對不銹鋼薄壁套筒零件加工的探討

尹風婷

（青島市技師學院，山東 青島 266229）

薄壁套筒是機械零件中較為常見的零件，也是大型考試中?？純热荨１”谔淄驳募庸ひ恢笔莻€難題，由于薄壁套筒的壁厚較薄，加工過程中容易出現(xiàn)振動、加工變形、尺寸難以掌握等問題。要想解決這一系列的問題，我們就要從工件的材料、工件的裝夾、選擇的設備、刀具的幾何參數(shù)、切削用量的選擇等方面進行分析，合理選擇相應的加工方法和加工工藝，從而做到有效克服薄壁套筒在加工過程中出現(xiàn)的問題，保證加工精度和表面粗糙度。本文主要從普通車床的角度來論述不銹鋼薄壁套筒零件的加工。

1 薄壁套筒零件圖樣

青島海途工業(yè)科技有限公司需要生產(chǎn)圖1 所示的零件，材料為不銹鋼，生產(chǎn)數(shù)量為10 件。本圖紙是展示的一個具有代表性的薄壁套筒，薄壁套內孔尺寸為?44+0.013mm， 外 圓 為?46-0.015mm， 長 度41±0.1mm， 壁厚1mm，表面粗糙度要求達到Ra1.6μm，外圓相對于基準A 同軸度要求0.03mm，軸肩相對于基準B 垂直度要求0.02mm，該零件長度比較短，壁厚較薄。

圖1 薄壁套筒圖紙

2 薄壁套筒零件的技術要求

在機械制造行業(yè)中，通常把壁厚不足其直徑的1/15的零件稱為薄壁零件，該類零件的特點是：直徑大，壁薄，形位精度、尺寸精度要求較高，薄壁套筒類零件屬于回轉體，其加工方法主要以車削為主。在加工之前我們首先要弄明白薄壁套筒零件在產(chǎn)品中的位置及作用，這樣才能更好地保證產(chǎn)品加工質量。根據(jù)各主要表面在機器中所起的作用不同，其技術要求也有所不同。主要從內孔、外圓及各表面的位置精度來體現(xiàn)。

（1）內孔的技術要求。內孔是薄壁套筒零件起支撐或導向作用的最主要的表面，通常與運動著的軸或活塞相配合，其直徑尺寸精度一般為IT7 公差等級，精密軸承套為IT6 公差等級。形狀公差一般控制在孔徑公差以內，較精密的套筒應控制在孔徑公差的1/3 ～1/2。為保證套筒零件的使用要求，內孔表面粗糙度值為Ra1.6μm。

（2）外圓的技術要求。外圓表面通常以過盈或過渡配合與箱體或機架上的孔相配合，起支撐作用，其直徑尺寸精度一般為IT6—IT7 公差等級，形狀公差應控制在外徑公差以內，零件的表面粗糙度值為Ra1.6μm。

（3）各表面間的位置精度。套筒在裝配前進行最終加工，內孔對外圓的同軸度要求較高，一般為0.01 ～0.05mm，本套筒端面在工作中承受軸向載荷，作為定位基準或裝配基準，這時端面與孔軸線有較高的垂直度或端面圓跳動要求，一般為0.02 ～0.05mm。

3 薄壁套筒的裝夾

（1）同軸度要求較高且較短的薄壁套的裝夾方法。對于這類薄壁套的裝夾通常采用的是三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤，設備使用的是CA6140、CD6140A 等車床。為了保證內、外圓的同軸度，應在一次裝夾過程中把內、外圓及端面都加工完畢，這種方法不存在因安裝而產(chǎn)生的定位誤差，可獲得較高的幾何精度。車削薄壁套要分粗精車，粗車后根據(jù)實際情況可以考慮先加工零件外圓，將外圓尺寸加工好后，再車削內孔，車削內孔時軸向力較大，徑向力要比車外圓時小，能有效減少振動。如果先車削內孔后再車削外圓，車削外圓時會產(chǎn)生振動，這時可以采用增加心軸，用后頂尖輕輕頂住的裝夾方式，使內孔有個支撐，能相應減少振動。這種車削方法切削用量根據(jù)加工性質不同要經(jīng)常變換，尺寸較難掌握，適合于單件、小批量生產(chǎn)中。本零件因為壁厚較薄，外圓無法裝夾，所以采用在一次裝夾中加工完成后直接切斷保證總長即可。

