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摘要:針對鎳鐵合金薄壁零件車削加工出現(xiàn)的問題,從零件材料特性、零件加工易產(chǎn)生變形等方面進(jìn)行分析,通過改進(jìn)零件熱處理工藝、設(shè)計(jì)裝夾夾具及零件裝夾方法,合理選擇刀具材料和刀具角度、切削用量,從而達(dá)到減小加工變形、保證零件加工精度的目的。
關(guān)鍵詞:鎳鐵合金;薄壁零件;加工變形
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)來控制零件的變形是需要解決的主要問題。本文在對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]。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13.4W/(m·K)[低于41.87W/(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題,本文針對該零件進(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程中出現(xiàn)的問題,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)過程中產(chǎn)生:毛坯制造過程和零件切削加工過程。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。針對殘余應(yīng)力的消除,經(jīng)過多方面試驗(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)過鍛造的毛坯零件加熱至(840±10)℃,保溫1h,水淬,目的是使合金成分均勻化,后期將經(jīng)過粗車的零件再進(jìn)行一次回火處理,2h緩慢加熱到(315±10)℃,保溫2h,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
針對零件的加工步驟,通過零件尺寸可以看出,該零件中間處壁厚7mm,邊緣壁厚2.5mm,所以零件剛性較差,毛坯裝夾加工時(shí),如果采用三爪卡盤直接裝夾,一次粗車、精車車削加工到圖示尺寸,若夾緊力過大,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φ191→半精車為φ192.5H7→精車為φ1930+0.06,零件左端內(nèi)孔粗車為φ194→半精車為φ195.5H7→精車為φ196H7。薄壁零件粗車改進(jìn)辦法:(1)采用三爪卡盤裝夾零件毛坯,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)先裝夾在卡盤上的圓盤上,圓盤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φ191處,半精車左端孔為φ195.5H7,其余各部車至留0.5mm精車余量;然后掉頭利用可脹心軸(圖3)撐住φ195.5H7內(nèi)孔,外圓用扇形軟爪夾持,對工件右端進(jìn)行半精車,其中內(nèi)孔車至φ192.5H7,其余各部車至留0.5mm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。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??擅浶妮S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):由內(nèi)椎體、開縫脹環(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,通過墊片和壓板的傳遞,推動(dòng)開縫脹環(huán)向內(nèi)椎體方向壓緊,內(nèi)椎體的大端直徑徑向擴(kuò)張開縫脹環(huán),開縫脹環(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,操作過程中有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng):(1)扇形軟爪在三爪卡盤上加工時(shí),軟爪內(nèi)孔直徑比所要夾持的工件外圓略大(0.05mm)即可,過大或過小都會(huì)因夾緊力的分布不均而對工件變形產(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0.02mm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
針對薄壁零件切削熱問題,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)對零件和刀具表面進(jìn)行連續(xù)、充分的冷卻和潤滑,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。通過對刀具的實(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裕辜庸ば屎土慵|(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,能夠減小切削力對零件變形產(chǎn)生的影響。筆者在實(shí)際車削薄壁零件的過程中,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2mm左右,進(jìn)給量選擇在0.15~0.25mm/r;精加工時(shí),背吃刀量選擇在0.1~0.25mm,進(jìn)給量選擇在0.06~0.12mm/r。當(dāng)選擇HSSAL高速鋼刀具時(shí),進(jìn)給量應(yīng)小于0.15mm/r;高速鋼刀具一般切削速度較低,以防止切削溫度過高。使用HSSAL高速鋼刀具時(shí),切削速度約取45m/min;使用YG刀具時(shí),切削速度約取70m/min;使用TiN涂層刀具加工時(shí),切削速度約取160m/min。
3技術(shù)實(shí)施現(xiàn)狀
第一,對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)悶頭來對薄壁零件進(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了0.2mm,而該薄壁零件的內(nèi)孔公差只有0.046mm。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
本文對鎳鐵合金薄壁筒件的車削加工問題進(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,通過改進(jìn)裝夾方式、合理選用刀具及切削參數(shù)來減小加工變形,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。
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作者:袁愛民 李世健 呂德興 王恒廠 周時(shí)佳 單位:南京航空航天大學(xué)公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)部