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不銹鋼在抗蝕性和耐磨性方面具有優(yōu)勢(shì)，且不銹鋼成品的強(qiáng)度高、韌性大，廣泛應(yīng)用于機(jī)械裝備、模具等領(lǐng)域，該不銹鋼零件是某機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵部件，精度要求較高。
不銹鋼切削難度大，若以?xún)?yōu)質(zhì)碳素鋼45的可切削性為參考標(biāo)準(zhǔn)（設(shè)為1.0），則奧氏體不銹鋼304的可切削性約為0.37，不銹鋼是一種含鉻量大于12%或含鎳量大于8%的合金鋼，其導(dǎo)熱性能較差，加工過(guò)程中易出現(xiàn)粘刀、不易斷屑等問(wèn)題。由于不銹鋼導(dǎo)熱性能較差，其切削溫度比切削常規(guī)鋼種高，***高可達(dá)1000℃，加工時(shí)零件變形大，精度較難控制。實(shí)際切削過(guò)程中，鐵屑對(duì)熱量的攜帶***多是Fz（每刃進(jìn)給量）上下兩面，如果被加工材料具有理想的導(dǎo)熱性能，熱量就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)在Fz的表面?zhèn)鲗?dǎo)至內(nèi)部，將更多的機(jī)加工熱量帶走。不同的切削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響程度也不同，從大到小依次是切削速度、切削深度和進(jìn)給量，這和切削參數(shù)對(duì)切削力、切削溫度的影響規(guī)律一致，說(shuō)明切削參數(shù)對(duì)加工殘余應(yīng)力的影響同樣是通過(guò)機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)起作用的。因此，設(shè)置合理的切削參數(shù)對(duì)減少零件加工變形具有優(yōu)勢(shì)。不銹鋼燒焊變形大，焊縫區(qū)因應(yīng)力作用而開(kāi)始收縮，拉伸殘余應(yīng)力在焊接區(qū)產(chǎn)生，而壓縮殘余應(yīng)力被焊接區(qū)周邊區(qū)域承受，不銹鋼材料面臨不同程度的收縮變形。燒焊面積大、燒焊時(shí)間長(zhǎng)，燒焊工件變形現(xiàn)象相應(yīng)增多。
1零件設(shè)計(jì)優(yōu)化與制造工藝
01
優(yōu)化設(shè)計(jì)
圖1大型不銹鋼零件
公司由一群才華橫溢經(jīng)驗(yàn)豐富的熟練操作車(chē)、銑、磨、電火花、線切割、數(shù)控設(shè)備操作人員和經(jīng)驗(yàn)豐富的模具設(shè)計(jì)、裝配高級(jí)工程師組成的員工隊(duì)伍，全面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（PRE/UG./SLIDWORK）及計(jì)算機(jī)制造加工系統(tǒng)（CAD/CAE/CAM），運(yùn)用******的制造工藝和完善的質(zhì)量控制流程，北京鋁合金零件加工,北京軍工零件加工產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)格按照ISO9000質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
（a）整體備料
（b）分解備料
圖2整體備料和分解備料質(zhì)量差異
設(shè)計(jì)零件加工模型時(shí)，考慮其加工性，將大型零件的各形狀特征分解成若干實(shí)體模型，如圖1所示，分解后的構(gòu)件為A、B、C、D、E、F，分解后的構(gòu)件特征變得簡(jiǎn)單。分解前整體備料和分解后單件備料需用的材料進(jìn)行相比，分解備料可節(jié)約55.4%的材料，如圖2所示。被加工零件分解成單個(gè)簡(jiǎn)單的構(gòu)件，加工特征變簡(jiǎn)單，加工難度降低，去除體積也減少，加工工時(shí)、刀具使用量等生產(chǎn)成本都隨之減少，可降低制造成本，還可以避免數(shù)量較多的電極設(shè)計(jì)、電極加工、放電加工等。化整為零的設(shè)計(jì)方法可以降低零件加工成本、縮短加工周期，提高競(jìng)爭(zhēng)力。
02
制造工藝分析
被加工零件可分解成2個(gè)主體構(gòu)件A、B及較小的構(gòu)件C、D，還有多個(gè)加強(qiáng)筋E、F，共20多個(gè)構(gòu)件鑲接而成（見(jiàn)圖1）。加工該零件精度控制的難點(diǎn)：①主體構(gòu)件尺寸大、壁簿、去除體積大的特點(diǎn)，導(dǎo)致切削時(shí)間長(zhǎng)、應(yīng)力變形大，容易造成加工尺寸超差；②所有鑲接處都需要燒焊連接密封，燒焊區(qū)域大，加工的零件變形控制難。