（2）以內孔為基準的裝夾方法。用已加工好的內孔作為定位基準時，需根據(jù)內孔配制一根合適的心軸，再將裝夾工件的心軸支撐在車床上。心軸可采用脹力心軸或實體心軸，實體心軸有不帶臺階心軸和帶臺階心軸兩種。不帶臺階的實體心軸又稱小錐度心軸，其錐度C=1:1000～1:5000，這種心軸制造容易，定心精度高，但軸向無法定位，承受切削力小，裝卸不太方便；帶臺階心軸的配合圓柱面與工件孔保持較小的間隙配合，工件靠螺母壓緊，特別適合一次裝夾多個零件，裝卸方便，定心精度較低。脹力心軸依靠材料彈性變形所產(chǎn)生的脹力來固定工件，裝拆方便，定心精度高，應用廣泛。

4 薄壁套筒的材料特點

本零件采用的是不銹鋼，也有的套筒材料使用鋼、鑄鐵、青銅或黃銅。不銹鋼材質特殊，不銹鋼的物理性能和力學性能會給車削帶來很多困難，加工難度較大。

（1）不銹鋼材料強度高、韌性大，車削時切削力較大，切削變形大，產(chǎn)生的切削熱很大。不銹鋼在高溫下能夠保持較高的強度和硬度，同時導熱性較差，被切屑帶走的熱量較少，車刀切削時一直會處在一個高溫下車削的狀態(tài)，使刀具的磨損加劇。（2）不銹鋼粘附性強，車削過程中產(chǎn)生粘附性切屑，容易形成積屑瘤。不銹鋼的粘附性切屑韌性大，不容易折斷，會造成斷屑困難甚至纏繞到工件上，使被加工表面出現(xiàn)撕扯現(xiàn)象，獲得較低的表面粗糙度比較困難，同時會加劇刀具磨損。（3）加工不銹鋼薄壁套筒時易變形，而且易產(chǎn)生振動，刀具易磨損，我們要采用在不斷冷卻及降溫條件下進行加工的辦法，以保證刀具鋒利。

5 薄壁套的車削刀具

材料為不銹鋼，長度41mm，壁厚1mm，表面粗糙度要求達到Ra1.6μm。該工件在車削時因壁厚較薄，在車削時刀具選用不當會產(chǎn)生振動，從而影響尺寸精度和表面粗糙度。為了更好的找到適合加工本工件的刀具，我們選用了三種不同刀具進行加工，以便最終找到能使尺寸精度、表面粗糙度、生產(chǎn)率都達到要求的刀具。

（1）普通硬質合金刀具。我們在加工時從實際出發(fā)，采用了先加工外圓后加工內孔的辦法，粗加工外圓采用的是YW2 硬質合金車刀，精加工外圓采用YW1 硬質合金車刀，加工外圓時因為壁厚有余量，車刀基本不產(chǎn)生振動。然后加工內孔，加工內孔時刀具型號和外圓一致，高速車削，由于車刀及刀桿質量問題，致使內孔在車削時出現(xiàn)振動現(xiàn)象，使得表面粗糙度達不到要求，以致影響尺寸精度（圖2）。

圖2 硬紙合金內孔車刀

（2）高速鋼車刀。后來我們對刀具進行了改進，加工外圓時刀具不變，車削內孔時將刀具改為高速鋼車刀，采用?16x16mm 的高速鋼條，自己用砂輪機磨削刀具，采用粗精車分開的加工方法。粗車時選用主軸轉速200r/min，背吃刀量0.5mm，進給量0.2mm/r。精車時選用100r/min，背吃刀量0.1mm。進給量0.1mm/r。這種加工方法零件表面粗糙度和尺寸精度基本能保證，但加工效率較低，在規(guī)定的時間內難以完成既定任務（圖3）。

