不銹鋼薄壁法蘭加工技術研究

劉蔚豪，劉春梅

不銹鋼薄壁法蘭加工技術研究

劉蔚豪，劉春梅

（中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621900）

不銹鋼薄壁零件在加工中由于自身剛度較差極易發(fā)生變形，因材料韌性好難以斷屑、冷卻不充分、切削余量較大、刀具磨損嚴重、粗加工對法蘭變形影響較大等因素，造成實際加工中成品率低、難以保證加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等問題。本文研究了該類零件的加工工藝路徑。首先，詳細分析了該類零件的典型加工要求，并在此基礎上敘述了調(diào)研收集得到的實際生產(chǎn)中針對該型零件的三種常見的加工工藝路線；然后對各種工藝方案進行試驗研究，針對某薄壁法蘭的不同加工方法，如提出合理安排加工順序，隔離變形區(qū)域，提高工藝系統(tǒng)剛性，采用縱向切削、車銑復合相結合，一次加工成型的工藝方案。試驗結果表明，該方案有效解決了加工變形和切屑纏繞問題，提高了加工質(zhì)量和效率。

薄壁法蘭；車削；剛性；變形；纏屑；工藝路線

薄壁零件是數(shù)控車加工難點之一，薄壁件在加工時變形一般表現(xiàn)為體積的脹大或縮小，同時伴隨彎曲、扭曲、橢圓和翹曲等變形，造成這一現(xiàn)象的主要原因有薄壁件加工工藝是否合理、能否減小粗加工造成的零件變形、刀具選擇是否合理、能否減小切削力對零件變形的影響等。切削過程中由于零件壁薄，在切削力作用下易產(chǎn)生振動和變形，從而影響工件精度，此外切削熱也是影響工件尺寸精度和變形的重要因素。如何控制加工過程中的零件變形是數(shù)控加工必須要解決的問題。特別是在不銹鋼薄壁零件加工中，由于材料難于切削，切屑纏繞容易產(chǎn)生加工變形，更增加了數(shù)控加工難度。某不銹鋼薄壁件，材料為4J33陶瓷封接合金。該零件在以往生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)因零件變形而造成尺寸超差，產(chǎn)品合格率較低，為此對多種車削工藝進行了對比分析，提出以縱向切削為主、車銑復合、隔離變形區(qū)域的加工方法，有效地解決了零件加工變形問題，很好地保證了加工質(zhì)量。

1 加工難點分析

1.1 材料分析

4J33是結合我國的陶瓷特點研制的陶瓷封接合金。合金在-60～600 ℃溫度范圍內(nèi)具有與95%Al2O3陶瓷相近的線膨脹系數(shù)。主要用于和陶瓷進行匹配封接，是電真空工業(yè)中重要的封接結構材料。該合金是一種定膨脹封接鐵鎳鈷合金，組織為單相奧氏體，具有強度高、韌性好、耐磨等性能，在車削加工中是比較難加工的材料，由于材料韌性好不易斷屑，纏屑造成刀具使用壽命、生產(chǎn)效率降低，切屑纏繞擠壓造成零件變形，材料強度高導致刀具磨損快。某材料為4J33的薄壁件（圖1），在薄壁加工中受切削力和本身材料特性的影響極易變形（圖2），所以在加工這類零件時加工方法很重要，如何消除切屑纏繞、切削力和高溫引起的變形是該加工中應該解決的問題[1-3]。

1.2 加工難點及變形區(qū)域分析

圖1所示不銹鋼薄壁件加工難點主要為：

（1）平面度0.04 mm要求高，保證難度大。0.5 mm處法蘭徑厚比達到42，屬于薄壁法蘭。加工時由于剛性不足極易產(chǎn)生顫紋及變形，從而造成表面粗糙度和平面度超差，如果有顫紋產(chǎn)生，變形也會加大，無法再加工修復，只能報廢工件；

（2）26 mm處的公差僅0.025 mm，垂直度0.04 mm，而壁厚只有0.43～0.4625 mm，屬于典型的回轉體薄壁件。此工件孔大壁薄，加工中因剛性不足易產(chǎn)生上凸或者下凹變形，難以保證尺寸精度和位置精度；

（3）25 mm處的內(nèi)孔公差只有0.04 mm，由于是平底孔，所以刀桿直徑理論上應小于12.5 mm，孔深31 mm，而選擇刀桿時只能用10 mm刀桿（因為12 mm的刀桿在加上刀片后，直徑大于12.5 mm），此時的刀桿徑長比達到了1:3，刀具的剛性就會變差，車削時易產(chǎn)生顫紋，壁薄會出現(xiàn)外凸變形（圖2），不能滿足圖紙要求。

