不锈钢花盘座加工工艺改进研究

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摘要：论述了一种真空电子束焊机不锈钢花盘座零件的工艺路线。通过分析不锈钢零件的加工难点和加工方法，结合真空电子束焊机不锈钢花盘座自身结构特点，对其加工工艺路线进行改进提升，解决了实际生产中遇到的问题，提高了生产效率，具有一定的实际工程意义。

关键词：花盘座；不锈钢；工艺路线

真空电子束焊接作为一种较为先进的特种焊接技术，以能量密度高、焊缝窄、熔深大、热影响区小以及控制精准等优点[1]，广泛应用于原子能、航空航天等国防高端制造领域，且正逐步应用于汽车制造等民用机械领域。随着真空技术、高压电源技术以及数控技术的不断完善，真空电子束焊接设备及工艺取得了较快的发展。中国航空制造技术研究院对真空电子束焊接技术进行了较为深入的研究，设计研发了一系列真空电子束焊接设备，并在多领域成功应用。其中，转台中主要零件花盘座的材料为不锈钢（1Cr18Ni9Ti）。该材料加工过程中不会产生剩余磁性，能够有效避免磁涡流对电子束偏移的影响，但切削加工性较差，给零件加工造成了一定的困难[2]。

1零件分析

图1为花盘座的三维模型。图2为花盘座图纸。花盘座位于真空室内部，是电子束焊接过程中起旋转作用的重要零件，内腔深度为140mm，外形较为复杂。各孔位及外圆加工精度要求较高，有同轴度等精度要求，且花盘座在实际加工过程中受材料、刀具、机床等多种因素影响，总体加工较为困难。花盘座加工成型后的质量约为140kg，毛坯质量约为390kg。毛坯质量较大，不利于零件加工过程中的装夹、转运，因此加工、转运时需谨慎操作，避免造成加工超差和安全事故。需要说明的是，图2中的数据单位均为mm。

2工艺分析

该真空电子束焊接设备花盘座由整块不锈钢原料加工而成，加工精度较高，且加工余量较大，必须按照粗加工、半精加工、精加工分开原则进行加工。原料加工余量较大，在粗加工中切除的金属较多，多选用大进给量、大吃刀量加工，因而夹紧力、切削力都较大，产生的切削热较多。加之粗加工后工件表面会产生严重的加工硬化现象，工件内部应力会重新分布，造成工件产生形变，影响加工精度。因此，在加工过程中需把粗加工和精加工分开。在粗加工后进行热处理，有利于把加工后由于各种原因引起的工件变形充分暴露出来，从而在精加工中予以消除，并且能够充分释放工件内应力，减少对后续精加工的影响，提高最终的加工精度及其稳定性[3]。同时，应考虑尽量使工序集中，即在一台机床上一次装夹中尽可能多地完成加工工作量，以减少重复装夹和找正所产生的误差，同时减少转运次数，提高生产效率和生产过程安全性。

3工艺更改

3.1镗床到铣床的更改

3.1.1镗床加工存在的问题真空电子束焊接设备花盘座质量较大，不利于零件的装夹、转运，因此加工时单人进行操作较为困难。考虑到这个原因，其中一步工序确定在定机为两人的TM6112镗床上进行加工。实际试生产中，加工时间远高于其他工序。对此步瓶颈工序深入研究分析后发现，镗床加工花盘座主要存在以下难点。第一，刀具切削不锈钢零件时产生的热量较高，而镗床缺少冷却系统，不能及时散出切削热而积累在零件与刀具表面，致使零件及刀具温度迅速升高产生积屑瘤。刀具在加工过程中相当于发生退火，大大缩短了其使用寿命。第二，镗床主轴较细，刚度较差，且加工过程中需要悬伸出来，无法满足大余量切削时的切削力要求。加工时会产生较大变形，甚至会产生振动，直接影响工件的形状和尺寸精度，同时会对自身主轴精度产生不良影响。第三，镗床加工时，刀具靠锥柄装插在镗床主轴上。加工过程中，锥柄与锥孔配合所得到的摩擦力不能克服铣削时所产生的切削扭矩时，会使铣刀受切削力影响而出现打滑、崩齿、折断等现象，严重时甚至损坏镗床锥孔，影响镗床主轴精度。这些现象会严重影响加工精度和加工效率。3.1.2解决方法——铣床加工为了解决上述问题，同时避免刀具松动而损坏镗床的主轴锥孔及精度，决定将此步工序拆分，即侧面孔位仍由镗床加工，而具有大余量的外形、型腔改为铣床加工。铣床主轴与镗床主轴结构不同，铣床主轴为通孔，可以通过拉紧螺杆将铣刀拉紧来增大铣刀的切削刚性，有效克服镗床加工过程中的缺点。此外，在实际加工过程中，为单人单机的铣床再安排一人辅助操作，以保证加工过程中的安全性。在确定将镗床工序拆分为镗床、铣床加工后，结合实际生产条件，在加工过程中还解决了以下问题。第一，选择合适的刀具。由于切削力较大，切屑与前刀面接触很短，切削力集中在刀刃附近，容易产生崩刃现象，因此刀具材料不易采用强度低、脆性大的YT类硬质合金。此外，YT类硬质合金中的钛元素与工件材料中的钛元素发生亲和会导致冷焊，在高温下还会加剧扩散磨损。查找相关资料发现，在生产中选用带涂层的硬质合金来切削不锈钢材料，能显著提高切削性能，如YB125、YB215、YB415和YB435等[4-5]。但是，由于生产条件限制，试生产条件下车间并不具备这些刀具。实际中尝试选择了综合性能良好的YW类合金刀具。该类刀具导热性较好，有利于热量传导，降低切削温度。刀片安装方式为在Φ120mm刀盘上隔一个齿装一个刀片，增大容屑空间，改善排屑条件。调整刀片，使刀片切削部分位于同一平面，保证每个切削刃的切削负荷均匀。将铣刀盘装在主轴上，用拉紧螺杆把铣刀拉紧。第二，选择合适的冷却方式。在相同的切削参数下，使用冷却润滑液会大大减小铣削力，提高刀具切削性能，延长刀具的使用寿命。硬质合金刀具铣削过程中突然受冷时容易碎裂，这就要求冷却时要有足够、连续的润滑液，而不能采用刷冷却液的方法。在实际加工过程中使用机床现有的煤油作冷却润滑，连续不间断供给，取得了较好的效果。第三，选择合适的切削参数。切削速度除考虑机床不产生振动外，还要考虑使切削温度控制在合理范围，以保证刀具的使用寿命。切削不锈钢零件的速度较普通钢材要小很多，且应选择合适的进给量。进给量过大，则切削负荷过大；进给量过小，则切削刃会在上次走刀所形成的冷硬层内工作，致使刀具磨损严重，影响切削精度及刀具寿命。吃刀量应尽可能选大些，以避免毛坯的外皮或前道工序留下的加工硬化层对刀具的影响[6]。在实际加工过程中，机床转速为75r·min-1，进给速度为30mm·min-1，分两次去除余量。