圖3 高速鋼內孔車刀

（3）金屬陶瓷刀片。于是我們對刀具繼續(xù)改進，車削外圓時采用型號為KDFT-MTJNR2020K16 的外圓車刀，刀片型號為KDFT-TNMG160404-JS，車完之后零件表面粗糙度明顯降低，能夠保證尺寸精度和表面粗糙度達到要求。對于內孔刀具作了較大改動，內孔車刀采用型號為KDFT-C16Q-SDUCR11 的硬質合金刀桿，刀片采用型號KDFT-DCMT11T304-CW 的金屬陶瓷刀片，高速車削，主軸轉速選用1120r/min，采用這種刀具使整個的內孔加工狀態(tài)發(fā)生了較大變化，加工過程中振動基本消除，內孔的表面粗糙度明顯降低，能保證表面粗糙的達到要求，也能較好的保證尺寸精度達到要求，生產(chǎn)效率明顯提高，由于內孔刀具的更換，使得本零件加工的重點問題得到解決（圖4）。

圖4 金屬陶瓷內孔車刀

通過對三種刀具的使用對比，我們找到了最理想的刀具，使整個零件的加工質量及效率大大提高，加工工藝的制定更加理想化。

6 薄壁套的內孔尺寸測量

對于內孔尺寸測量的量具種類繁多，有內卡鉗、內測千分尺、內徑千分尺、三爪內徑千

分尺、內徑百分表、內徑千分表、內徑數(shù)顯百分表等，我們根據(jù)實際情況選擇了三種測量內孔量具，分別為內徑百分量表、三點內徑千分尺、孔用光滑極限量規(guī)。

（1）內徑百分表測量。對于本零件的測量量具，我們從實際出發(fā)，首先采用了35-50mm 的內徑百分表進行測量，這種百分表也是常用的內孔測量工具，需要和外徑千分尺配合使用，測量精度也非常高，基本能保證零件內孔的測量精度，只是校對量表時要用點時間。使用內徑百分表測量屬于比較測量法，測量時必須擺動內徑百分表，所得的最小尺寸即為孔的實際尺寸（圖5）。

圖5 內徑量表

（2）三點內徑千分尺。隨后我們又選擇了三點內徑千分尺進行測量，將千分尺校對零位后即可使用，不用多次校表，省去了部分輔助時間，該千分尺的三個測量爪在很小幅度的擺動下，能自動地位于孔徑的直徑位置，測量的精度要高于內徑量表，測量的速度也要快于內徑百分表，能有效提高生產(chǎn)效率（圖6）。

圖6 三點內徑千分尺

（3）孔用光滑極限量規(guī)。采用孔用光滑極限量規(guī)進行測量，孔用光滑極限量規(guī)分為通端和止端，量規(guī)通端的基本尺寸等于孔的下極限尺寸Lmin，止端的基本尺寸等于孔的上極限尺寸Lmax，用量規(guī)檢驗孔徑時，若通端進入工件孔內，而止端不能進入工件孔內，說明工件孔徑合格。這種檢測方法簡單快捷，能快速判定零件內孔是否合格，但對于了解內孔的確切偏差是有點難度的（圖7）。

圖7 孔用光滑極限量規(guī)

經(jīng)過對三種量具的使用對比，最終我們選擇了三點內徑千分尺來進行測量，經(jīng)過與其他企業(yè)對接發(fā)現(xiàn)企業(yè)在加工此類零件時也是采用的三點內徑千分尺進行測量的。