圖3 零件技術(shù)要求
零件的裝備精度要求高，如圖3所示，要求***大平面的平面度為0.05mm，A構(gòu)件屬大型簿板類(lèi)，單件加工變形較大，燒焊鑲接后變形量更難預(yù)估；B構(gòu)件兩通槽側(cè)壁垂直90°、高度達(dá)425mm，垂直度要求為0.05mm，要達(dá)到圖紙技術(shù)要求，加工難度較大。
圖4 精度要求高的特征面
圖5 零件燒焊后P1面變形管控
根據(jù)以上分析，采用單個(gè)構(gòu)件精加工后，再燒焊鑲拼無(wú)法保證零件的公差要求，因此工藝制定時(shí)，單個(gè)構(gòu)件加工預(yù)留余量，設(shè)計(jì)銷(xiāo)釘（孔）定位、螺釘（孔）緊固，裝配一體后燒焊鑲拼，再精加工到要求的尺寸。零件上對(duì)精度要求高的特征，通過(guò)粗銑加工留余量、空冷時(shí)效、去余量加工管控變形的方法，釋放和消除單個(gè)工件的應(yīng)力變形。裝配后無(wú)法再加工的面和精度要求不高的特征按圖紙要求一次加工到位，再裝配鑲拼燒焊成整體構(gòu)件，***后對(duì)精度要求高、留余量的特征進(jìn)行精加工，如圖4所示。通過(guò)上述工藝方法可有效管控加工精度，對(duì)于無(wú)法管控的變形面，如圖5所示的P1大平面，燒焊后會(huì)變形且不可管控，但又有平面度要求，在滿(mǎn)足機(jī)械零件使用要求的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，根據(jù)實(shí)際使用需求增加P2小平面，燒焊變形后再精銑P2小平面，這樣既能使加工變得簡(jiǎn)單又能保證零件的加工技術(shù)要求和降低加工成本。
03
構(gòu)件加工
構(gòu)件B加工
（a）頂面
（b）底面
圖6 構(gòu)件B結(jié)構(gòu)
表1 粗銑的切削參數(shù)
注：Ap切削深度；Ae切削寬度；Vc切削速度；N轉(zhuǎn)速；Vf進(jìn)給速度；Q材料切除率。
構(gòu)件B如圖6所示，采用效率高的CNC加工。該構(gòu)件是粗銑切削難度較大的工件，70%材料需去除，且是深型腔加工，為降低排屑的難度，選擇臥式CNC機(jī)床加工，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況確定表1所示的加工參數(shù)，刀具的切削效率達(dá)到40min/次，可減少操作人員換刀頻率而提高加工效率。加工步驟如下。
（1）CNC機(jī)床粗銑加工375mm的高度，軸向留單邊余量2mm，工件四周外形面、兩通槽暫不加工。
（2）CNC機(jī)床粗銑加工四周外形面、兩通槽貫通，徑向、軸向留余量2mm/單邊。
（3）空冷時(shí)效處理48h。
（4）CNC機(jī)床精銑底面、銷(xiāo)釘孔、螺釘孔、倒角，底面精銑后用于和A構(gòu)件鑲拼。
（5）CNC機(jī)床四周側(cè)面精銑，加工各螺釘孔、銷(xiāo)釘孔，648mm×346mm×82mm的臺(tái)階面暫不加工，留后續(xù)裝配燒焊后再加工。
（6）裝配，鉗工通過(guò)銷(xiāo)釘及孔，組裝構(gòu)件A、B、C、D和加強(qiáng)筋后，進(jìn)行燒焊。
構(gòu)件A加工
圖7 構(gòu)件A結(jié)構(gòu)
構(gòu)件A屬于薄板型，如圖7所示，大直徑的銑刀切削加工時(shí)擠壓產(chǎn)生較大的力容易使構(gòu)件變形，為了減小變形風(fēng)險(xiǎn)和提高加工效率，選用D21mm的銑刀，快速去除余料。加工步驟如下。
（1）CNC機(jī)床粗加工正面、底面特征，徑向、軸向留單邊余量2mm；加工完成后，工件在無(wú)拘束狀態(tài)下，在機(jī)用千分表檢測(cè)平面度＜2mm為合格，可進(jìn)入下工序。
（2）空冷時(shí)效處理48h。
（3）檢測(cè)平面度＜2mm為合格，可進(jìn)入下工序。
（4）CNC機(jī)床加工正面，大平面精銑后軸向留余量0.1mm（后續(xù)磨削到***終尺寸）；加強(qiáng)筋的位置槽、銷(xiāo)孔加工到位，四周外形側(cè)面徑向留余量0.5mm。加工底面時(shí)工件***大外形四面分中為X0Y0，底面抬高0.1mm；6個(gè)M10mm沉臺(tái)螺紋孔加工到位，其余特征徑向、軸向留余量1mm/單邊加工。
（5）磨削底面見(jiàn)光，正面到***終尺寸（前工序留有0.1mm余量），頂平面磨削到***終尺寸，用于和構(gòu)件B、C、D、E、F鑲接。
