。022Cr23Ni5Mo3N雙相不銹鋼材料強(qiáng)度和耐點(diǎn)蝕等優(yōu)于常用奧氏體不銹鋼(如304等)材料，耐腐蝕性能較好，主要應(yīng)用于海水腐蝕及高溫環(huán)境等工況使用，但雙相不銹鋼零件在不銹鋼材料中的切削加工性能較差，其加工工藝、切削參數(shù)等要求應(yīng)具有合理性，如工藝路線不合理，則可能造成產(chǎn)品變形不合格、切削參數(shù)不合理，就會(huì)加劇刀具磨損，增加成本，生產(chǎn)效率降低。對(duì)于雙相不銹鋼薄壁管體類(lèi)的切削加工，如何控制變形，提高零件的生產(chǎn)率和質(zhì)量，降低因刀具消耗過(guò)快造成的高成本，成為機(jī)械加工領(lǐng)域探索的方向。

本文對(duì)于雙相不銹鋼的加工工藝，薄壁管體縷空結(jié)構(gòu)零件的裝夾，切削參數(shù)的應(yīng)用等進(jìn)行了一系列優(yōu)化后，零件的加工變形得到有效控制。同時(shí)，對(duì)刀具切削參數(shù)進(jìn)行了摸索試驗(yàn)，提高了刀具的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本，為雙相不銹鋼的加工提供了有效的參考[2]。

1 零件結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品為典型的薄壁管體回轉(zhuǎn)類(lèi)零件，管體外圓直徑為(254±0.05) mm，壁厚最薄處只有8 mm，總長(zhǎng)569 mm，一端切割后由4根20 mm寬的筋支承端面，長(zhǎng)度91 mm形成縷空結(jié)構(gòu)形式，尺寸公差要求較高，內(nèi)外圓同軸度要求0.05 mm[3]。零件縷空部分剛性差，易變性超差，零件二維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 零件的材料特性

零件使用的是一種雙相不銹鋼材料，由鐵素體與奧氏體組成，材料牌號(hào)為022Cr23Ni5Mo3N，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 022Cr23Ni5Mo3N的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

經(jīng)鍛造加工形成的毛坯，其材料具有高強(qiáng)度、良好的沖擊韌性以及良好的抗應(yīng)力腐蝕能力，可以適用于氯化物和硫化氫環(huán)境下的腐蝕介質(zhì)。其與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高[4]。力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 022Cr23Ni5Mo3N的力學(xué)性能

2 零件原工藝流程及工藝分析

零件經(jīng)過(guò)鍛造后粗加工成管體毛坯，毛坯余量最小處為單邊3 mm，毛坯粗加工后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自然時(shí)效后才進(jìn)行精加工。零件精加工工藝路線：半精車(chē)→時(shí)效處理(300 ℃)→精車(chē)成形→加工穿絲孔→線切割加工4處缺口→鉗工清理。

零件首先由數(shù)控車(chē)床整體進(jìn)行半精加工，直徑和長(zhǎng)度方向均留有1 mm余量，再經(jīng)熱處理單元進(jìn)爐低溫時(shí)效3～4 h(300 ℃)。內(nèi)外圓精加工由數(shù)控車(chē)床采用三爪自定心卡盤(pán)裝夾、中心架輔助，將直徑和長(zhǎng)度方向尺寸公差全部加工到位。由臥式加工中心在缺口處鉆出穿絲孔以備線切割工序使用。然后，線切割機(jī)床將4處缺口的縷空處分別割掉，形成縷空式結(jié)構(gòu)。最后，鉗工對(duì)零件表面和毛刺進(jìn)行清理后交檢。

由于材料特性和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等多種因素，造成在切削加工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重。刀具在加工外圓或內(nèi)孔時(shí)，刀具從端面起點(diǎn)切削，未能加工到終點(diǎn)部分刀具已經(jīng)磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生表面硬化。對(duì)于普通不銹鋼材料本身冷切削性能較差，而本產(chǎn)品材料又屬于雙相不銹鋼類(lèi)型，增加了切削加工難度。在切削加工時(shí)，切削參數(shù)選用稍有不合理，刀具磨損則要比常規(guī)不銹鋼材料磨損增加2～3倍，頻繁的更換刀片加工尺寸不穩(wěn)定，同時(shí)造成生產(chǎn)效率下降。

