鎳鐵合金薄壁零件車削加工研究

袁愛(ài)民 李世健 呂德興 王恒廠 周時(shí)佳

（1.南京航空航天大學(xué)公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，江蘇 南京 211106；2.臨沂市技師學(xué)院，山東 臨沂 276005；3.南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院，江蘇 南京 211106）

0 引言

鎳鐵合金薄壁零件由于質(zhì)量輕、強(qiáng)度好、塑性良好、性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，在大氣、海水、淡水中均具有較好的耐腐蝕性能，在航天遙感器器材的結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用較多。因鎳鐵合金的鎳元素含量較高，鎳鐵合金材料的強(qiáng)度、塑性、韌性增加，其具有奧氏體材料屬性，雖然硬度不高（HB160），但是韌性很強(qiáng)，切削性較45號(hào)鋼更軟、更黏，使得切削性能顯著下降，特別是鎳鐵合金薄壁類零件，由于零件壁薄、剛性差，車削加工中容易出現(xiàn)零件加工變形、走刀過(guò)程中振刀的現(xiàn)象，所以加工質(zhì)量難以保證?；谠摿慵诓牧虾徒Y(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，在車削加工時(shí)，如何設(shè)計(jì)零件裝夾夾具，如何選擇刀具和切削參數(shù)來(lái)控制零件的變形是需要解決的主要問(wèn)題。本文在對(duì)鎳鐵合金薄壁零件車削加工工藝分析的基礎(chǔ)上，提出了一些解決問(wèn)題的相應(yīng)方法，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了有效提高。

1 零件的加工性能分析

圖1為本文研究的薄壁鎳鐵合金車削加工零件圖，材料為4J32合金。4J32合金是典型的低膨脹鎳鐵合金，又稱超因瓦合金（super-invar），其主要化學(xué)成分如表1所示[1]。

表1 4J32合金的化學(xué)成分

圖1 4J32合金零件圖

4J32超因瓦合金在大氣溫度變化范圍內(nèi)（-60～80℃）具有很低的膨脹系數(shù)，主要用于制造在環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)要求尺寸精度精確的精密部件，或者用在常溫附近要求尺寸恒定的膨脹系數(shù)極低的裝置中。由于4J32合金鎳的含量高達(dá)31.5%～33.0%，所以材料的韌性很強(qiáng)，切削性軟黏，導(dǎo)熱系數(shù)僅為13.4 W/（m·K）[低于41.87 W/（m·K）]，這就使得該類材料的可加工性很低，屬于難加工材料，切削時(shí)產(chǎn)生的大量切削熱不易被切屑帶走，從而集中在刀具上，造成刀具磨損加快，縮短了刀具的使用壽命。

另外，薄壁筒件剛性較差，壁薄、易變形，加工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力容易引起工件翹曲、側(cè)彎和扭曲等形式的變形，用一般方法加工比較困難。而零件的精度要求較高，在加工過(guò)程中極易受到內(nèi)外應(yīng)力的影響而發(fā)生變形，受上述多因素綜合影響，該產(chǎn)品的合格率相對(duì)較低，加工難度較大，零件的加工質(zhì)量及加工效率較低。因此考慮以上加工問(wèn)題，本文針對(duì)該零件進(jìn)行車削加工工藝的研究和探討，從而優(yōu)化薄壁零件車削加工工藝，從根本上解決鎳鐵合金薄壁零件車削加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提高薄壁零件的加工質(zhì)量與加工精度。

2 減小零件變形的方法

2.1 降低薄壁零件的殘余應(yīng)力

薄壁零件殘余應(yīng)力主要在兩個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生：毛坯制造過(guò)程和零件切削加工過(guò)程。薄壁零件在殘余應(yīng)力下發(fā)生尺寸和形狀變形主要有兩方面因素，一方面是機(jī)械力因素，另一方面是材料受熱因素。

