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大型不锈钢零件的加工方法

时间:2020-11-10   来源:《模具工业》   作者:钟晓鸥,沙奉奎,谭飞   浏览次数:330

钟晓鸥1,沙奉奎2,谭飞1

(1.珠海格力精密模具有限公司;2.格力智能装备有限公司)

摘要:分析了不锈钢材料难切削、变形大的特性,针对大型不锈钢零件难加工及精度较难控制的问题,采取大型零件分解成若干实体模型的方法,实现了大型零件的简单加工,降低了材料成本和加工难度。单件加工完成后再装配成整体,通过焊接工艺连接,最后对关键特征尺寸进行精加工。实际生产应用表明,该方法可实现对大型不锈钢零件加工精度的管控,满足其技术要求。

关键词:不锈钢;切削;焊接;线切割;加强筋

 

0 引言

不锈钢在抗蚀性和耐磨性方面具有优势,且不锈钢成品的强度高、韧性大,广泛应用于机械装备、模具等领域,该不锈钢零件是某机械设备关键部件,精度要求较高。

不锈钢切削难度大,若以优质碳素钢45的可切削性为参考标准(设为1.0),则奥氏体不锈钢304的可切削性约为0.37[1],不锈钢是一种含铬量大于12%或含镍量大于8%的合金钢,其导热性能较差,加工过程中易出现粘刀、不易断屑等问题。由于不锈钢导热性能较差,其切削温度比切削常规钢种高,最高可达1000℃,加工时零件变形大,精度较难控制。实际切削过程中,铁屑对热量的携带最多是Fz(每刃进给量)上下两面,如果被加工材料具有理想的导热性能,热量就会在短时间内在Fz的表面传导至内部,将更多的机加工热量带走[2]。不同的切削参数对残余应力的影响程度也不同,从大到小依次是切削速度、切削深度和进给量,这和切削参数对切削力、切削温度的影响规律一致,说明切削参数对加工残余应力的影响同样是通过机械效应和热效应起作用的[3]。因此,设置合理的切削参数对减少零件加工变形具有优势。不锈钢烧焊变形大,焊缝区因应力作用而开始收缩,拉伸残余应力在焊接区产生,而压缩残余应力被焊接区周边区域承受,不锈钢材料面临不同程度的收缩变形[4]。烧焊面积大、烧焊时间长,烧焊工件变形现象相应增多。

1 零件设计优化与制造工艺

1.1 优化设计

图1 大型不锈钢零件

图2 整体备料和分解备料质量差异

设计零件加工模型时,考虑其加工性,将大型零件的各形状特征分解成若干实体模型,如图1所示,分解后的构件为A、B、C、D、E、F,分解后的构件特征变得简单。分解前整体备料和分解后单件备料需用的材料进行相比,分解备料可节约55.4%的材料,如图2所示。被加工零件分解成单个简单的构件,加工特征变简单,加工难度降低,去除体积也减少,加工工时、刀具使用量等生产成本都随之减少,可降低制造成本,还可以避免数量较多的电极设计、电极加工、放电加工等。化整为零的设计方法可以降低零件加工成本、缩短加工周期,提高竞争力。

1.2 制造工艺分析

被加工零件可分解成2个主体构件A、B及较小的构件C、D,还有多个加强筋E、F,共20多个构件镶接而成(见图1)。加工该零件精度控制的难点:①主体构件尺寸大、壁簿、去除体积大的特点,导致切削时间长、应力变形大,容易造成加工尺寸超差;②所有镶接处都需要烧焊连接密封,烧焊区域大,加工的零件变形控制难。

图3 零件技术要求

零件的装备精度要求高,如图3所示,要求最大平面的平面度为0.05mm,A构件属大型簿板类,单件加工变形较大,烧焊镶接后变形量更难预估;B构件两通槽侧壁垂直90°、高度达425mm,垂直度要求为0.05mm,要达到图纸技术要求,加工难度较大。

图4 精度要求高的特征面

图5 零件烧焊后P1面变形管控

根据以上分析,采用单个构件精加工后,再烧焊镶拼无法保证零件的公差要求,因此工艺制定时,单个构件加工预留余量,设计销钉(孔)定位、螺钉(孔)紧固,装配一体后烧焊镶拼,再精加工到要求的尺寸。零件上对精度要求高的特征,通过粗铣加工留余量、空冷时效、去余量加工管控变形的方法,释放和消除单个工件的应力变形。装配后无法再加工的面和精度要求不高的特征按图纸要求一次加工到位,再装配镶拼烧焊成整体构件,最后对精度要求高、留余量的特征进行精加工,如图4所示。通过上述工艺方法可有效管控加工精度,对于无法管控的变形面,如图5所示的P1大平面,烧焊后会变形且不可管控,但又有平面度要求,在满足机械零件使用要求的前提下,优化设计模型,根据实际使用需求增加P2小平面,烧焊变形后再精铣P2小平面,这样既能使加工变得简单又能保证零件的加工技术要求和降低加工成本。

1.3 构件加工

1.3.1 构件B加工

图6 构件B结构

构件B如图6所示,采用效率高的CNC加工。该构件是粗铣切削难度较大的工件,70%材料需去除,且是深型腔加工,为降低排屑的难度,选择卧式CNC机床加工,据现场工况确定表1所示的加工参数,刀具的切削效率达到40min/次,可减少操作人员换刀频率而提高加工效率。

