薄壁零件加工工艺方法研究

陈晓薇

（陕西秦川机床工具集团有限公司，陕西宝鸡721009）

1 问题的提出

众所周知，导致薄壁件难加工的主要因素是变形与振动：变形包括因工件刚性差产生的变形、加工中因装夹力或切削力产生力矩引起的变形、热处理引起的变形等；而加工中产生的振动又极易引起零件的变形。两者互相影响，共同作用，使薄壁件的加工显得很困难。

我公司某新产品机头采用了双层分流结构，该结构中的关键零件——隔套，就是一个大型复杂曲面薄壁零件，其形状结构特殊，热处理变形及加工变形都很大，而且图纸精度要求高。如果采用常规加工方法，则尺寸及形位公差都难以保证。

零件简图如图1所示。

图1 隔套零件简图

2 零件特点分析

零件左端壁厚10mm，右端为内、外角度锥体，内、外锥体高点处厚度约58mm，锥体最右端为倒圆R1的尖角，总长近850mm，两端壁厚落差较大，锥体结构复杂，加工振动和变形，以及热处理变形都会很大。

零件要求硬度≥500HV，芯部硬度250～280HB，渗氮层深0.4mm。

3 理论分析及解决方案

针对该零件薄壁及有复杂曲面的特征，采用毛坯种类为锻件，并在粗车后进行调质处理。采用毛坯锻件，能使金属内部纤维组织按轴向排列，分布致密均匀，从而可获得较高的抗弯、抗拉、抗扭转强度。35CrMo是合金结构钢，综合机械性能良好，粗车后进行调质处理，可以避免因锻坯表面脱碳、锈蚀、氧化皮等影响零件的淬透性和淬硬性，起到调整机械性能、去除内应力、稳定组织的作用。经淬火后高温回火具有良好的综合力学性能，具有较高的强度、较好的韧性和塑性。

针对零件各部分不同形状，采用分步骤加工方法：粗车外圆及内孔→除应力→半精车外圆及内孔→时效处理→精车外圆及内孔留放磨量→粗外磨及内磨→低温时效→外磨及内磨→自然时效→精外磨及内磨→精车加工零件内外锥体部分。采用粗、精加工间隔进行，最后进行精加工，这样经过多次加工后，逐渐减少零件的变形误差。同时对车削、内圆磨削、外圆磨削都提出了分多次进刀、每次进刀少余量切削的要求，使加工后零件的精度达到稳定的状态。因为零件结构比较特殊，左端为薄壁套，右端为四段内、外锥体，右端面处几乎为尖角，所以加工时装夹困难、易发生变形。针对这一情况，工艺采用了右端内、外锥体先作成直的内、外圆以利于装夹，最后再加工成形。左端薄壁套处装夹时，利用工装夹具克服夹紧力造成的变形。车削过程中，车床使用精密刚性数控机床CK6163，振动小。粗车时，零件右端内外锥体部分均车为直外圆及直孔，方便后道工序装夹。半精车时，车出外锥体α角部分留精车量，另一部分仍保持直外圆。β、θ角内锥体部分留精车量。该过程中，因零件壁薄、自身重量大，三爪直接夹持会产生较大装夹变形。工艺采用内孔用垫套垫实、外圆装开槽弹性夹套后，再用三爪夹持的方法，使零件不被夹扁。半精车时，头架转速在70～90r/min之间，每次进刀量0.2～0.3mm；精车时，头架转速在50～60r/min之间，每次进刀量0.1～0.15mm。在加工中，要求多次进刀，并适当调整夹紧力的方法辅助。在最终的精加工前适当放松夹具后再夹紧零件，使加工应力充分释放。

零件装夹示意图如图2所示。

图2

外磨工序中，设备为M1450B万能外圆磨床。采用外磨心轴装夹工件，以半精车过的内孔作为定位基准，半精车过的θ角内锥体部分顶紧后，两顶尖顶起外磨心轴，磨削φ355外圆。内磨工序中，因零件外圆尺寸已超出磨床中心架装夹范围，故采用组合夹具V型支撑已磨过的外圆，带动板带动零件旋转后磨削内孔，保证尺寸及形位公差。磨削过程分粗、精磨，精磨时要求多次进刀，头架转速20～40r/min，砂轮转速30～40m/s，精磨每次进刀量0.01mm。

最后由CK6163数控车床分粗、精车右端内、外锥体至图纸要求。装夹时仍采用内孔、外圆用工装夹具垫实后，再用三爪夹持的方法。

在零件进行氮化处理后采取研抛的方法降低零件的表面粗糙度。氮化后的零件硬度很高，氮化变形很小，此时研磨抛光后，零件的表面粗糙度会降低。

在粗、精加工中间加入多次热处理除应力及人工时效的方法，使加工产生的应力逐渐并充分释放：淬火（加热温度860℃，油冷）→高温回火（加热温度600℃，空冷）→除应力（两次除应力，第一次加热温度580℃，空冷；第二次加热温度350℃，空冷）→时效（加热温度180℃，空冷）→离子氮化（采用工艺装备及控制变形措施）等热处理方法与加工方法穿插进行，加热温度逐渐降低，保持适当保温时间，调整冷却方法和冷却温度，逐级减少加工余量，消除应力及变形。同时要求加工工序多次进刀、每次进刀少余量切削，以减少振动及变形。人工时效采用铜棒敲击，相当于振动时效，消除应力。在薄壁件的加工中，切削热是影响零件精度的重要因素之一。要求车削、磨削时采用乳化冷却液的充分冷却，使零件切削热充分散发、零件温度降低，也减小了零件的热变形。

4 结语

在零件加工的各个阶段，通过采取各种办法，消除和避免变形和振动的影响。经过实践加工，零件尺寸精度及形位公差均达到图纸要求，保证了双层结构的成功运用，对薄壁件的加工进行积极探索，也为今后加工此类零件积累了一定经验。