高温合金薄壁零件车削工艺研究

高温合金薄壁零件车削工艺研究

冯绍富

天津航空机电有限公司 天津 300300

摘 要：薄壁零件刚性差，在加工过程中容易受装夹方式、切削力、切削热等因素的影响产生变形，使零件的形位误差增大，加工合格率低。通过分析薄壁零件的加工特点，提出了防止和减少薄壁零件变形的工艺措施，实践证明，采取本文提出的工艺措施，可以有效的解决高温合金薄壁零件变形及加工精度不高等问题。

关键词：薄壁零件；加工变形；工艺控制

薄壁零件具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，但薄壁零件刚性差、强度弱，在加工中极容易变形，不易保证零件的加工质量。车削薄壁零件时，由于工件壁薄，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。切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制，特别是对于线膨胀系数较大的金属薄壁零件，如果在一次安装中连续进行粗车、半精车、精车，由于切削热引起的零件热变形，会对尺寸精度产生极大影响。另外，径向切削力的作用下，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。

1.零件的结构特点和加工难点

1.1零件的结构特点

某产品防护套（见图1），外形尺寸φ6mm×50mm，壁厚最薄处不足0.15mm，薄壁部位长度15mm，外圆最严尺寸φ6-0.02 -0.06，其余形状和位置尺寸精度约0.1mm，零件整体由牌号为GH2747高温合金棒加工而成。

图1 高温合金薄壁零件

1.2零件加工难点

（1）高温合金材质强度高，抗变形能力强，切削过程中切削力很大，一般为普通碳钢的2～3倍，切削加工时会出现严重加工硬化，特别是薄壁零件孔深径比达到17倍以上，孔内排屑特别困难，小直径深孔加工比较困难。

（2）高温合金材料切削温度高，而且导热性差，切削温度高，高温下刀具与工件发生粘结现象，刀刃磨损极快，切削速度比较慢，所以加工效率低。

（3）零件最薄壁厚不足0.15mm，受孔偏斜的影响，加上装夹力和切削热影响零件发生变形，导致零件尺寸超差，甚至出现薄壁处车漏报废，采用常规方法加工该类高温合金薄壁零件合格率只有90%左右。

2. 工艺流程设计

考虑到零件以上分析的加工难点，零件属于比较典型的深孔薄壁类零件，由于孔的直径比较小，而且如果孔偏斜的话最薄壁部位受装夹力和切削热影响，零件会出现薄壁处车漏报废的情况，所以本文采用多次钻孔和扩孔的方式保证孔的直线度要求。将薄壁零件的加工分为粗车和精车两个阶段，粗车时切削深度可稍大，相应的变形也大一些，但由于切削余量较大，不会影响工件的最终精度；粗车后，使工件得到自然冷却，精车时切削深度可稍小，一方面采用两端对顶的方式，减小径向夹紧力，另一方面可以使粗加工产生的热变形在精车时得到纠正。

高温合金薄壁零件车削工艺方案为：粗车外圆→钻小孔→半精车外圆→扩孔→镗孔→精车外圆。

3. 工艺控制策略

本文主要从加工方法、装夹方式、刀具和切削参数等方面进行工艺控制，可以有效减小和控制加工变形，保证零件的最终尺寸精度。

3.1工艺方法改进

3.1.1小直径深孔加工

小直径深孔钻削主要有以下几个问题：

（1）钻削小深孔时，由于使用钻头尺寸小，强度很低，往往由于进刀时力量过大或者不均匀，工件组织不均匀，机床主轴摇摆以及排屑不畅等所引起的振动或者不规则冲击力，都会将钻头折断。