加工步骤如下。

(1)CNC机床粗铣加工375mm的高度,轴向留单边余量2mm,工件四周外形面、两通槽暂不加工。

(2)CNC机床粗铣加工四周外形面、两通槽贯通,径向、轴向留余量2mm/单边。

(3)空冷时效处理48h。

(4)CNC机床精铣底面、销钉孔、螺钉孔、倒角,底面精铣后用于和A构件镶拼。

(5)CNC机床四周侧面精铣,加工各螺钉孔、销钉孔,648mm×346mm×82mm的台阶面暂不加工,留后续装配烧焊后再加工。

(6)装配,钳工通过销钉及孔,组装构件A、B、C、D和加强筋后,进行烧焊。

1.3.2 构件A加工

图7 构件A结构

构件A属于薄板型,如图7所示,大直径的铣刀切削加工时挤压产生较大的力容易使构件变形,为了减小变形风险和提高加工效率,选用D21mm的铣刀,快速去除余料。

加工步骤如下。

(1)CNC机床粗加工正面、底面特征,径向、轴向留单边余量2mm;加工完成后,工件在无拘束状态下,在机用千分表检测平面度<2mm为合格,可进入下工序。

(2)空冷时效处理48h。

(3)检测平面度<2mm为合格,可进入下工序。

(4)CNC机床加工正面,大平面精铣后轴向留余量0.1mm(后续磨削到最终尺寸);加强筋的位置槽、销孔加工到位,四周外形侧面径向留余量0.5mm。加工底面时工件最大外形四面分中为X0Y0,底面抬高0.1mm;6个M10mm沉台螺纹孔加工到位,其余特征径向、轴向留余量1mm/单边加工。

(5)磨削底面见光,正面到最终尺寸(前工序留有0.1mm余量),顶平面磨削到最终尺寸,用于和构件B、C、D、E、F镶接。

(6)装配,钳工通过销钉及孔,组装构件A、B、C、D、E、F和加强筋后,进行烧焊。

1.3.3 小型构件加工

小型构件C、D如图8所示,精度要求低,组合烧焊前直接按图纸加工到最终尺寸。

图8 构件C与D

图9 加强筋组合模型

加强筋E、F图纸要求自由公差,多个加强筋构件组合在一块材料上备料,再用线切割加工成形,如图9所示。

1.4 装配焊接

图10 构件装配

大型不锈钢零件焊接过程中,由于难度较大,必须预估焊接过程中可能出现的变形情况,提前采取预防措施进行管控。该工序是将焊件进行定位,利用设计的多个销钉(销孔)、螺钉(螺孔)将零件精准地装配并紧固,如图10所示,保证各工件在焊接过程中位移最小及工件与工件之间的相对位置不变。焊接过程中需掌握焊接参数与方法、顺序等,才能确保不锈钢零件变形得以有效控制。

图11 装配烧焊后零件

装配烧焊后进行组合加工,如图11所示,具体实施步骤如下。

(1)检测底面平面度≤0.5mm为合格,可进入下工序。

(2)CNC机床加工底面,构件A最大外形四面分中为X0Y0,指定面为Z0,精铣最大外形、底平面,底面特征加工到最终尺寸;精铣通槽1/2高度到最终尺寸,如图12所示。因为零件的两通槽总高为425mm,R角为18mm,选D32mm圆鼻刀(硬质合金防震刀杆),夹持后悬长为215mm,加工1/2的槽高度保证刀具的刚性,才能保证最终加工尺寸精度,加工完后用千分表检测通槽已精铣的侧面,垂直度、平面度≤0.02mm为合格。加工顶面时,分中已精铣的通槽四侧面为X0Y0,精铣接顺剩余1/2高度通槽;加工图5所示的P2小平面,P1大平面烧焊后变形较大、特征复杂,且已无装配要求,不再进行加工,加工完后用千分表检测已精铣的两通槽侧面,垂直度、平面度≤0.02mm为合格。零件制作过程中引入过程检验,对零件关键尺寸进行实时检查确认,对没有加工到位或装配不合理的部位及时予以修正,保证零件在加工下机前达到合格的要求[5]

(3)CNC精加工构件A四周侧面螺纹孔与构件B的82mm台阶及螺纹孔。

(4)600#砂纸抛光底大平面、两通槽及底面特征,去除CNC铣削纹路。

2 效果验证

图12 两通槽加工

表面粗糙度和尺寸精度是质量评价指标中的2个重要参数,这2个参数从表面效果、几何精度反映零件制造的好坏。通过以上加工工艺和批量零件加工验证,最终尺寸、粗糙度检测数据均达到图纸技术要求,特别是最难控制的图11所示的底面大平面,平面度检测数值均≤0.023mm,图12所示的两通槽四侧的平面度和垂直度均<0.05mm。由尺寸检测数据可知,此类型的不锈钢零件,通过上述工艺,可控制加工、烧焊所产生的变形,保证加工质量。

 

3 结束语

大型不锈钢零件加工时采用化整为零的分解方法,可有效降低零件的加工难度和减少加工变形,构件上采取销孔(钉)定位和螺孔(钉)紧固的措施,保证装配精度和降低烧焊的变形;切削加工过程中,降低切削速度、切削深度、每刃进给量可以保证不锈钢材料切削顺利进行;分解的构件单件加工时,留合适余量,装配烧焊后组合再精加工,可以保证关键尺寸的精度。

参考文献:

[1]何耿煌,邹伶俐,李凌祥,等.不锈钢可加工性分析及其高效切削刀具技术研究[J].机床与液压,2016,44(13):57-62.

[2]王纪来,曹媛媛,肖丽媛.双相不锈钢切削加工工艺[J].内燃机与配件,2018(8):126-127.

[3]罗永顺,覃孟扬,李玉忠.不锈钢切削残余应力实验研究[J].现代制造工程,2014(3):79-81.

[4]阮波.试析焊接工艺对不锈钢焊接变形的影响[J].中国设备工程,2019(16):164-165.

[5]尧军.提高汽车模具零件加工精度与效率的方法[J].模具工业,2016,42(6):67-74.

 
 
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