不锈钢薄壁零件的工艺方案探索

陈继宁 廖慧慧

摘要：薄壁耐热不锈钢零件因为强度高，耐热耐腐蚀，广泛应用于航空航天领域。这类零件尺寸大、壁薄，加工中容易产生变形且不容易保证零件尺寸及形位公差。本文通过对我厂承接的某航空零件的产品结构和加工难点的分析，介绍了其加工难点的解决办法， 满足了产品的设计要求，发挥了较好的作用，在同类产品的加工中值得借鉴。

主題词：耐热不锈钢 薄壁 车削加工

1 零件结构分析

零件结构如图1所示，零件材料为：1Cr11Ni2W2MoV耐热不锈钢，最大外圆φ282.4，最小内孔φ171，最薄处壁厚只有1mm，零件总长112mm，外形为样条坐标曲线，圆跳动0.1mm，线轮廓度0.4，允许向材料内凹下，外形表面粗糙度不大于1.6，分析可得，该零件属于典型的薄壁、要求较高，难加工零件。该零件为我厂协外加工某部套型号产品中航空发动机中一个重要零件，该零件的加工质量对于发动机的质量及后续与客户单位的合作起着至关重要的作用。因此对于该零件的加工，所具有的意义时非常重要的。

2 零件材料性能及切削加工性能分析

1Cr11Ni2W2MoV钢是在低碳的12%Cr钢中加入大量的W、Mo、V等缩小奥氏体相区的铁素体形成元素，使得钢具有马氏体相变硬化能力，所得到的一种新型马氏体耐热不锈钢。该钢具有良好的综合力学性能，抛光表面的1Cr11Ni2W2MoV钢在淡水和湿空气中有耐蚀性，在航空工业中已广泛应用于制造600℃以下工作的发动机叶片、盘、轴等重要零部件。

材料的加工特性如下：

a） 切削变形大，且不易断屑；

b） 加工硬化大：硬化程度可达240%～320%，且前一走刀或前一工序产生的硬化现象在后续加工中累积，这是加工时的主要矛盾所在；

c） 力学性能高：σb=885MPa，δ=12%～15%，aK=100 J/cm2～250J/cm2，269HBS～388HBS，其伸长率和冲击值偏高，即“韧性大”，切屑不硬被切离，同时其高温强度大，亲和性强，易产生“积屑瘤”，对工件表面粗糙度起恶化作用；

d） 热导率低：其热导率仅为22.2W/（m·K），会引起已变形层内热量的高度集中，而使切削温度很高，可达1000℃～1100℃，零件易变形，加工精度难以保证；

e） 刀具磨损快：加工硬化严重、高的切削温度和在接触面上较大的单位压力，使得零件易与刀具发生冷焊，刀具耐用度低，致使零件表面质量较差。

3 工艺方案

3.1 加工难点分析

通过分析可以看出，该零件有以下加工难点：

a） 如何装夹，保证简单、易操作、零件变形小；

b） 如何找正加工基准，从而保证零件尺寸精度、壁厚均匀；

c） 如何防止零件加工过程中的变形；

3.2 解决途径与措施

3.2.1装夹方式

此零件完工壁厚只有1.5mm，最薄处仅有1mm，直径又比较大，刚性较差，如果采用常规径向夹紧的方法装夹，工件将会受到径向夹紧力和切削力的影响，出现弯曲变形，很难达到技术要求。外形又是不规则曲面，不宜采用套筒装夹，内孔直径较大，且不好定位和装夹，

所以采用芯棒的办法也不可取。

综合分析，最后决定采用在小端留工艺法兰，装夹方式如图2所示，用压板装夹，这样零件在径向不受夹紧力，也减小了变形。在车外圆时，增加辅助顶板，提高工艺系统的刚性。上述装夹方式定位可靠，拆装方便，也减少了其它工装的设计制造，既节省了时间，缩短了生产周期又节约了制造成本。

3.2.2基准选择

粗车后，每次装夹时先修图2中A基准面（即法兰端面），控制平面度，可用于轴向尺寸定位基准，零件外形的0点坐标可以从A面找正。径向找正必须保证内外圆轴线的同轴度，端面与内孔轴线的垂直度，此问题采用校正外圆及内孔圆跳动，加工外圆和内孔一次装夹，保证和机床主轴同心，加工时余量均匀，更好的保证尺寸及形位公差要求。