（6）裝配，鉗工通過(guò)銷(xiāo)釘及孔，組裝構(gòu)件A、B、C、D、E、F和加強(qiáng)筋后，進(jìn)行燒焊。
小型構(gòu)件加工
圖8構(gòu)件C與D
圖9 加強(qiáng)筋組合模型
小型構(gòu)件C、D如圖8所示，精度要求低，組合燒焊前直接按圖紙加工到***終尺寸。加強(qiáng)筋E、F圖紙要求自由公差，多個(gè)加強(qiáng)筋構(gòu)件組合在一塊材料上備料，再用線切割加工成形，如圖9所示。
04
裝配焊接
圖10 構(gòu)件裝配
（a）底面
（b）頂面
圖11 裝配燒焊后零件
大型不銹鋼零件焊接過(guò)程中，由于難度較大，必須預(yù)估焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)的變形情況，提前采取預(yù)防措施進(jìn)行管控。該工序是將焊件進(jìn)行定位，利用設(shè)計(jì)的多個(gè)銷(xiāo)釘（銷(xiāo)孔）、螺釘（螺孔）將零件精準(zhǔn)地裝配并緊固，如圖10所示，保證各工件在焊接過(guò)程中位移***小及工件與工件之間的相對(duì)位置不變。焊接過(guò)程中需掌握焊接參數(shù)與方法、順序等，才能確保不銹鋼零件變形得以有效控制。裝配燒焊后進(jìn)行組合加工，如圖11所示，具體實(shí)施步驟如下。
（1）檢測(cè)底面平面度≤0.5mm為合格，可進(jìn)入下工序。
（2）CNC機(jī)床加工底面，構(gòu)件A***大外形四面分中為X0Y0，指定面為Z0，精銑***大外形、底平面，底面特征加工到***終尺寸；精銑通槽1/2高度到***終尺寸，如圖12所示。因?yàn)榱慵膬赏ú劭偢邽?25mm，R角為18mm，選D32mm圓鼻刀（硬質(zhì)合金防震刀桿），夾持后懸長(zhǎng)為215mm，加工1/2的槽高度保證刀具的剛性，才能保證***終加工尺寸精度，加工完后用千分表檢測(cè)通槽已精銑的側(cè)面，垂直度、平面度≤0.02mm為合格。加工頂面時(shí)，分中已精銑的通槽四側(cè)面為X0Y0，精銑接順剩余1/2高度通槽；加工圖5所示的P2小平面，P1大平面燒焊后變形較大、特征復(fù)雜，且已無(wú)裝配要求，不再進(jìn)行加工，加工完后用千分表檢測(cè)已精銑的兩通槽側(cè)面，垂直度、平面度≤0.02mm為合格。零件制作過(guò)程中引入過(guò)程檢驗(yàn)，對(duì)零件關(guān)鍵尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查確認(rèn)，對(duì)沒(méi)有加工到位或裝配不合理的部位及時(shí)予以修正，保證零件在加工下機(jī)前達(dá)到合格的要求。
（3）CNC精加工構(gòu)件A四周側(cè)面螺紋孔與構(gòu)件B的82mm臺(tái)階及螺紋孔。
（4）600砂紙拋光底大平面、兩通槽及底面特征，去除CNC銑削紋路。
2效果驗(yàn)證
（a）底面銑1/2通槽深度
（b）頂面銑1/2通槽深度
圖12 兩通槽加工
表面粗糙度和尺寸精度是質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中的2個(gè)重要參數(shù)，這2個(gè)參數(shù)從表面效果、幾何精度反映零件制造的好壞。通過(guò)以上加工工藝和批量零件加工驗(yàn)證，***終尺寸、粗糙度檢測(cè)數(shù)據(jù)均達(dá)到圖紙技術(shù)要求，特別是***難控制的圖11所示的底面大平面，平面度檢測(cè)數(shù)值均≤0.023mm，圖12所示的兩通槽四側(cè)的平面度和垂直度均＜0.05mm。由尺寸檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，此類(lèi)型的不銹鋼零件，通過(guò)上述工藝，可控制加工、燒焊所產(chǎn)生的變形，保證加工質(zhì)量。
大型不銹鋼零件加工時(shí)采用化整為零的分解方法，可有效降低零件的加工難度和減少加工變形，構(gòu)件上采取銷(xiāo)孔（釘）定位和螺孔（釘）緊固的措施，保證裝配精度和降低燒焊的變形；切削加工過(guò)程中，降低切削速度、切削深度、每刃進(jìn)給量可以保證不銹鋼材料切削順利進(jìn)行；分解的構(gòu)件單件加工時(shí)，留合適余量，裝配燒焊后組合再精加工，可以保證關(guān)鍵尺寸的精度。
▍原文作者：鐘曉鷗1，沙奉奎2，譚飛1
▍作者單位：1.珠海格力精密模具有限公司；2.格力智能裝備有限公司
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