7 薄壁套的加工工藝

薄壁套的內外公差較嚴，壁厚較薄，容易變形，為了保持內孔與外圓同軸且防止變形，工件加工時要在一次裝夾過程中完成。具體加工步驟：工件伸出長度約80mm。三爪自定心卡盤夾緊；粗車外圓?55-0.015尺寸至?56mm、?46-0.015mm 尺寸至?47mm，長度分別為70mm、38mm；鉆孔，用?33mm 麻花鉆鉆孔，長度70mm；擴孔，用?42mm 麻花鉆擴孔，長度38mm；精車外圓，精車?55-0.015mm 外圓至尺寸要求，保證長度70mm。精車?46-0.015mm 外圓至尺寸要求，保證長度39±0.1mm；精車內孔，保證?34+0.02mm尺寸精度達到要求，長度61mm。精車?44+0.013mm 尺寸精度達到要求。保證長度41±0.1mm；精車?46-0.015mm 外圓至尺寸要求，保證長度5±0.1mm；倒角倒鈍；切斷，保證保證長度60±0.1mm。

如果在加工過程中產(chǎn)生振動，可以考慮自制一心軸，將工件內孔精車后套在心軸上，從端面用頂尖輕輕頂緊或用螺母壓緊，然后加工外圓各尺寸。這樣就需要把步驟五、六對調一下，改成先車削內孔，后加工外圓了。對于本工件的加工，以上兩種方法我們也都對比過，最終選擇了以上加工步驟。使得加工步驟及裝夾更加簡單化。有利于車削加工，提高效率。

8 防止薄壁套筒零件變形的方法

車削套筒類薄壁零件時要特別注意零件的變形問題，引起零件變形的因素很多，如切削力、夾緊力、切削熱、振動、應力變形等，其中影響最大的是夾緊力和切削力，而加工本工件時影響大的還有振動及切削溫度，這就要求我們在車削時要合理選擇切削用量、刀具幾何角度、刀具材料及切削液等。在加工本工件時我們主要采用了以下方法減小薄壁套筒的變形。

（1）粗、精加工分開。粗加工時余量大，車削加工的背吃刀量及進給量選擇較大，切削力大，需要較大的夾緊力。精車時余量小，車削加工的背吃刀量及進給量選擇較小，切削力小，夾緊力也較小。這樣在粗車時夾緊力大些，精車時夾緊力小些，可以有效減小夾緊力引起的變形，提高加工精度。如果是批量生產(chǎn)可以將粗精加工分成兩道工序來干。

根據(jù)我們選定的刀具，粗加工時，去除的余量較大，可以選擇較大的背吃刀量、較大進給量及中等主軸轉速，背吃刀量為1.5mm，主軸轉速選擇500r/min，進給量0.2mm/r。精車時可以選擇較小的背吃刀量、較小進給量及高等主軸轉速，背吃刀量為0.25mm，主軸轉速選擇1120r/min，進給量0.1mm/r。這樣既能保證粗車時的加工效率，又能保證加工時尺寸精度和表面粗糙度達到要求。

（2）降低切削溫度。切削溫度對薄壁零件的變形影響較大，在車削時要有效降低零件溫度以減少變形，我們常采用的辦法就是充分使用切削液，降低切削溫度對零件變形的影響。同時切削液對零件的表面粗糙度、刀具的磨損有著一定影響，選擇合適的切削液不僅可以降低切削溫度，還可以改善切屑、工件與刀具間的摩擦狀況，減小零件表面粗糙度，減小切削力，從而延長刀具使用壽命，因此對切削液的選用顯得尤為重要。

車削時常用的切削液有水溶性切削液和油溶性切削液，我們從零件的材料及加工實際需求出發(fā)，選擇了水溶性切削液類中的合成切削液，合成切削液是由水、各種表面活性劑和化學添加劑組成。國產(chǎn)DX148 多效合成切削液有良好的使用效果，其性能兼顧了冷卻、潤滑、清洗和防銹，并且不含油，有利于環(huán)保。

以上是采用車床加工薄壁套筒零件的粗淺心得，薄壁套筒加工是機械零件加工中的難點問題，在薄壁零件的加工中防止變形是首要問題，并且貫穿于整個加工過程中，同時要對刀具、夾具、切削用量等綜合考慮，采用一些相應的辦法來解決這些問題，只要方法得當，就能加工出合格的薄壁零件。