吕爱敏

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869）

大直径氮化缸套加工工艺研究

吕爱敏

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869）

介绍了往复压缩机件缸套中大直径薄壁氮化缸套的切削加工特点和加工技术,阐述了薄壁套加工过程中引起变形诸多因素及解决措施。

氮化；缸套；变形；工艺路线；工装；刀具；设备

1 引言

往复机新产品2D40-68.8/17-24-BX型循环氢压缩机，为江苏中能项目开发的新产品，缸套材料选用是38CrMoAlA，内径表面要求氮化处理，图纸要求精度很高，而刚性差。该零件的壁厚与内径曲率半径之比小于1：20,属于薄壁零件，薄壁零件在加工中对各种影响因素十分敏感，极易产生变形（弹性变形、塑性变形）,很难满足精度要求，严重影响产品质量。内径氮化处理后表面很硬，亦给加工带来很大困难。

2 缸套技术要求分析

缸套如图1所示，属于套类零件，壁厚较薄，主要的加工表面是内径、外圆，内径是设计基准，尺寸精度（7级）、形状精度（圆柱度误差＜0.027）及表面粗糙度（Ra0.8）要求都很高，外圆尺寸按与之配合的缸体内径实际尺寸配制，保证过盈量0.03～0.17 mm，与内径的同轴度为Ф0.06，粗糙度为Ra1.6，台肩侧面与内径的垂直度为0.04，粗糙度为Ra1.6，台肩端面和气阀孔待缸套压入缸体后和缸体一起加工。材料为38CrMoAlA，毛坯为锻件，生产类型为单件小批，缸套需要进行调质处理，硬度HB251-298,缸套镜面氮化处理，氮化层深度0.3～0.5 mm,硬度HV≥700，使之具有高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，并具有良好的耐热性及腐蚀性，以保持缸套的工作精度和使用寿命。38CrMoAlA属于中碳合金氮化钢，由于氮化温度比一般淬火温度低，变形更小，硬度很高，并具有优良的耐疲劳性能，尺寸稳定性也很好。

图1 直接用三爪卡盘夹紧

3 缸套加工工艺分析

（1）缸套的加工基本上可划分为3个阶段

（a）粗加工阶段（镗端面打中心孔，粗车外圆，钻孔、粗镗内径）；（b）半精加工阶段（半精车外圆、内径）；（c）精加工阶段（精车外圆、内径，珩磨内径、磨外圆）。

（2）中间插入必要的热处理工序

锻→正火→粗车→调质处理→半精车→稳定化→精车→珩磨→精磨→氮化处理

毛坯粗加工前需要进行正火处理，改善切削性能，消除锻造残余应力，细化晶粒，使金属组织均匀。缸套粗加工后进行调质处理以获得较高强度和韧性等的综合机械性能，半精加工后稳定化处理以消除内应力，缸套镜面珩磨后氮化处理提高表面硬度，使缸径获得较高的耐磨性。氮化处理采用的是气体氮化，氮化时应该对缸套未加工完部位（两端止口、气门孔）刷涂料进行保护，以免氮化后表面太硬难加工。

（3）基准选择

锻件毛坯为实心体，应用互为基准原则，先粗加工外圆并精加工孔，而后以孔定位来精加工外圆，由于孔的精度比较高，而以孔作为定位基准的夹具结构简单、精度也很高，因而可以获得较高的定心精度。粗加工时以外圆作为加工的粗基准，一端安装在卡盘中，另一端用后顶尖顶住加工外圆，用中心架托住加工孔，半精加工时以孔作为定位基准，采用工装以孔定位精车外圆、孔。在一次装夹中加工外圆表面和孔径，这样可以消除安装误差对加工精度的影响，因而保证很高的相互位置精度，精加工时遵循基准重合的原则，缸套图纸的设计基准是内孔，故以珩磨后的缸套内孔为定位基准磨削外圆，而珩磨内孔时按照自为基准的原则，以精车后的孔作为精基准。

