环类薄壁零件数控车削工艺浅析

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摘要：阐述经过试验，采用合适的切削刀具、合理的工艺路线、优化的装夹方式和切削参数，通过本次加工探索，为其他2Cr15Mn15Ni2N抗磁不锈钢材料的薄壁零件车削刀片的选择提供借鉴。

关键词：数控车削，工艺路线，切削参数。

0引言

薄壁类零件因具有重量轻等特点广泛应用在精密零件中，但由于圆环类薄壁类不锈钢零件刚性差，在加工中极易变形，造成尺寸公差、形位公差超差，不易保证零件的加工质量，圆环类薄壁类零件的加工是车削中比较棘手的问题。本文中某环类薄壁件采用2Cr15Mn15Ni2N抗磁不锈钢材料，切削性较差，加工难度大。为了有效克服薄壁类零件在加工过程中的变形，保证加工精度，提高薄壁类零件合格率，本文阐述分析、试验过程，对该零件的加工工艺路线、装夹方式、刀具选用、切削参数确认、程序编制等进行了研究总结，为这类零件的加工提供借鉴，具有实际的生产意义。

1零件的结构特点

某环类零件是用于某型产品舱体连接处的重要零件之一，设计要求高，加工难度大。材料为抗磁不锈钢，尺寸多、精度高，特别是形位公差要求极多，易变形，零件结构具有直径大、薄壁长等特点，加工难度大，加工质量难于控制等特点，导致加工成本高、加工效率低，是生产上的一个瓶颈。该零件壁厚只有0.7mm，且内孔上有非标准的M80×0.75mm螺纹。该零件为典型薄壁结构零件，去除余量较大，如果用常规工艺夹持方式恐怕很难防止变形，给零件加工带来困难。主要技术要求：某圆环零件尺寸精度均有较高要求，一般各孔的同轴度要求0.02mm，圆度要求0.02mm，孔径与端面垂直度要求0.02mm，孔径尺寸公差0.12～0.2mm。

2加工难点及分析

2.1加工难点

薄壁零件机械加工变形是多年来困扰机械加工行业的难题。在生产实践中，薄壁零件的变形是多种多样的，既有体积和尺寸的胀大和收缩变形，也有弯曲，扭曲等畸形变形，原因有零件的形状结构、材料内应力、夹紧力、切削力和切削热等。车削加工不锈钢时因其塑性变形大，刀具摩擦严重，切削热产生多，加工质量难于控制，导致加工效率低下。况且零件属于薄壁零件，变形的控制非常困难。具体问题如下：（1）零件采用2Cr15Mn15Ni2N抗磁不锈钢为原材料，切削过程材料弹性变形较大，刀具磨损快、产品精度及表面质量难以保证。（2）零件为环类薄壁直筒结构，装夹定位难以实现。该零件壁厚只有0.7mm，普通装夹方式非常容易引起零件变形，φ0.03mm同轴度、0.01mm端面跳动及0.06mm公差的孔径保证困难。原零件加工工艺文件通过制作专用工装，虽能勉强够保证产品合格率。但是产品质量不稳定，且专用工装应用不方便，一道工序加工中需要反复拆卸，严重制约了生产效率。

2.2问题分析

材料弹性变形大，刀具磨损比较严重。该零件材料选用2Cr15Mn15Ni2N抗磁不锈钢，切削加工性较差，甚至一定程度上难于钛合金材料加工。在切削过程中，为克服材料的弹性变形，刀具与零件之间摩擦大部分转化为切削热，造成零件各部位温度不均，最终零件产生变形，对尺寸精度产生很大影响，有时甚至会使零件卡死在夹具上。在生产过程中每个刀片只能加工10余个零件，给生产成本造成极大的压力，同时零件由于热变形卡死在夹具上的事情时有发生，降低了零件的生产效率，在生产安全上也存在隐患。薄壁零件加工及装夹时容易引起变形。薄壁零件在加工过程中去除余量较大，车削加工过程容易让刀，会产生变形。该零件壁厚只有0.7mm，在加工内孔过程中时，采用普通三爪夹持外圆柱面，在夹紧力的作用下，会略微变成三角形，但镗孔后得到的是一个圆柱孔。当松开卡爪，取下零件后，由于弹性恢复，外圆恢复成圆柱形，内孔则变成弧形三角形。所以同轴度、端面跳动及孔径保证困难。原工艺路线烦琐，工装应用拆卸不方便，影响加工效率。零件原工艺路线方案由5道数控车工序反复调换夹头完成零件加工，工艺加工方案烦琐，并且第三道工序精加工阶段产品加工过程中要先使用工装1和工装2配合轴向压紧零件端面加工零件内孔，内孔加工后要暂停机床运行，将第3套工装压紧在零件内孔台阶端面与工装1配合，再拆卸工装2，完成外圆的加工，零件工装在加工过程中的拆卸，严重影响加工效率。