3.2镗床到车床的更改

考虑到重复装夹和找正会产生较大误差，工序原本安排在镗床上集中进行内孔及Φ140、Φ140k6外圆的加工，这样在一台机床上一次装夹中尽可能多地完成加工工作量，符合工序集中的原则。在实际镗床加工过程中，因加工面（A1、A2面）较深，刀杆悬伸长度较长，刚性差，切削中容易产生振动，切削质量较差。镗床刀头径向吃刀量无刻度标识，进刀不易控制，加工Φ140k6外圆时需多次试刀，实际加工困难较大，时间较长。综合考虑后，这些加工内容改由车工加工。车床加工是利用工件的旋转运动和刀具的移动来车削外圆，是一种最常见、最基本的外圆加工方法，且排屑通畅，能够获得较高的加工质量。经过深入分析，Φ140、Φ140k6外圆处有2-Φ120/Φ60H7孔，将孔口倒角改为60°，完全可以做车工加工的顶尖孔使用。若镗床将Φ140、Φ140k6外圆加工一段（10mm左右），再由车床找正进行加工，此时虽有重装夹、找正，但考虑实际情况及效率，加工过程中此方法能够保证花盘座图纸中的同轴度要求，且实际加工后表面粗糙度较小，相较镗床加工效率高、效果好。因此，在实际加工过程中综合考虑，将此工序拆分，由镗床加工完内孔后，在孔口倒角60°，轴向深度2mm，作为车工顶尖孔，再镗Φ140、Φ140k6外圆见光10mm，用于车床找正，A1面和A2面不加工。装在车床上，夹一端顶一端，找正外圆在精度范围内，再车外圆、A1面和A2面。

4结语

编制不锈钢零件的工艺时，应该根据其特性合理选择刀具材料、刀具参数、切削参数及有效的冷却方式，以减少刀具的磨损，提高加工表面的质量和切削效率[7]。在实际加工过程中，应根据生产条件和机床特点选择合适的加工方法。在普通镗床上通常不作铣削加工，如果工艺中无法避免，则镗床主轴悬伸得越短越好。铣削用量应选较小值，刀具锥柄不能有凹痕等缺陷。刀具锥柄与主轴锥孔的配合精度要高，以提高刀具安装的牢固程度。镗床不适合外圆加工，因为刀杆呈悬伸状态时刚性较差。一般来说，在镗床上加工的外圆面长度较短，加工精度低于孔的加工精度。外圆加工应尽量使用车床，如果必须使用镗床，应尽可能缩短刀杆的悬伸长度，从而提高刀杆的刚性。此外，大型零件在单人单机机床加工时，应根据安全生产需要适当安排两人操作，以保证安全性。

参考文献

[1]闫晓锋.真空电子束焊在我国航空机载设备上的应用及发展趋势[J].航空制造技术，2005（9）：90-91.

[2]刘国孝，刘国忠，刘斌恒，等.不锈钢切削加工研究进展[J].兵器材料科学与工程，2016（6）：128-130.

[3]李泉华.热处理技术400问解析[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4]赵亮培.不锈钢切削加工中刀具切削参数的合理选择[J].机床与液压，2010（16）：107-108.

[5]郑文虎，张玉林，詹明荣.难切削材料加工技术问答[M].北京：北京出版社，2001.

[6]徐耀信.机械加工工艺及现代制造技术[M].成都：西南交通大学出版社，2005.

[7]李萍.影响不锈钢加工的几点因素[J].组合机床与自动化加工技术，2008（11）：83-85.

作者：刘拓 付文柱 单位：中国航空制造技术研究院