（2）钻削小孔时，切削力小，加工温度和钻削扭矩变化不明显，钻头磨损和粗糙度变化不易观察，所以有时候钻头已经磨损却还在使用，钻头就折断在工件里，造成零件报废。

（3）孔径小，冷却液无法到达切削区域，所有钻削条件恶劣。

为了防止钻头折断，应该保证钻削扭矩小于抗扭临界扭矩，抗扭临界扭矩和钻削扭矩下式近似计算。

a）高速钢小麻花钻头抗扭临界扭矩M_b：

（1-1）

式中：M_b—抗扭临界扭矩，

D—钻头直径，mm；

W—钻心厚度K相对于直径D的百分数，W=（K/D）×100；

钻头尖部碰到工件表面瞬间，钻头受压弯曲失稳的临界压力F_b：

（1-2）

式中：F_b—受压弯曲失稳的临界压力，N；

E—钻头材料弹性模量，N/m²；

I—钻头惯性矩，对于麻花钻头，近似I=0.025D⁴，mm⁴；

L—钻头螺旋槽部分长度，mm；

b）钻削扭矩M、走刀抗力F：

钻削扭矩和走刀抗力是钻头几何形状，工件材料，性能以及走刀速度的函数。对于螺旋角为30°的小麻花钻钻头可以由下式计算：

（1-3）

（1-4）

式中M—钻削扭矩， ；

F—走刀抗力，N；

f—进给量，mm/r；

a、b、c、d、S₁、S₂—与工件材料相关的系数，可以通过表1选取；

当钻头螺旋角不是30°而是ω时，F和M增量为：

（1-5）

（1-6）

通过以上公式的计算可以算出钻头不破坏的最大进给量f。

表1 与工件材料相关的系数

3.1.2精车薄壁外圆

由于零件最薄壁厚0.1mm，受中心孔偏斜的影响，零件会出现薄壁处壁厚不均匀，甚至出现外圆车漏报废的情况。在实际加工中，小孔往往会出现偏斜的现象，但孔不会出现波浪型偏斜，如图2所示，本文在小孔加工完成后通过双顶尖装夹两端孔半精车外圆，以此对小孔偏斜进行纠正，这样保证了即使小孔有偏斜的情况，但最终加工的外圆薄厚是一致的。

图2精车薄壁外圆示意图

3.2装夹方式优化

3.2.1增加接触面积

为减小夹紧变形和使变形均匀，应尽可能使用径向夹紧力沿圆周均匀分布，加工中可用开口胞胎装夹薄壁零件，可以增加装夹接触面积，使夹紧力均匀分布在工件上，工件不易变形。开口胞胎材料使用45#钢或者铸铁，开口宽度约3mm左右。使用开口胞胎装夹零件外圆精度可以达到0.02mm以内。

图3开口胞胎示意图

3.2.2使用轴向夹紧方式

精车薄壁外圆时，尽量不使用径向夹紧，而优先采用轴向夹紧。工件靠轴向夹紧套的端面实现轴向夹紧，改变了夹紧力的方向，使夹紧力沿工件轴向分布，而工件轴向刚度大，使夹紧力作用在工件刚性较强的部位，不易产生夹紧变形。车削薄壁工件时，孔内放入芯轴，图4采用弹性顶尖轴向夹紧工件，变径向夹紧为轴向夹紧，防止夹紧变形。弹性顶尖与芯轴之间顶住即可，无需用力，防止顶伤薄壁部分，同时，使用活顶尖可以补偿热变形伸长。

图4精车外圆装夹示意图

3.3选择合适刀具和切削参数

要保证高温合金薄壁零件的尺寸精度和表面粗糙度，关键是外圆精车刀的几何形状和几何参数。在薄壁零件的车削中，合理选择车刀几何角度对加工时切削力的大小，车削中产生的热变形、工件表面的质量都非常重要。

在确定刀具角度时，应该注意以下两点：一是保证车刀具有较高的强度，车刀的前角不宜过大，而应该取小一些；二是高温合金的导热性差，高温强度高，塑性好，加工硬化现象严重，如果后角太小，则后刀面与零件加工表面间剧烈摩擦，刀具容易磨损，刀具寿命下降，所以后角应该大些。通常情况下，加工高温合金时，其前角在5°～15°范围内选取，后角在8°～15°范围内选取。

在选择切削用量时，高温合金在切削过程中加工硬化严重，如果吃刀量过小，则刀刃在硬化层中车削，将进一步加剧硬化，使刀具磨损加快，降低刀具寿命。所以吃刀量不宜选择过小，通常粗车吃刀量在0.5~2mm范围内选取，精车在0.2~0.5mm范围内选取。在吃刀量确定后，切削力大小在经验值表中查取^[8]，然后通过式（1-7）计算刀具进给量，通过式（1-8）、（1-9）计算切削速度和主轴转速。

切削钢件时主切削力F_Z的经验公式为：

（1-7）

硬质合金刀具切削速度的经验公式为：

（1-8）

主轴转速的计算公式为：

（1-9）

式中，F_Z—主切削力F_Z，N；

V—切削速度，m/min；

n—主轴转速，r/min；

f—进给量，mm/r；

T—刀具寿命，min；最大生产率寿命为30min，经济寿命为60min；

D—工件直径，mm；

a_P—吃刀量，mm；

HB—工件材料的布氏硬度；

C_V、m、b、c、d、e、g—系数，可以在经验值表中查取^[8]；

3.结论

（1）本文给出钻削小直径孔钻头不折断的最大进给量的计算公式；

（2）加工薄壁零件宜将夹紧力沿工件轴向分布；

（3）本文给出车削薄壁零件进给量和转速计算公式；

通过上述对加工方法、装夹方式、刀具和切削参数计算进行工艺控制，有效的解决高温合金薄壁零件变形及加工精度不高等问题，实现了该结构零件的成熟加工。

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作者简介：冯绍富，男，籍贯山东泰安，毕业于燕山大学，工程师，主要从工艺技术研究工作。

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