双相不锈钢管体零件加工工艺及变形控制

何董权，蒲科锦，梁卫和，王廷军

(中船重工第七一三研究所，河南 郑州 450052)

在某产品生产过程中，有零件使用一种022Cr23Ni5Mo3N双相不锈钢材料，结构为薄壁件，且一端呈缕空状，属于长悬伸、薄壁件，零件刚性差，易变形；且因双相不锈钢材料不易切削加工，需从工艺路线、刀具切削参数、工装夹具等方面综合考虑，才能解决加工难题[1]。022Cr23Ni5Mo3N双相不锈钢材料强度和耐点蚀等优于常用奥氏体不锈钢(如304等)材料，耐腐蚀性能较好，主要应用于海水腐蚀及高温环境等工况使用，但双相不锈钢零件在不锈钢材料中的切削加工性能较差，其加工工艺、切削参数等要求应具有合理性，如工艺路线不合理，则可能造成产品变形不合格、切削参数不合理，就会加剧刀具磨损，增加成本，生产效率降低。对于双相不锈钢薄壁管体类的切削加工，如何控制变形，提高零件的生产率和质量，降低因刀具消耗过快造成的高成本，成为机械加工领域探索的方向。

本文对于双相不锈钢的加工工艺，薄壁管体缕空结构零件的装夹，切削参数的应用等进行了一系列优化后，零件的加工变形得到有效控制。同时，对刀具切削参数进行了摸索试验，提高了刀具的使用寿命，降低了生产成本，为双相不锈钢的加工提供了有效的参考[2]。

1 零件结构及加工难点分析

1.1 零件结构

产品为典型的薄壁管体回转类零件，管体外圆直径为(254±0.05) mm，壁厚最薄处只有8 mm，总长569 mm，一端切割后由4根20 mm宽的筋支承端面，长度91 mm形成缕空结构形式，尺寸公差要求较高，内外圆同轴度要求0.05 mm[3]。零件缕空部分刚性差，易变性超差，零件二维结构如图1所示。

1.2 零件的材料特性

零件使用的是一种双相不锈钢材料，由铁素体与奥氏体组成，材料牌号为022Cr23Ni5Mo3N，其化学成分见表1。

表1 022Cr23Ni5Mo3N的化学成分(质量分数) (%)

经锻造加工形成的毛坯，其材料具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的抗应力腐蚀能力，可以适用于氯化物和硫化氢环境下的腐蚀介质。其与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高[4]。力学性能见表2。

表2 022Cr23Ni5Mo3N的力学性能

2 零件原工艺流程及工艺分析

零件经过锻造后粗加工成管体毛坯，毛坯余量最小处为单边3 mm，毛坯粗加工后经过一段时间的自然时效后才进行精加工。零件精加工工艺路线：半精车→时效处理(300 ℃)→精车成形→加工穿丝孔→线切割加工4处缺口→钳工清理。

零件首先由数控车床整体进行半精加工，直径和长度方向均留有1 mm余量，再经热处理单元进炉低温时效3～4 h(300 ℃)。内外圆精加工由数控车床采用三爪自定心卡盘装夹、中心架辅助，将直径和长度方向尺寸公差全部加工到位。由卧式加工中心在缺口处钻出穿丝孔以备线切割工序使用。然后，线切割机床将4处缺口的缕空处分别割掉，形成缕空式结构。最后，钳工对零件表面和毛刺进行清理后交检。

由于材料特性和产品结构等多种因素，造成在切削加工时刀具磨损严重。刀具在加工外圆或内孔时，刀具从端面起点切削，未能加工到终点部分刀具已经磨损严重，产生表面硬化。对于普通不锈钢材料本身冷切削性能较差，而本产品材料又属于双相不锈钢类型，增加了切削加工难度。在切削加工时，切削参数选用稍有不合理，刀具磨损则要比常规不锈钢材料磨损增加2～3倍，频繁的更换刀片加工尺寸不稳定，同时造成生产效率下降。

3 问题分析

零件缕空部位局部剖视图如图2所示。为提升产品合格率，制作了2个试件(试件1和试件2)，并对这2个试件进行实际测量，测量内孔4个方向数据作为参考依据，分析零件的变形原因。经检验测量后的数据见表3，分析零件变形原因可能是工艺路线及装夹、材料原因，切削时刀具磨损快，零件产生热量较大，冷却不及时等多方面因素造成车削加工后产生的残余应力，缕空部分线切割加工后零件局部刚性降低，残余应力的释放造成靠近缕空部位长度方向100 mm范围内发生局部变形，造成零件不合格。