3 問(wèn)題分析

零件縷空部位局部剖視圖如圖2所示。為提升產(chǎn)品合格率，制作了2個(gè)試件(試件1和試件2)，并對(duì)這2個(gè)試件進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)孔4個(gè)方向數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，分析零件的變形原因。經(jīng)檢驗(yàn)測(cè)量后的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，分析零件變形原因可能是工藝路線及裝夾、材料原因，切削時(shí)刀具磨損快，零件產(chǎn)生熱量較大，冷卻不及時(shí)等多方面因素造成車(chē)削加工后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，縷空部分線切割加工后零件局部剛性降低，殘余應(yīng)力的釋放造成靠近縷空部位長(zhǎng)度方向100 mm范圍內(nèi)發(fā)生局部變形，造成零件不合格。

表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)比試件1和試件2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，零件加工后呈橢圓狀變形，經(jīng)對(duì)變形位置以及變形后的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。雙相不銹鋼材料具有較高的強(qiáng)度，金屬毛坯余量去除后易產(chǎn)生回彈，可能是線切割加工后殘余應(yīng)力的釋放造成零件局部變形，或在車(chē)削加工時(shí)三爪自定心卡盤(pán)夾緊力度過(guò)大等原因造成。為改變這一狀況，對(duì)現(xiàn)有工藝方法進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具進(jìn)行加工。為防止殘余應(yīng)力的增大，同時(shí)對(duì)刀具、切削參數(shù)一并進(jìn)行優(yōu)化。

4 優(yōu)化后的工藝方案

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品變形原因進(jìn)行綜合分析，最終決定對(duì)工藝方案進(jìn)行如下調(diào)整。

精加工工藝路線：半精車(chē)→時(shí)效處理(300 ℃)→二次半精加工→加工穿絲孔→線切割加工4處缺口→精加工成形→鉗工清理。

零件由數(shù)控車(chē)床整體半精加工，直徑方向留1 mm余量，長(zhǎng)度方向留0.5 mm余量[5]。熱處理單元進(jìn)爐低溫時(shí)效3～4 h(300 ℃)保持不變，增加了二次半精加工工序。該工序加工后零件整體內(nèi)外圓直徑留有0.5 mm余量，部分長(zhǎng)度留0.2 mm余量，然后再進(jìn)行加工穿絲孔。線切割機(jī)床加工4處缺口工序保持不變，最后再進(jìn)行直徑和長(zhǎng)度方向的整體精加工，其他工序保持不變。優(yōu)化后的工藝增加了數(shù)控車(chē)床二次半精加工工序。線切割機(jī)床加工安排在最后精加工之前。這樣安排的目的是，將線切割機(jī)床加工后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行徹底釋放。保證零件精加工后不會(huì)產(chǎn)生變形現(xiàn)象。工藝優(yōu)化后，精加工裝夾部位較為薄弱。如使用普通的三爪自定心卡盤(pán)進(jìn)行夾持，則會(huì)產(chǎn)生夾持部位受力不均勻，造成縷空一端變形。為避免裝夾方式不合理帶來(lái)的變形，應(yīng)設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具裝夾，以增加縷空部位夾持剛性，防止因裝夾不合理造成零件直徑方向橢圓變形等。

5 工裝夾具的設(shè)計(jì)