4 缸套重点工序设计

4.1 精车缸套外圆、孔、珩磨孔工序

以往的氮化缸套内径都＜Ф230，采用卧式加工，在C650上车外圆，用浮动镗刀镗内径，一次装夹完成，保证同轴度垂直度要求。浮动镗刀块放在刀杆的长方形孔中，并不紧固，它能在长方形孔中滑动，刀块依靠主切削刃上2个较长的斜刃进行自动对中，它的2个对称切削刃的尺寸按被加工孔的尺寸调整，镗刀块有小的主偏角、较小的后角、负前角、刃带及修光刃，在切削过程中，既有切下加工余量的作用，又有挤压加工表面的作用。加工精度达IT6-IT7,粗糙度在Ra0.4～0.8范围内，结构简单，刃磨容易，刀具的排屑和冷却条件较好。但是浮动镗刀块，不适合加工大直径的孔（＞Ф300），因孔增大，刀块的尺寸也相应增大，当刀块转到垂直位置时，容易沿刀杆方槽下滑，降低孔的形状精度。而这个缸套内径为Ф460所以不能用浮动镗刀加工，壁厚15 mm，属于薄壁套，刚性比较差。如果还按原来的方案在卧车上精加工，用夹盘夹紧，由于径向夹紧变形大容易产生加工误差，增大零件的形状误差，质量无法保证，如图1（a）所示。图1为夹紧时情况，夹持点处缸套向里变形，而位于两夹持点中央的点则向外变形，车孔后孔变成圆形如图1（b）所示，但在放松取下后，由于工件弹性变形的恢复，被加工的孔会成三棱形，如图1（c）所示.

而在数控立车CXH5240上加工缸套，缸套安装在夹具上以轴向夹紧的方式就能减小夹紧变形，保证精度。如图2、图3所示。

图2 缸套车外圆夹具

稳定化后在缸套两端车工艺定位止口，精车前将夹具定位盘在工作台上找正，以定位盘止口定位，安装缸套，用螺旋压板夹紧，定位盘通过T型槽螺栓和工作台连接紧固。为了保证相互位置精度，在一次装夹中加工外圆、内孔和端面，这样可以消除安装误差对加工精度的影响，夹具体、缸套在数控立车上按图2所示找正夹紧后，先精车各外圆及平面（留磨量）、小端面，然后按图2所示用车孔夹具的压板、螺栓、螺母将缸套压紧，之后再把原来车外圆用的压板、螺栓、螺母拆下，精车内径留珩磨量0.12～0.18 mm，半精车小端止口至Ф463，端部车工艺止口至Ф463+0.050×20。精车完缸径后，将夹具体和缸套直接吊到珩磨机上珩磨内径，定位盘底部有内止口Ф605E7与珩磨机上外止口配合定位。因为缸套镜面加工精度要求IT7级，粗糙度为Ra0.4，所以在精车以后进行珩磨加工，以提高内孔的精度和光洁度。珩磨时，珩磨头旋转并往复运动，由于珩磨头与机床是浮动连接，不能纠正孔轴线的位置误差。缸套是死套，内径Ф460H7留量珩磨至压入缸体后再珩磨至图纸尺寸。

图3 缸套车孔夹具

图4 辅助支撑

4.2 车夹头工序

缸套内径珩磨后上C61160/1卧车,车掉夹头，半精车大端面留量2～3 mm，半精车大端止口至Ф463，端部车工艺止口至Ф463+0.050×20，由于内径外圆都已精加工，壁厚很薄，刚性比较差，如果直接用夹盘夹紧会将缸套夹扁，所以为了防止加工中缸套变形，采用辅助支撑，如图4所示。