圖1 某薄壁件零件圖

圖2 零件常見變形示意圖

1.3 切削余量分析

在不銹鋼薄壁件加工中加工余量是影響精加工變形的重要因素。材料毛坯為50 mm棒料，通過分析外圓單邊最大車削余量為12 mm，內(nèi)孔單邊最大車削余量為12.5 mm，切削余量很大，刀具磨損嚴重，應合理安排加工工步在粗加工時有效釋放內(nèi)應力，減小粗加工對精加工的影響，所以在粗加工時就應該去除內(nèi)、外圓的大余量。

1.4 切削用量的影響

切削用量除對切削熱產(chǎn)生影響外，更重要的是對切削力產(chǎn)生影響。不銹鋼薄壁件的加工切削用量越大切削力就越大，越容易產(chǎn)生變形，所以在薄壁件加工時，應該在減小變形的情況下來增加切削用量，從而提高加工效率。

薄壁件的變形幾乎都屬于徑向變形，但對于回轉體薄壁法蘭來說既有徑向變形也有軸向變形。吃刀深度和走刀量增加，都將使總切削力增加，而增加，總切削力反而減小。所以精加工中在條件允許的情況下，可以采用小的吃刀深度和走刀量，提高加工轉速來降低切削力，這樣可以減少工件的變形。

切削用量的大小對生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量都有很大影響，因此在確定了刀具的幾何參數(shù)以后，還要選定合理的切削用量。在選擇切削用量時，應注意考慮以下因數(shù)：一是要根據(jù)不銹鋼及各類毛坯硬度材料特性等來選擇切削用量；二是要根據(jù)刀具材料和刀具角度來選擇切削用量；三是要根據(jù)零件形狀、直徑、加工余量和車床功能、剛性等選擇切削用量。

切削力的大小與切削用量密切相關，背吃刀量和進給量同時增大，切削力增大，變形也增大，對于車削薄壁件極為不利。通過減少背吃刀量，增大進給量，切削力雖然有所下降，但工件表面殘余面積變大，表面粗糙度值增大，使強度不好的薄壁零件的內(nèi)應力增加，同樣也會導致零件的變形，所以在粗加工時，要合理利用零件剛性，在零件、材料和刀具允許的情況下，盡量在粗加工時使用大的背吃刀量和大的進給量，以提高加工效率。粗加工時要注意內(nèi)外圓配合粗加工，讓內(nèi)應力得到有效釋放，零件不會產(chǎn)生大的變形，半精加工時能修復變形不會繼續(xù)增加變形，精加工時根據(jù)零件剛性和刀具適當增加切削速度，但不宜過高，根據(jù)實際加工中零件材料的綜合因素合理選擇切削三要素，盡可能的減小切削力，從而減小薄壁件在加工中的變形。

2 某薄壁件加工方案

通過對該零件特性和變形分析可知，對薄壁件的加工，可采取粗加工、半精加工、精加工分開的方法，各階段之間的時間間隔相當于自然時效，有利于消除工件的內(nèi)應力，使工件有變形的時間，以便在后一道工序中加以修正。所以得出該零件常見加工方法有以下三種：

（1）方法一：粗精車外圓再用開口胎夾外圓粗精車內(nèi)孔；

（2）方法二：粗車內(nèi)孔－粗切外圓32 mm－精鏜內(nèi)孔－切斷－平總長－頂車外圓；

（3）方法三：一次成型切斷平總長。

方法一在精加工外圓后內(nèi)孔大余量沒有去除，所以在加工內(nèi)孔時會造成外圓變形，由于是開口胎夾外圓，內(nèi)孔加工時切削力不能過大造成內(nèi)孔加工效率低下。

方法二去除了內(nèi)外圓大余量有效釋放了內(nèi)應力減小零件變形，由于零件外形原因粗切法蘭處5時造成法蘭變形，且無法修正。因頂車外圓，外圓切削力不能過大，有時由于刀具磨損使得切削力大于頂尖力量造成內(nèi)孔打滑零件損傷。