3.2.3零件变形因素分析及解决措施

a） 受力变形

因工件壁薄，在夹紧力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。在装夹时，不要完全压紧一个压板后在压紧另一个压板，而是对称的逐渐使各个压板压紧，车削完成后，也是对称的逐渐松开各个压板。

b） 受热变形

因工件较薄，材料本身热导率低，切削热不易扩散，会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制，在车削过程中，合理的使用冷却液，可以有效地解决。冷却液一般选用乳化液。

c） 振动变形

在切削力（特别是径向切削力）的作用下，很容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度，形状、位置精度和表面粗糙度，此零件我们主要采取以下几个措施来减小振动：1.控制切削速度；2加工外形时，可在内孔放置一个厚橡胶板；3车削内孔时可以在外圆上包裹橡胶皮，吸收零件的振动能量，达到减小振动的目的。

d） 切削应力

当每切除一层金属层时，由于应力释放，造成变形。针对工件内部存在应力而车削后引起工件的变形，可以采取以下措施解决，把粗车和精车加工分开进行，可消除粗车时切削力过大而产生的变形，粗车后进行退火等去应力时效处理，可减小内应力。此零件因为要求较高，结构较复杂，精度要求高，所以，在粗车和精车之间增加两道半精车工序，并相应增加退火去应力，使粗车加工产生的变形逐渐得到修正，几何形状和尺寸精度逐步得到提高。

3.3 刀具选用

1Cr11Ni2W2MoV为难切削材料，刀具材料选用红硬性高，抗弯强度高，耐磨、导热性好，抗粘结、抗扩散和抗氧化磨损性好的刀具材料，尽量采用性能优越的YG8N、YG8、YG6、YG6X等钨钴类硬质合金刀具，也可采用YH1、YH2、YD15、712、813等硬质合金刀具。高速钢刀具材料（如W2Mo4Cr4V3、W12Mo3Cr4V3Co5Si）也可选用。

3.4 工艺方案确定加工方案分析

根据零件的特点和要求选择合理的工艺方案，是保证薄壁零件加工质量的关键，同时要从防止变形和保证精度出发去设计加工工艺。只有适当的安排工艺顺序，精心操作才能保证薄壁工件的加工质量。

此零件毛坯为环形锻件，所以后续加工去除余量较多，内应力也较大，所以加工过程中去应力次数定为3次，使内应力完全释放，减小内应力引起的变形，结合经济性及形状、精度等要求，粗车选择普通车床，半精车和精车选择数控车床，因为调质过程变形较大，去应力变形相对较小，所以调质安排在两道半精车之间进行，为了保证加工后零件的表面粗糙度要求，精车时车刀磨削锋利，进给量应较小。为了更好的保证零件尺寸精度要求，去应力时效时要进行稳定尺寸处理。因为零件外形和内孔为不规则抛物线，不好直接检验外型面和内型面尺寸，最终选用制作型面样板的方法，严格控制型面样板尺寸及公差，用型面样板来检验，既能保证尺寸又简单方便。

结合以上分析，最终确定此零件加工方案如下：

粗车（单边留余量3mm）→去应力时效→半精车（单边留余量2mm）→调质并去应力时效→半精车（单边留余量1mm）→去应力时效→精车（到尺寸）→荧光检验表面质量→表面化学钝化处理→完工尺寸检验→交付。

3.4.2进给量f

粗加工时，选用硬质合金刀具，一般选择0.2mm/r～0.4mm/r。选用高速钢刀具时，应适当减小f值。

精加工时，选用硬质合金刀具，一般选择0.08mm/r～0.1mm/r，主要考虑工件表面粗糙度的要求。选用高速钢刀具时，应适当减小f值。

3.4.2车削速度vc

车削速度不宜过高，选择硬质合金刀具时，一般在0.5m/s～1.5m/s。选择高速钢刀具時，应适当减小vc值，精加工时，为保证表面质量，选择恒定线速度切削，可有效保证表面光洁度。

4结论

本文对1Cr11Ni2W2MoV耐热不锈钢薄壁零件的加工进行了分析阐述，通过制定合理的加工方案，选择合适的工装、刀具及合理的切削用量，运用合理的加工技巧，通过实际加工生产，以上措施很好的解决了薄壁零件的加工变形、加工精度等问题，减少了装夹校正的时间，减轻了操作者的劳动强度，提高效率并保证加工后零件的质量要求。

参考文献：

[1]《机械加工工艺手册》孟少农 主编，1998年3月出版，机械工业出版社。

[2] GB/T 20878-2007 不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分。