針對(duì)殘余應(yīng)力的消除，經(jīng)過(guò)多方面試驗(yàn)，首先在零件熱處理階段，采取了淬火和回火的熱處理方法，消除了一部分的殘余應(yīng)力[2]。方法如下：先將經(jīng)過(guò)鍛造的毛坯零件加熱至（840±10）℃，保溫1 h，水淬，目的是使合金成分均勻化，后期將經(jīng)過(guò)粗車的零件再進(jìn)行一次回火處理，2 h緩慢加熱到（315±10）℃，保溫2 h，隨爐冷卻到90℃以下出爐，并進(jìn)行時(shí)效處理，從而進(jìn)一步降低材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使材料組織均勻性得到改善，尺寸更加穩(wěn)定，工件變形減小。

零件經(jīng)過(guò)上述多次熱處理后，切削性能方面有所改善，有效降低了零件的殘余應(yīng)力。

2.2 薄壁工件裝夾

針對(duì)零件的加工步驟，通過(guò)零件尺寸可以看出，該零件中間處壁厚7 mm，邊緣壁厚2.5 mm，所以零件剛性較差，毛坯裝夾加工時(shí)，如果采用三爪卡盤(pán)直接裝夾，一次粗車、精車車削加工到圖示尺寸，若夾緊力過(guò)大，零件加工后變形較大，會(huì)使得薄壁零件的圓度超差，從而導(dǎo)致零件加工精度無(wú)法保證。

改進(jìn)措施：薄壁零件車削可采取粗車、半精車和精車三道工序。以零件圖1內(nèi)孔加工為例，零件右端內(nèi)孔粗車為?191→半精車為?192.5H7→精車為?1930+0.06，零件左端內(nèi)孔粗車為?194→半精車為?195.5H7→精車為?196H7。

薄壁零件粗車改進(jìn)辦法：

（1）采用三爪卡盤(pán)裝夾零件毛坯，夾緊階段要用劃針找正裝夾零件。

（2）粗車零件一端端面至平整，在該已加工端面加工出4個(gè)M10均布螺紋孔。

（3）粗加工零件內(nèi)外圓時(shí)，用M10的螺栓將零件緊固在特制的、預(yù)先裝夾在卡盤(pán)上的圓盤(pán)上，圓盤(pán)均布螺孔與零件均布螺孔分布同軸。

（4）粗加工零件內(nèi)外圓，利用切斷刀切下零件，這樣可以有效減小直接用三爪卡盤(pán)裝夾毛坯零件時(shí)夾緊力造成的零件尺寸變形。

工件半精車與精車的改進(jìn)方法：先利用扇形軟爪（圖2）撐住零件右端?191處，半精車左端孔為?195.5H7，其余各部車至留0.5 mm精車余量；然后掉頭利用可脹心軸（圖3）撐住?195.5H7內(nèi)孔，外圓用扇形軟爪夾持，對(duì)工件右端進(jìn)行半精車，其中內(nèi)孔車至?192.5H7，其余各部車至留0.5 mm精車余量。精車時(shí)采用可脹心軸支撐工件內(nèi)部，扇形軟爪夾緊工件外圓，先精車圖1左端各輪廓尺寸至符合圖紙要求，然后掉頭同方法裝夾薄壁零件，精車右端各輪廓尺寸至符合圖紙要求。

圖2 扇形卡爪結(jié)構(gòu)圖

圖3 可脹心軸夾具示意圖

扇形軟爪設(shè)計(jì)要求：扇形軟爪的內(nèi)圓弧面半徑尺寸大小與薄壁零件半精車外圓直徑尺寸相接近，這樣可以增大薄壁零件裝夾接觸面，使得薄壁零件外表面承受扇形軟爪的夾緊力更分散，有利于降低零件的變形量。

可脹心軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：由內(nèi)椎體、開(kāi)縫脹環(huán)、壓板、壓緊螺栓、墊片、螺母組成。螺母和螺栓緊固的軸向推力，通過(guò)墊片和壓板的傳遞，推動(dòng)開(kāi)縫脹環(huán)向內(nèi)椎體方向壓緊，內(nèi)椎體的大端直徑徑向擴(kuò)張開(kāi)縫脹環(huán)，開(kāi)縫脹環(huán)直徑變大，將薄壁工件內(nèi)孔壁脹緊，使得薄壁工件和可脹心軸形成統(tǒng)一體，扇形軟爪內(nèi)圓弧面夾持薄壁工件的外表面，使得扇形軟爪的夾緊力與可脹心軸的脹緊力近似一致，從而達(dá)到減小工件夾緊變形的目的。

