不锈钢薄壁齿形垫环车削方法研究

刘建伟，万方前，李寒荣

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

0 引言

不锈钢指的是含铬量大于12%或含镍量大于8%的合金钢。不锈钢具有较强的耐蚀能力，并在较高温度（>450℃）下具有较高的强度。经常通常增大铬的比例或添加可以促进钝化的合金元素（如Ni、Mo、Mn、Cu、Nb、Ti、W、Co等），这些元素不仅提高了钢的抗腐蚀能力，同时改变了钢的内部晶体组织结构及物理力学性能。基于不锈钢所含的合金元素对切削性影响，不锈钢具有切削力大、加工硬化严重、刀具易产生黏附磨损、切削区域温度高等特点，属于典型的难加工材料[1]。

基于不锈钢的优良特性，经常用来作为承压、防锈类工件。大型高温高压容器密封经常使用端面齿形结构，通过齿面受压达到密封作用。由于此类密封件需要承压变形，故一般壁厚较薄，不锈钢薄壁齿形结构工件为车削加工带来了一定的挑战，具体表现为刀片磨损快、车削振动、形位公差不易保证等。

1 产品分析

我公司新研发了一种齿形端面密封装置，产品结构如图1所示，外径为φ300 mm、内径为φ255 mm、壁厚为6 mm的薄壁圆环，两侧端面具有90°的8齿型密封环，产品尺寸公差等级为H7，且具有平行度、平面度0.025 mm要求。

图1 产品结构示意图

该产品为典型的薄壁圆环类零件，刚性差、装夹困难、车削过程中易振动[2]。不锈钢材质零件本身车削困难，薄壁圆环类零件装夹、车削更为困难。传统加工方式已无法满足要求，急需寻求一种车削方法取代传统加工方式的工艺方案，以保证实物质量及制造效率。

2 工装设计

针对薄壁圆环类零件，常使用扇形软爪夹持工件的方式进行车削[3]。扇形软爪指使用普通车床的4爪非联动卡盘的中卡爪，在卡爪内孔焊接的弧段组成的4爪半圆弧型卡爪结构样式（如图2），利用圆弧增加与工件接触面积，分散装夹力，可以有效减少装夹变形，以提高产品质量。但是要特别注意的是，须根据工件外圆实际尺寸配合扇形软爪内径，以保证装夹时有效接触，配车时可使用棒料装入扇形软爪内孔，待4爪分别固定牢固后取出棒料后配车软爪[3]。

由于扇形软爪可将夹持力分散、减少变形，根据薄壁圆环类产品特点设计制作了扇形软爪，结构样式如图2所示。

图2 扇形软爪使用示意图

扇形软爪夹持工件进行车削的方式虽然可以减少夹持引起的工件变形[4]，但是该方法也存在局限性：工件仍受夹持力，车削后松开软爪，工件也会发生变形；一次装夹仅能车削一侧端面，需要翻身加工，也存在形位公差不易保证的弊端[5]。

由于常规方式无法满足图样要求，因此基于产品特点发明了一套不锈钢薄壁齿形密封环车削时工件固定夹持装置及夹持装置一次车削成型的方法。

如图3所示，所设计的车削装置由固定基座、左侧夹紧垫环、右侧夹紧垫环、定位螺纹套、罩螺母组成。固定基座与罩螺母分别具有相互配合的螺纹联接；定位螺纹套与工件预先加工的内孔配合，保证工件径向位置不会在加工过程中移动；夹紧垫环根据工件及刀具尺寸调整配做，尽量使夹紧位置靠近工件外侧。

图3 车削装置及夹持方法示意图

车削装置固定基座设计要点：长度需保证工件左右两侧具有足够的加工空间[6]。右侧具有把紧螺纹，通过螺纹联接把紧工件。左侧外圆尺寸需要方便卡爪夹持即可。

图4 车削装置固定基座外形示意图

端面压紧用罩螺母内孔螺纹与固定基座螺纹匹配，通过外六方使用普通扳手把紧。车削工件时需使用机床尾座顶尖顶紧罩螺母的60°锥孔，确保车削时整体刚性良好。

根据工件内径尺寸调整左右两侧夹紧垫环尺寸，在保证切刀切断空间足够的情况下尽可能大，以提供给工件较大的支撑，确保车削工件时刚性更好，甚至可以进行5 mm多的大切深粗车加工。

采用可更换的定位螺纹套结构，为工件内径提供轴向定位。使用时可根据定位螺纹套外圆尺寸按小间隙配合关系配车工件内径，保证工件安装后轴向定位牢固，同批次产品安装后尺寸一致。

该车削装置突破了传统车床夹持工件的思路和模式，实现了在普通卧式车床高效加工不锈钢薄壁齿形密封环。替代原有的车床装夹模式，实现了一次装夹完成全部工序的加工。减少了因多次翻身装夹找正造成的误差，保证了实物质量并有效提升了生产效率。

图5 车削装置罩螺母结构示意图

3 制定工艺流程

基于所设计的车削装置制定了全新的工艺方案：采用上述车削装置把紧工件并使用机床尾座顶尖顶紧，确保工件轴向、径向固定牢固后实现外形一次加工成形，并使用刀具切断后取出工件。

制定工艺方法：根据定位螺纹套外圆尺寸，将工件内孔预先加工至φ100 mm，参照车削装置示意图安装各部件，并使用机床尾座顶尖顶紧。按图分别车削准外圆、端面，使用切槽刀[9]分别加工左侧密封槽、右侧密封槽，最后使用切刀沿内孔尺寸位置切断并取下工件，具体的工艺流程如下。

3.1 车削装置安装

1）测量定位螺纹套外圆尺寸为φ100 mm；使用机床卡爪夹工件外圆，按小间隙配合制预加工工件内孔；3）参照车削装置示意图，依次将夹紧垫环、定位螺纹套、工件、罩螺母安装到位，并使用扳手把紧；4）将车削装置整体吊装至机床，机床卡爪夹持固定基座外圆，按工装本体找正后使用机床尾座顶尖顶紧罩螺母。

3.2 车削不锈钢齿形密封环

1）使用外圆车刀分粗、精车，车准外圆；2）使用端面车刀分别车准左右两侧端面；3）使用切槽刀分别加工左侧密封槽、右侧密封槽；4）使用切刀沿内孔尺寸位置切断并取下工件；5）清理内孔局部毛刺，复查尺寸。

4 工装应用效果

通过一段时间的使用及验证，证明该套车削工装能够很好地实现薄壁圆环类似结构件的车削工作。通过固定调节工装的使用，增强了工艺系统的整体刚性，顺利地完成工件端面及外圆的车削加工。得益于工件刚度的提高，可以采用5 mm左右的大切深、高进给速度等参数切削加工[7]，有效提高了车削效率。

5 结语

该方法能够实现车床一次装夹状态下完成全部工序的加工，取代原有的车床夹持工件的模式[8]。减少了因多次翻身装夹找正的误差，保证了实物质量并有效提高生产效率。该发明结构简单、通用性强、安全可靠，突破了传统车床装夹的思路和模式，有效解决了薄壁件密封环类产品装夹找正困难及变形问题。该装置及方法可以推广至其它薄壁圆环类零件的车削加工，具有很好的推广潜力和经济效益。

图6 不锈钢齿形环加工后实物