表3 数据统计表

通过对比试件1和试件2的实测数据发现，零件加工后呈椭圆状变形，经对变形位置以及变形后的测量数据进行分析判断。双相不锈钢材料具有较高的强度，金属毛坯余量去除后易产生回弹，可能是线切割加工后残余应力的释放造成零件局部变形，或在车削加工时三爪自定心卡盘夹紧力度过大等原因造成。为改变这一状况，对现有工艺方法进行优化，并设计专用夹具进行加工。为防止残余应力的增大，同时对刀具、切削参数一并进行优化。

4 优化后的工艺方案

通过对产品变形原因进行综合分析，最终决定对工艺方案进行如下调整。

精加工工艺路线：半精车→时效处理(300 ℃)→二次半精加工→加工穿丝孔→线切割加工4处缺口→精加工成形→钳工清理。

零件由数控车床整体半精加工，直径方向留1 mm余量，长度方向留0.5 mm余量[5]。热处理单元进炉低温时效3～4 h(300 ℃)保持不变，增加了二次半精加工工序。该工序加工后零件整体内外圆直径留有0.5 mm余量，部分长度留0.2 mm余量，然后再进行加工穿丝孔。线切割机床加工4处缺口工序保持不变，最后再进行直径和长度方向的整体精加工，其他工序保持不变。优化后的工艺增加了数控车床二次半精加工工序。线切割机床加工安排在最后精加工之前。这样安排的目的是，将线切割机床加工后产生的残余应力进行彻底释放。保证零件精加工后不会产生变形现象。工艺优化后，精加工装夹部位较为薄弱。如使用普通的三爪自定心卡盘进行夹持，则会产生夹持部位受力不均匀，造成缕空一端变形。为避免装夹方式不合理带来的变形，应设计专用夹具装夹，以增加缕空部位夹持刚性，防止因装夹不合理造成零件直径方向椭圆变形等。

5 工装夹具的设计

专用夹具如图3所示，主要用于精加工工序使用，将三爪自定心卡盘的卡爪拆卸后，夹具安装在卡盘上，专用夹具用来替代三爪自定心卡盘的卡爪。线切割机床将缕空部位加工后，从结构上来看零件径向方向的刚性较差。使用普通的三爪自定心卡盘装夹工件外圆，会因为卡爪3个爪的接触面小，造成受力不均衡[6]，在三爪自定心卡盘的夹紧位置，其内外圆则会产生较为明显的弹性变形[7]。零件在没有下机床时测量是合格的，一旦拆下后，则会形成椭圆状的圆，甚至是三角形或者是多边形。而如果将零件的每个点全部夹持，使专用夹具形成圆形，将缕空部分整个包容起来，这样整体受力均匀，可提高零件刚性。

6 实施效果

采用优化后的工艺方案实施加工，半精加工和二次半精加工装夹方式保持不变。只有在精加工时使用专用夹具装夹，以提升零件缕空部位的刚性。有了专用夹具的约束，工件变形问题可以控制一部分。专用全包围式夹具的装夹结构形式如图4所示[8-9]。

经过首件生产加工，在加工时双相不锈钢热胀冷缩现象较为严重。如刀具在切削中冷却液不够充足，工件将会产生较大的切削热，导致刀具磨损加剧。切削参数不合理对工件的变形及刀具的磨损，同样有着不同程度的影响。针对上述问题进行分析并优化。

通过分析，切削参数的不合理，造成刀具寿命缩短和切削热量过大，无法完全散热。后续调整了切削参数，并将冷却液流量加大，防止因材料热胀冷缩造成一些不可控的变形，确保产品满足图样要求。

针对上述问题，对前期加工时刀具的磨损情况进行判断。对数控车床切削参数进行了优化。具体切削参数见表4。

表4 切削参数

通过对切削参数优化后，装夹方面采用专用夹具和中心架配合使用，确保装夹、切削参数的合理性。并且加工时应严格控制机床的冷却系统参数，以降低数控车床切削时产生的高温。这样才能保证零件受温度影响时尺寸变化可控，保证零件合格。

采用优化过的各项工艺方法加工后，零件的加工效率得到提升，刀具的使用寿命提升1倍。通过对加工后的成品进行检验，尺寸完全符合图样设计要求。缕空部位的变形得到有效控制，整体圆度在0.03 mm范围内，全尺寸检验后完全合格，采用优化后的工艺方案，为双相不锈钢薄壁件的车削加工提供了生产指导[10]。

7 结语

针对双相不锈钢薄壁零件，受其结构的影响，工艺方案应综合考虑。零件的变形是首要考虑的因素，工艺流程及切削参数应合理。薄壁件应采用防变形装夹工装，以减少由于装夹不合理造成的零件尺寸超差等问题。双相不锈钢的切削参数在加工中起到关键作用，在车削时切削线速度应比普通不锈钢至少降低50%左右，才能保证刀具的使用寿命。双相不锈钢薄壁类零件加工，通过不同的工艺方法来满足产品尺寸要求，对后续生产起到了指导性作用，满足了各项要求。