在半精車和精車薄壁零件外圓及內(nèi)孔時(shí)，將撐好可脹心軸的工件通過(guò)扇形軟爪定位夾緊，這種裝夾方法具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和減振作用，操作過(guò)程中有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

（1）扇形軟爪在三爪卡盤(pán)上加工時(shí)，軟爪內(nèi)孔直徑比所要夾持的工件外圓略大（0.05 mm）即可，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)因夾緊力的分布不均而對(duì)工件變形產(chǎn)生影響。

（2）可脹心軸的脹環(huán)必須在脹緊的情況下進(jìn)行磨削加工，脹環(huán)磨削應(yīng)滿足與所要脹的工件內(nèi)孔為過(guò)渡配合，磨好后需在螺母與心軸的端面上做一個(gè)標(biāo)記，在可脹心軸脹緊工件時(shí)，螺母上的記號(hào)與心軸端面上的記號(hào)對(duì)齊時(shí)脹緊力剛好合適。

（3）工件在進(jìn)行半精車和精車時(shí)必須保持內(nèi)孔或外圓各項(xiàng)尺寸都在設(shè)計(jì)公差范圍以內(nèi)，否則會(huì)由于夾緊力與脹緊力的不一致而導(dǎo)致工件變形。

（4）使用扇形軟爪和可脹心軸裝夾工件進(jìn)行半精車和精車前，須用百分表檢驗(yàn)工件的圓跳動(dòng)，一般圓跳動(dòng)量控制在0.02 mm以內(nèi)，這樣薄壁零件尺寸變形小，可滿足零件精度要求。

2.3 選擇合適的車刀和冷卻液

針對(duì)薄壁零件切削熱問(wèn)題，從刀具材料選擇、刀具幾何角度選擇、冷卻方式選擇上主要采取如下改進(jìn)措施：

首先，加工時(shí)對(duì)零件和刀具表面進(jìn)行連續(xù)、充分的冷卻和潤(rùn)滑，以減小零件的熱變形，提高刀具的耐用度。筆者運(yùn)用的是硫化乳化液，因?yàn)檫@種乳化液具有較好的冷卻、潤(rùn)滑和抗粘結(jié)性能。

其次，為了使切削輕快，提高零件的加工質(zhì)量。在試制之初選用了熱性好、耐磨性好、粘附性小的硬質(zhì)合金和高速鋼（如YG8、YG813、YW2和M2A）作為切削刀具。通過(guò)對(duì)刀具的實(shí)際運(yùn)用發(fā)現(xiàn)，這些刀具更適合用于粗車，因?yàn)樗鼈儚?qiáng)度和韌性雖然不錯(cuò)，但熱硬性稍差些，所以刀具磨損現(xiàn)象比較嚴(yán)重。后經(jīng)反復(fù)試切最終選擇了硬質(zhì)合金TiN涂層刀具和HSSAL高速鋼刀具作為精車用刀具，因?yàn)樗鼈兙邆涓叩挠捕群湍湍バ?，使加工效率和零件質(zhì)量得到顯著提高[3]。

再次，由于4J32合金的硬度并不高，其塑性、韌性都較好，切削時(shí)切屑不易折斷，易粘結(jié)，因此在保證刀具強(qiáng)度足夠的前提下應(yīng)選用較大的前角，這樣既能減小金屬的塑性變形，又能降低切削力和切削溫度，同時(shí)可以減小硬化層的深度。加大后角能減小后刀面與加工表面的摩擦，但會(huì)使切削刃的強(qiáng)度和散熱能力降低，在切削厚度較小時(shí)，宜采用較大的后角[4]。因此，選擇合適的刀具角度，能夠減小切削力對(duì)零件變形產(chǎn)生的影響。

