薄壁深孔焊接件防变形加工工艺

史红艳，付 渊，齐全洪

（山西北方机械制造有限责任公司，山西 太原 030009）

0 引 言

某产品筒类零部件多为薄壁、深孔焊接件，加工过程集多种工艺特点于一体，在焊接和机加过程中易产生变形，影响零件精度。薄壁深孔焊接件防变形加工方法综合了焊接加工工艺、热处理加工工艺与机械加工工艺，是一种结合薄壁焊接筒件整体加工过程所采取的控制、减少变形的加工方法。该技术通过合理确定加工流程及加工参数，工序间穿插进行热处理，解决了薄壁深孔焊接件由于焊接应力和机加应力共同作用使零件加工中产生变形的问题,保证了薄壁深孔焊接件的加工质量。薄壁深孔焊接件的防变形加工方法是深孔加工方法的延伸、拓展和整合，适用于火炮及其他行业薄壁套筒类零件的加工，对提高薄壁深孔类产品的加工质量具有十分重要的意义。

1 零部件工艺特点分析

某产品上的零部件多为薄壁、深孔且内孔镀铬的组焊件。以其中一薄壁深孔组焊件为例说明，壁厚为5～6 mm，深度不等，在300～700 mm之间不等，内孔尺寸精度在IT8～IT9之间，表面粗糙度高且内孔每隔一定距离在互相垂直的方向上测量，见图1，最大最小差不能超过某一尺寸[1]。

图1 某薄壁深孔组焊件简图

2 零部件的加工难点

薄壁深孔焊接件的加工由于机加应力和焊接产生的内应力共同作用使零件加工中产生变形；另外，由于薄壁筒刚度不足，装夹和加工时容易产生变形。零件内孔在焊接部位，两端口部均有不规整的超差，尺寸精度和形状公差不能保证。

在机械加工中，深孔较一般孔的加工难度大，而薄壁、焊接筒的加工由于焊接产生的内应力和机加应力共同作用使零件加工中产生变形；由于薄壁筒刚度不足，装夹和加工时容易产生变形；深孔加工，切削时刀具系统易产生振动，导致刀具轴线走偏且变形超差。

多种变形因素使零件技术要求如内孔尺寸精度与形状公差、壁厚差等加工精度难以保证。

3 零件加工的工艺

3.1 工艺分析

薄壁深孔焊接件防变形加工技术的总体思路：根据零部件件的结构特点进行工艺性分析—确定薄壁深孔焊接件的加工要点和难点—提出解决方案。针对上薄壁深孔焊接件的特点，通过多次试验，确定了如下总体方案：下料—机加—焊接—机加—镀铬，并细化各个阶段的工艺方案，采取各种工艺措施，保证零件加工质量[2]。

毛坯材料选用35Cr、40Cr的无缝钢管；长短选用单件的2倍，在批量生产时提高加工效率。

3.2 加工工艺

3.2.1 第一次机加工

齐两端面、粗车外圆、粗镗孔，切除大部分余量；再精车焊接部位，划线并钻孔待焊接用。其中加工后的外形设计为切断后可成两件成品，需要尺寸链的换算[3],如图2所示。

3.2.2 焊接方法

材料选用 35Cr、40Cr，为合金结构钢，焊后易产生冷裂纹，因此焊接过程中应采用一定的工艺方法降低焊接接头的淬硬倾向，防止产生裂纹。由于零部件筒壁较薄，焊接生产中会产生变形，同时在后续的机加工中由于焊接应力的存在，也会产生变形，因此在焊接时就要尽量控制变形在最低限度的情况下最大可能地降低焊接残余应力。图3为焊后示意图。

3.2.3 焊后进行去应力退火，消除焊接残余内应力，稳定焊后尺寸，降低产生冷裂纹的倾向。

3.2.4 第二次机加工（中间穿插热处理）

机加过程及热处理简述：第二次机加是加工的关键件工序，内孔的尺寸精度、直线度、圆柱度、表面粗糙度等要求都要在此加工中保证。

由于焊接变形、薄壁筒刚度不足、装夹和加工时容易产生变形、切削时易振动、内孔容易走偏且变形超差，其他技术要求如壁厚差、内孔圆柱度等形位公差也难保证，因此可通过如下方法进行解决。

通过加工试验确定机加工艺路线为：去应力退火—粗加工—去应力退火—半精加工—时效处理—精加工。

图2 某薄壁深孔组焊件中间加工简图

图3 某薄壁深孔组焊件中间加工简图

为了保证内孔的加工质量，采用内孔和外圆互为基准的方法，逐步去除加工余量，内孔需经过深孔钻削、深孔粗镗、半精镗、精镗、珩磨或抛光等工序的加工。过程如下：

1）焊后在较高温度下退火，消除焊接产生的应力。

2）以内孔和外圆互为基准粗、半精加工内孔和外圆，并在此后切成两个工件。安排此工序切断避免了在加工完成后切断时产生的薄壁深孔口部的变形；以内孔和外圆互为基准，反复加工，逐步切削余量，防止切削受力变形，从而为后续工序保证加工精度和形位公差奠定工艺基础。

3）切断后送热处理，消除在机加过成程中的机加应力。

4）采用浮动镗刀进行精镗内孔，留余量待磨。

5）时效处理，消除精镗内孔时产生的受力变形与避免磨削时产生的热变形。

6）内孔的粗磨，此工序在数控珩磨机上进行。为避免装夹变形，在装夹时采用加装开口套的方法。

7）精车外圆、内支口及内螺纹的加工。

8）内孔的精磨，磨后保证内孔尺寸要求。

9）其他辅助工序的加工，如划线、铣、钻、钳等工序。

10）内孔的抛光，进一步提高表面粗糙度。

4 变形控制技术

1)薄壁筒加工变形控制首先防止在机械加工过程中的装夹变形。由于薄壁筒刚度不足，装夹和加工时容易产生变形，合理选择装夹定位方式和夹紧装置结构，使夹紧力、夹紧接触面积、作用部位保证装夹可靠且不产生超出允许范围的变形。加工时合理选择刀具和切削参数，尽量减小切削力的不利影响。以内孔和外圆互为基准，反复加工，释放机加应力。

2)在加工过程中按照加工余量与变形量适时进行去应力退火热处理，选用正确的退火、时效处理工艺参数。

3)优化焊接工艺参数，设计新型焊接工艺及防变形焊接工装。

5 结束语

1）解决了薄壁深孔焊接件加工由于焊接产生的内应力和机加应力共同作用使零件加工中产生变形的问题，保证了薄壁深孔焊接件的加工质量与各项技术指标。

2）薄壁深孔焊接件防变形加工技术是在套筒、深孔加工方法的基础上采用合理工艺路线及机加过程中适时热处理的工艺措施解决了变形问题，该项技术是深孔加工方法的延伸、拓展和整合。

3）薄壁深孔焊接件防变形加工技术已成功应用在某产品的批生产中，技术成熟，加工质量稳定。为薄壁深孔焊接件类零件的加工创造了成功的案例，可适用于机械行业类似零件的加工。

[1] 李旦.机械加工工艺手册[M].第2版.北京:机械工业出版社,2006.

[2] 郑修本.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社，1999.

[3] 王先奎.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社，2006.