薄壁304不锈钢部件型腔加工工艺研究

摘要：针对薄壁304不锈钢型控部件刚性差，加工易变形，尺寸精度易超差等问题。通过分析零件结构加工变形等关键因素对加工质量的影响规律，从工艺结构、工艺流程及焊接方式三个方面对零件加工过程进行设计与优化，提出了薄壁304不锈钢型控部件加工的优化方法，从而提高产品加工质量以及保证产品加工精度。

关键词：薄壁型腔部件；加工变形；工艺优化；激光焊接.

中图分类：TG54                 文献标识码：A

Abstract：In view of the poor rigidity of 304 stainless steel thin-walled cavity parts，，easy deformation in machining process and poor machining dimensional accuracy. By analyzing the factors affecting the machining quality of such parts in terms of structure and machining process of parts is designed and optimized from the aspects of process structure， process flow and welding mode， the specific machining methods of 304 stainless steel thin-walled cavity parts are summarized to improve the machining quality of products and ensure the machining accuracy of products.

Keyword：Thin-walled cavityparts;Machining deformation;Process plan;Laser welding

引言

薄壁304不锈钢零件因其质量轻、结构紧凑、使用方便等特点，广泛应用于航空航天、汽车制造、微电子、工业生产、生物医疗器械等多个领域[3]。应用日益广泛。然而，由于零件刚性较差与变形量大，严重制约了该类零件的铣削加工效率和质量[1]。虽然目前先进的数控加工设备可以达到高刚度和高精度运动控制，但弱刚性零件加工过程中极易发生加工变形和切削振动导致加工误差，从而难以保证加工精度和表面质量[2]。

本文通过对薄壁304不锈钢型控部件结构拆分，采用拼焊方式将零件组装加工，充分利用激光焊接的高效率、热输入小以及焊接变形小等优点，从而实现型腔部件的加工与优化。

1 薄壁零件加工变形因素分析

1.1 薄壁零件的结构影响因素

（1）零件壁厚薄，刚性差，在夹紧力或压紧力作用下变形。

（2）去除材料后零件内应力重新分配产生变形。材料在加工区域被剪切时，在切屑形成过程中发生塑性变形，刀具和新加工表面之间的摩擦接触也会产生额外的苏醒变形，加工表面的温度变化是由塑性变形的耗散作用和摩擦生热引起的。材料微结构的变化将改变工件表面区域的变形行为，从而影响塑性变形和残余加工应力[4]，残余应力分布如图1所示。

1.1 加工因素分析

（1）切消变形？

（2）

（3）铣削加工过程中，零件与刀具间的摩擦生热，导致零件各部分温度分布不均，切削加工变形区域如图2所示。

（4）刀具运动过程中，刀具的切削分力使零件弹性变形后表面产生不平度，引起壁厚加工误差的产生。

2 薄壁型控部件加工方案设计与优化

2.1 零件特征分析

零件壁厚3mm，材料为304不锈钢，零件如图3所示。零件外形尺寸精度高，零件法兰平面度要求0.02mm，两法兰相对位置尺寸131.8±0.04mm、53.2±0.04mm，内腔粗糙度要求Ra1.6，属于薄壁型控部件。零件无法直接加工成型，需要将零件拆分，通过拼焊成型，焊接存在热变形；加工过程中需要多次装夹，而零件自身的定位面短，容易导致零件尺寸超差。

2.2 加工方案设计与优化

通过将零件拆分为底板和盖板两个部分，如图4所示。底板通过整板加工内腔，零件分粗精加工将内腔尺寸加工到位，外形留有余量保持零件整体刚性。为了控制加工变形，粗加工时，应采用较大的夹紧力和切削用量[5]，以便尽快去除材料。粗加工精加工留有一定的加工余量。采用热处理工序消除材料加工过程中的残余应力，提高零件的加工精度。盖板通过线切割的方式直接加工外形（壁厚3mm）。为了减小焊接热变形，采用激光焊将底板与盖板拼焊在一起，通过数铣加工外形法兰尺寸，工艺流程如图5所示

2.3 热处理对不锈钢组织的影响

C在Ni-Cr奥氏体中的固溶度很小，当304不锈钢中含碳量较高时，组织中便会析出碳化物，碳化物极易以Cr23C6形式析出，从而减少奥氏体中的含Cr量，降低钢的耐蚀性[6]。

为了消除加工应力，采用固溶处理的方式使碳化物充分溶解，得到单一的奥氏体组织，晶粒均匀长大，析出少量的高温铁素体，改善不锈钢的加工性能及冲击韧性。

热处理工艺为：1000℃+保温30min，水冷。

2.4 激光焊接

激光熔焊又称为激光小孔焊，其本质特征是存在小孔效应的激光焊。通过小孔激光束辐射到材料深层，在小孔内完成能量的传递和转换，实现深熔焊接，获得深而窄的大深比焊缝[7]。

焊接工艺流程：

（1）焊前清洗：用砂纸、酒精和无纺布将焊缝区域10-30mm以内的飞溅及油污清洗干净，等酒精完全挥发后进行下道工序。

（2）装夹定位：将待焊部件用压板进行压平，调节压紧力，保证盖板与底板搭接缝隙在0.03mm以内，保证边缘平整。

（3）定位焊：装夹定位后用脉冲激光焊进行定位焊，放置焊缝在焊接时由于热应力导致焊缝间隙变大，导致焊接缺陷。

（4）调整搭接错边：定位焊后通过木锤或者铁锥（表面包裹防护层）调整搭接的焊缝间隙，保证缝隙在0.03mm以内。

（5）激光焊接：通过利用直板辅助对零件拼接位置进行焊接，保证焊缝平直均匀，焊缝饱满、无缺陷，具体焊接参数如表1所示。

2.5 型腔部件加工优化方案

为了减小零件变形、法兰厚度方向的不均匀性及内腔接刀痕现象，对加工的方案进行优化，将法兰部分与底板分离出来，采用法兰单独拼焊后加工法兰的方式进行零件的加工，可以避免法兰与内腔的接刀痕及线切割去余量产生的接刀痕，减小整板加工底板的工作量，具体优化方案流程如图6所示，零件实物如图7所示。

3 结论

通过零件的实际加工，利用优化结构及工艺流程等方式解决了薄壁型腔加工变形问题，经检验实物尺寸精度完全符合图纸要求，加工效率较高。该工艺方案为后续加工同类型零件积累了宝贵的经验。

参考文献：

[1] 彭丽霞. 薄壁异形零件铣削加工工艺研究[J]. 煤矿机械， 2014（01）：100-101.

[2] 夏磊， 何薇， 王志坚. 弱刚性零件高效加工工艺研究与实践[J]. 航空制造技术， 2015（z1）：52-54.

[3] 叶银祥， 李盟， 马千里， 等. 激光焊接不锈钢薄板工艺研究[J]. 建筑工程技术与设计， 2017（18）：1109.

[4] 苗卧龙. 亚稳奥氏体不锈钢切削加工表面残余应力仿真分析[D]. 大连：大连理工大学， 2020.

[5] 白钰. 浅谈薄壁零件数控铣削加工[J]. 工艺技术， 2017（3）：65.

[6] 尹文艳. 304不锈钢热处理工艺研究[J]. 兰州石化职业技术学院学报， 2016（02）：18-20.

[7] 陈思莹. 不锈钢板激光焊接变形的研究[D]. 大连：大连海事大学， 2013.