筆者在實(shí)際車削薄壁零件的過(guò)程中，使用高速鋼刀具時(shí)前角取6°～30°，后角取6°～12°；用硬質(zhì)合金刀具時(shí)前角取5°～20°，后角取4°～12°。主偏角的選擇一般在30°～90°，由于主偏角的大小對(duì)切削力會(huì)產(chǎn)生較大的影響，所以加工薄壁零件時(shí)宜選擇90°，以減小徑向力對(duì)零件變形的影響。刃傾角的大小和方向決定了切屑流出的方向，為避免切屑對(duì)已加工表面的影響，刃傾角通常取-10°～20°為宜。在精車外圓、精車端面、精車內(nèi)孔時(shí)，刀具的刃傾角可選擇較大值。

2.4 切削用量選擇要求

薄壁零件車削加工過(guò)程中，切削力的大小和切削用量是密切相關(guān)的[4]。

第一，背吃刀量和進(jìn)給量同時(shí)增大使得刀具切削力增加，導(dǎo)致零件變形加大，不利于薄壁零件車削加工。

第二，減少背吃刀量，加大進(jìn)給量，切削力雖然有所下降，但工件表面粗糙度值會(huì)增加，使得強(qiáng)度不好的薄壁零件內(nèi)應(yīng)力加大，同樣也會(huì)導(dǎo)致零件變形。

第三，切削用量選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致積屑瘤產(chǎn)生，零件表面質(zhì)量降低。

所以，合理選擇切削用量能減少切削力，并進(jìn)一步減少零件變形，使零件加工質(zhì)量得到提高[5]。

刀具材料選擇：使用TiN涂層刀具和YG類刀具加工零件，粗加工時(shí)，背吃刀量選擇在2 mm左右，進(jìn)給量選擇在0.15～0.25 mm/r；精加工時(shí)，背吃刀量選擇在0.1～0.25 mm，進(jìn)給量選擇在0.06～0.12 mm/r。當(dāng)選擇HSSAL高速鋼刀具時(shí)，進(jìn)給量應(yīng)小于0.15 mm/r；高速鋼刀具一般切削速度較低，以防止切削溫度過(guò)高。使用HSSAL高速鋼刀具時(shí)，切削速度約取45 m/min；使用YG刀具時(shí)，切削速度約取70 m/min；使用TiN涂層刀具加工時(shí)，切削速度約取160 m/min。

3 技術(shù)實(shí)施現(xiàn)狀

第一，對(duì)刀具材料的合理選擇及刀具角度的合理運(yùn)用，使刀具易磨損、零件尺寸不穩(wěn)定的現(xiàn)象得到了改善，尤其是原先使用高速鋼車刀加工內(nèi)槽時(shí)，由于刀具磨損較快，零件的尺寸精度難以控制且生產(chǎn)效率較低，后來(lái)改用了硬質(zhì)合金TiN涂層刀具，零件的加工精度得到了保障，生產(chǎn)效率得到了很大的提高[6]。

第二，薄壁零件可脹心軸裝夾方法和夾緊力大小的控制是一個(gè)重要經(jīng)驗(yàn)的體現(xiàn)，早期筆者是采用扇形軟爪與鋁質(zhì)悶頭來(lái)對(duì)薄壁零件進(jìn)行裝夾的，由于鋁質(zhì)悶頭與孔的配合間隙難以控制，加工后的零件變形很大，有的零件變形量超過(guò)了0.2 mm，而該薄壁零件的內(nèi)孔公差只有0.046 mm。后期采用可脹心軸與扇形軟爪配合裝夾，很好地解決了悶頭與零件孔配合的間隙問(wèn)題，使得零件裝夾方便而快捷，加工后的零件精度達(dá)到了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鎳鐵合金薄壁筒件的車削加工問(wèn)題進(jìn)行了研究與實(shí)踐，從材料特性和零件結(jié)構(gòu)等方面分析特種材料薄壁零件的可加工性，通過(guò)改進(jìn)裝夾方式、合理選用刀具及切削參數(shù)來(lái)減小加工變形，提出使用硬質(zhì)合金TiN涂層刀具和HSSAL高速鋼刀具加工超因瓦合金薄壁筒件，從而獲得良好的加工質(zhì)量，并通過(guò)試驗(yàn)獲得了一些合適的切削參數(shù)選用范圍。應(yīng)用本文所述改進(jìn)方法，薄壁筒件的加工質(zhì)量得到了很大的提高。