3采取的工艺措施

选择合适切削刀具。合适的刀具直接影响零件表面的加工光洁度，且对于产品保证尺寸精度，提升加工效率有着重要影响。本文通过选取多种刀片进行多组试验，最终采用IC908系列刀片作为粗加工，GC1025和GC2025系列刀片作为精加工。合理的安排走刀进给路线。由于零件为薄板零件，切削量大，零件易产生应力，所以零件加工分粗车、精车阶段。粗车工序时，以去除外圆、内孔余量为主，尽量满足精加工前余量均匀要求。但要在加工时注意控制切削力与夹紧力的大小，以避免零件产生新的应力，影响零件精车工序；精车时，切削量要小，重点以控制零件精度、减小零件变形为主。进给路线的安排要充分发挥数控车床能加工复杂形面的优势，进给路线要与零件刚度较好的方向平行。合理优化工艺路线。工艺方案将原加工工艺5道数控车工序缩短为安排3道，特别是原工艺第4和第5工序中为了保证尺寸精度采用顶尖顶紧方式加工，对薄壁零件的变形影响极大，同时由于多次转换工艺基准，给形位公差的保证带来了不稳定，新方案采用优化工装，降低了不稳定性。且采用先粗加工再精加工的方式，避免了应力得不到完全释放而引起的零件变形。确定合理的切削参数。采用该工艺路线后，进行了多组切削试验，确定了合理的切削用量（见表1），避免了大吃刀量引起机床震动引起的变形，也避免了太小切削用量带来的经济效益低下问题。试验数据分析：第一组试验数据采用了大切削深度，刀具磨损非常严重，加工2件零件刀具就不行了；第二组数据适当的减小切削深度，刀具磨损还是比较严重，加工6件零件后，刀具已经不能再使用；第三组数据大大降低切削深度，刀具磨损减轻，但是效率较低；第四组试验，适当加大切削深度，在保证产品质量和经济性的前提下，提高了切削效率。当前采用的第四组数据，一个刀片可以完成约25件产品的加工。

4结语

2Cr15Mn15Ni2N抗磁不锈钢材料的薄壁精密零件采用以上工艺改进后，减少了刀具损耗，节约了成本，提高了零件表面质量。尤其是经过工艺路线和切削参数的优化改进，使得该类零件的加工效率和质量得到了极大的改善，增强了零件生产的稳定性。经过统计，在试制初始阶段，该零件每批50件的数控车加工周期在15天，且加工质量不稳定，刀具磨损也很厉害，大约10件零件就要重新换新刀片。本文经过研究试验，通过采用合适的切削刀具、合理的工艺路线、优化的装夹方式和切削参数，每批产品的加工周期缩短到了7天，效率提高了一倍，一次更换刀片可加工近25个零件，且零件质量稳定，多批次零件合格率均达到98%以上。同时，通过本次加工探索，为其他2Cr15Mn15Ni2N抗磁不锈钢材料的薄壁零件车削刀片的选择提供了借鉴，不仅能改善该类零件加工的经济性，更提高了加工效率和质量稳定性，取得了良好的效果，对同行业类似产品有一定借鉴意义。

参考文献

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作者:刘大伟 单位:中国空空导弹研究院