方法一和方法二都是機械加工中最常用的加工方法，由于零件形狀原因，在以前的加工中用這兩種方法都不能很好地保證零件精度要求。主要問題有：

（1）精加工0.5 mm處的法蘭時，在切削力作用下出現(xiàn)塌邊變形如圖2所示；

（2）開口胎是通過收縮變形來夾緊工件的，從而會影響平面度，更難保證垂直度要求，其它尺寸也有超差。

方法三是比較理想的數(shù)控加工方法，一次裝夾加工成型，避免夾緊力對零件變形的影響。

通過分析該零件可知，有一次裝夾加工完成的可能，加工中要解決切屑纏繞和粗加工造成零件變形的問題[4]。

2.1 主要加工工藝流程

采用方法三加工的工藝流程如圖3所示。

方法三在最初加工時沒有用專用刀具把法蘭和外圓粗加工分開，粗切外圓時法蘭留量0.8 mm，新刀片加工時法蘭不會有變形，由于外圓加工余量大刀具磨損較快，外圓粗切刀加工5件后即使法蘭留量達0.8 mm法蘭也會產(chǎn)生變形，而且隨著加工件數(shù)的增加法蘭變形更嚴重，此時再通過半精加工和精加工都不能對已經(jīng)變形的法蘭進行修復，必須更換粗加工刀片，換刀就需要重新對刀，這嚴重影響了加工效率和生產(chǎn)成本。

對方法三進行進分析，重新增加了一把專用刀具，此刀具專門用來分離法蘭和粗加工區(qū)域（圖4）。通過實際加工得出增加此專用刀具可以一次加工50～60件零件而不用換刀，在分離法蘭與粗加工區(qū)域的過程中保證法蘭不產(chǎn)生變形，這樣粗加工刀具在對粗加工區(qū)域加工時就可以長時間使用，不用考慮粗加工對法蘭的影響，即使刀具磨損、切削抗力增加也不會造成法蘭變形。

圖3 工藝流程圖

方法三通過合理安排加工工藝隔離變形區(qū)域，合理留量，采用內(nèi)外交替加工，合理利用零件剛性，粗加工去除大余量，提高加工效率，有效釋放粗加工中強力切削產(chǎn)生的殘余應力不平衡釋放時所引起的變形，使精加工可采用較小的切削用量，以避免或減少精加工時出現(xiàn)的變形。

圖4 隔離易變形區(qū)域

外圓加工：先精加工法蘭處大外圓，再用專用切刀把0.5 mm法蘭厚度加工成0.8 mm，把法蘭和粗加工區(qū)域分開，此時法蘭剛性好沒有變形，再用粗切刀粗切法蘭左外圓為36.5 mm。內(nèi)孔粗加工完成后再半精車外圓，最后精切法蘭保證厚度0.5 mm。此工步安排避免了粗加工對法蘭的影響，有效解決了粗加工和刀具磨損造成的法蘭變形。

內(nèi)孔加工：粗加工先采用U鉆鉆孔，再用車銑復合加工，利用銑刀一次完成粗加工內(nèi)孔和底面（圖5），充分利用了機床特性，很好的解決了內(nèi)孔加工纏屑問題，提高了生產(chǎn)效率；精加工采用分兩步精鏜內(nèi)孔底面和孔壁，底面鏜刀直徑10 mm、孔壁鏜刀直徑20 mm。保證刀具剛性，合理選用鏜刀桿直徑，內(nèi)孔質(zhì)量得到了提高，此加工方法的加工刀具及加工參數(shù)如表1所示[5-7]。

圖5 銑刀粗加工內(nèi)孔

表1 加工刀具及加工參數(shù)

2.2 減小工件變形措施

分析易變形區(qū)域了解變形原因，通過專用切刀把法蘭和粗加工區(qū)域分開，有效避免了粗加工造成的法蘭變形，精加工時利用專用斜刃大前角切刀（圖6）加工法蘭，由于精加工時法蘭切削余量較小、刀具磨損小，利用鋒利切刀會大大降低切削力、減小切削阻力。切刀在對法蘭加工時切削力為軸向力和徑向力，切刀的主切削力為徑向力，而影響法蘭變形的是軸向力，所以利用鋒利切刀進行法蘭精加會降低切削阻力從而減小工件變形。

由于零件外形原因，外圓加工只能用切刀，薄壁件外圓變形幾乎都屬于徑向變形。因此，凡是影響徑向切削力的切削用量都將影響徑向圓度。吃刀深度和走刀量的增加，都將使徑向切削力增加，而轉速增加，徑向切削力反而減小。因此在精加工中，采取小的吃刀深度與走刀量，提高轉速，在一定程度上可以減小工件變形，保證零件質(zhì)量。外圓精切用2 mm寬斜刃精切刀，如果轉速太高切削接觸面大，加工抗力會增加，零件反而易產(chǎn)生變形，所以斜刃刀具有利于降低切削抗力。