專(zhuān)用夾具如圖3所示，主要用于精加工工序使用，將三爪自定心卡盤(pán)的卡爪拆卸后，夾具安裝在卡盤(pán)上，專(zhuān)用夾具用來(lái)替代三爪自定心卡盤(pán)的卡爪。線切割機(jī)床將縷空部位加工后，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看零件徑向方向的剛性較差。使用普通的三爪自定心卡盤(pán)裝夾工件外圓，會(huì)因?yàn)榭ㄗ?個(gè)爪的接觸面小，造成受力不均衡[6]，在三爪自定心卡盤(pán)的夾緊位置，其內(nèi)外圓則會(huì)產(chǎn)生較為明顯的彈性變形[7]。零件在沒(méi)有下機(jī)床時(shí)測(cè)量是合格的，一旦拆下后，則會(huì)形成橢圓狀的圓，甚至是三角形或者是多邊形。而如果將零件的每個(gè)點(diǎn)全部夾持，使專(zhuān)用夾具形成圓形，將縷空部分整個(gè)包容起來(lái)，這樣整體受力均勻，可提高零件剛性。

6 實(shí)施效果

采用優(yōu)化后的工藝方案實(shí)施加工，半精加工和二次半精加工裝夾方式保持不變。只有在精加工時(shí)使用專(zhuān)用夾具裝夾，以提升零件縷空部位的剛性。有了專(zhuān)用夾具的約束，工件變形問(wèn)題可以控制一部分。專(zhuān)用全包圍式夾具的裝夾結(jié)構(gòu)形式如圖4所示[8-9]。

經(jīng)過(guò)首件生產(chǎn)加工，在加工時(shí)雙相不銹鋼熱脹冷縮現(xiàn)象較為嚴(yán)重。如刀具在切削中冷卻液不夠充足，工件將會(huì)產(chǎn)生較大的切削熱，導(dǎo)致刀具磨損加劇。切削參數(shù)不合理對(duì)工件的變形及刀具的磨損，同樣有著不同程度的影響。針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行分析并優(yōu)化。

通過(guò)分析，切削參數(shù)的不合理，造成刀具壽命縮短和切削熱量過(guò)大，無(wú)法完全散熱。后續(xù)調(diào)整了切削參數(shù)，并將冷卻液流量加大，防止因材料熱脹冷縮造成一些不可控的變形，確保產(chǎn)品滿足圖樣要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)前期加工時(shí)刀具的磨損情況進(jìn)行判斷。對(duì)數(shù)控車(chē)床切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。具體切削參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 切削參數(shù)

通過(guò)對(duì)切削參數(shù)優(yōu)化后，裝夾方面采用專(zhuān)用夾具和中心架配合使用，確保裝夾、切削參數(shù)的合理性。并且加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)床的冷卻系統(tǒng)參數(shù)，以降低數(shù)控車(chē)床切削時(shí)產(chǎn)生的高溫。這樣才能保證零件受溫度影響時(shí)尺寸變化可控，保證零件合格。

采用優(yōu)化過(guò)的各項(xiàng)工藝方法加工后，零件的加工效率得到提升，刀具的使用壽命提升1倍。通過(guò)對(duì)加工后的成品進(jìn)行檢驗(yàn)，尺寸完全符合圖樣設(shè)計(jì)要求?？|空部位的變形得到有效控制，整體圓度在0.03 mm范圍內(nèi)，全尺寸檢驗(yàn)后完全合格，采用優(yōu)化后的工藝方案，為雙相不銹鋼薄壁件的車(chē)削加工提供了生產(chǎn)指導(dǎo)[10]。

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)雙相不銹鋼薄壁零件，受其結(jié)構(gòu)的影響，工藝方案應(yīng)綜合考慮。零件的變形是首要考慮的因素，工藝流程及切削參數(shù)應(yīng)合理。薄壁件應(yīng)采用防變形裝夾工裝，以減少由于裝夾不合理造成的零件尺寸超差等問(wèn)題。雙相不銹鋼的切削參數(shù)在加工中起到關(guān)鍵作用，在車(chē)削時(shí)切削線速度應(yīng)比普通不銹鋼至少降低50%左右，才能保證刀具的使用壽命。雙相不銹鋼薄壁類(lèi)零件加工，通過(guò)不同的工藝方法來(lái)滿足產(chǎn)品尺寸要求，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)起到了指導(dǎo)性作用，滿足了各項(xiàng)要求。