半精加工后怎樣給精加工一個合適的余量是非常關鍵的一步，理論上在加工速度一樣的情況下精加工余量越小切削抗力就越小，但在實際加工中精加工余量不是越小越好，如果余量小于1/3刀尖半徑時，反而精加工尺寸更不易保證、加工表面粗糙度越差、刀具磨損越嚴重，所以選擇合適的切削速度和加工余量來精加工外圓是非常重要的，經(jīng)過加工試驗，此薄壁件外圓精加工速度為800 r/min、外圓余量為0.1 mm時，外圓精加工效果最好，刀具使用壽命最合適。

圖6 精切刀具示意圖

法蘭的精加工選擇了更鋒利的斜刃切刀，刀寬1.5 mm。由于法蘭只有0.5 mm，因此法蘭精加工轉速不能太高，此時刀具剛性有了，但法蘭剛性差，所以只能利用刀具的鋒利來降低加工抗力，從而減小法蘭變形。把法蘭和外圓分開加工，這樣更有利于增加刀具剛性，利用不同的切削參數(shù)和加工余量，從多方面解決變形問題[8-10]。

2.3 解決纏屑問題措施

由于4J33的韌性好，加工時不易斷屑，以前粗加工外圓時鐵屑會纏繞在刀具或者工件上，每走完一刀都要開門清理鐵屑，大大降低了生產(chǎn)效率，纏屑造成冷卻不充分、刀具磨損嚴重使用壽命短、零件極易變形。

改進后，用切斷刀分層切削粗加工外圓，每切2 mm抬刀一次，鐵屑成卷屑狀態(tài)排出（圖7），排屑更順暢，冷卻液更能充分噴在刀頭和工件上，有效地去除了切屑纏繞、冷卻不充分造成的工件變形，增加了刀具的使用壽命。

圖7 切屑形態(tài)的改變

此加工方法更好地利用了毛坯剛性，通過合理安排加工順序，減小了切屑力對法蘭部位的影響，基本消除了零件變形，有利于精加工時保證精度；對內(nèi)孔加工，采用車削復合粗加工及分步精鏜孔壁和孔底面的方式，解決了粗鏜孔刀具剛性不足以及纏屑問題，在保證內(nèi)孔加工質(zhì)量的同時，也兼顧了加工效率。

3 效果檢查建議

經(jīng)過實踐證明，方法三通過優(yōu)化加工工藝和參數(shù)、合理選擇刀具，有效地解決了零件變形問題。在加工中增加專用外圓切刀，針對薄壁易變形零件創(chuàng)新性提出隔離易變形區(qū)域、分區(qū)加工的方法，達到刀具使用壽命最大化。根據(jù)零件特性用外圓切刀代替外圓車刀，對外圓進行分層切削粗加工，合理地利用粗加工時零件剛性，有效地解決了切屑纏繞造成的加工變形和不斷清理切屑造成的加工效率低下的問題，精加工時利用鋒利刀具降低切削抗力，減小切削力對零件變形的影響。

使用此加工方法，法蘭平面度在0.03 mm以內(nèi)，垂直度在0.01 mm以內(nèi)，更好地滿足了圖紙要求。充分利用了機床車、銑復合加工功能，減少了裝夾次數(shù)，與以前的加工方法比較，生產(chǎn)效率得到了提高，合格率達到90%，保證了加工質(zhì)量，降低了加工成本。

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Processing Technology of Thin-Walled Stainless Steel Flange

LIU Weihao，LIU Chunmei

( Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China )

Thin-walled stainless steel parts are prone to deformation during mechanical processing due to their poor rigidity. Meanwhile, flange deformation can also be caused by the factors of material toughness, chip breaking property, insufficient cooling, large cutting margins, severe tool wear, and rough machining. In actual processing, the yield is low, and it is difficult to guarantee the processing quality and production efficiency. It is a type of typical difficult-machining parts. Aiming at solving the above problems, this paper studies the processing path by conducting experimental research on various process schemes. Based on the different processing methods of a thin-walled flange, a reasonable processing sequence is proposed, the deformation area is isolated, the rigidity of the process system is improved, and the combination of longitudinal cutting, turning and milling is used to form a process plan at one time. The results show that the method effectively solves the problems of processing deformation and chip winding, and improves the processing quality and efficiency.

thin-walled flange；turning；rigidity；deformation；wrapped chips；process route

TG506

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.04.005

1006-0316 (2022) 04-0025-06

2021-07-12

劉蔚豪（1986－），男，四川大邑人，高級工，主要從事不銹鋼薄壁零件加工、拋光及有色金屬高精密內(nèi)孔加工、電鍍拋光等工作，E-mail：405590782@qq.com。