加工时将辅助支撑放置在缸套夹紧部位内侧，调节螺钉将内孔撑紧，然后再用卡盘夹紧外侧。加工时减小加工余量，切削刃要锋利。

4.3 磨外圆工序

为了保证外圆与内径同轴，缸套外圆上磨床磨削，采用辅具前后挡板以缸套前后止口定位，挡板外止口偏差按缸套内止口实际尺寸配制保证过赢量0.01～0.03 mm，因为F曲轴磨上中间修砂轮辅具干涉，最大磨到Ф330，故将修砂轮辅具移到后挡板处，后挡板留出150 mm空间。磨外圆时按缸体内径实际尺寸配制保证过赢量0.13～0.17 mm，同组缸体缸套做标记。以往的小氮化缸套磨削外圆安排在氮化后进行，而这个缸套为了防止氮化回来后变形过大，磨外圆工序安排在氮化前进行。

4.4 部件加工

虽然缸套自身刚性较低,但与缸体结合后,可提高刚性，装配后不需拆卸，所以可采用装配后加工的方法，氮化后将缸套清理热装入缸体，精镗缸套、缸体上各止口，然后珩磨缸套上缸径，按缸径找正精镗缸座端端面和定位止口，这样就能保证缸座端端面与缸径的垂直度，缸座端止口与缸径的同轴度。

5 缸套机械加工的主要工艺问题

缸套加工过程中影响加工精度的主要因素为：零件装夹受力后变形、加工过程中热变形、在切削力作用下的振动变形、加工残余应力引起的变形、环境温度变化引起的变形。因此要控制零件的加工精度就需要从以上方面加以控制。

（1）毛坯进厂后，安排钳工划线工序作为机械加工前第一道工序，此工序在合理安排余量的同时也对锻件毛坯进行了进一步的验证。

（2）零件的粗加工首先根据钳工划线然后加工，调质后缸套容易变形，并产生较多的氧化皮，所以粗加工时应该留有足够的加工余量。

（3）安排热处理以消除毛坯粗加工大吃刀量、装夹等后产生的残余加工应力。稳定化时效处理,可以减小上道工序工件变形对下道工序的不利影响，稳定零件尺寸。两端工艺止口安排在稳定化处理后加工，以防止变形，定位不准确。

（4）零件的半精加工根据零件形状设计工装夹具来保证零件加工时受力均匀，不至于影响零件加工后的精度。

（5）最后精加工，精车时采用专用夹具虽然保证了工件在加工时的定位精度，但零件壁薄，车削受力点与压紧力作用点又相对较远，刚性不足，在切削力很大的情况下，也会产生塑性变形和热变形。为了控制加工零件变形，采用高的主轴转速、小的切削深度，较小的切削用量能减小加工过程中的振动，来控制零件变形。

（6）机床、刀具的选用。由于薄壁零件加工时容易变形，所以对机床的要求相对较高，要求机床抗振性好，机床精度高，机床回转精度高等，所以精加工缸套外圆、内径时选用数控立车CXH5240、珩磨机GR2500,磨削外圆时选用F曲轴磨。

38CrMoAlA这种材质可切削性比较差，加工困难，刀具磨损也比较严重，刀具的选用更为严格，刀具必须切削锋利，耐热耐磨，具有比较锋利的切削刃，选用进口的硬质合金刀具，根据车削速度和材质选用合适的刀片，使切削变形和摩擦减少,从而减少切削力。刀具主偏角的大小决定轴向和径向切削力的分配。对径向刚性差的零件,应取较尖的接近90°的主偏角，刀具副偏角,决定刀具和已加工表面间的摩擦情况和表面粗糙度。粗加工时应取较大的副偏角,精加工时应取较小的副偏角。

精加工薄壁缸套时，一般应采用降低和控制切削用量,增加切削次数，匀速切削，以便有利于减小切削力和切削热。若切削面积相等,增加走刀量比增加切削深度的切削力小。

6 缸套加工工艺流程

锻件—正火处理—划线—镗端面钻中心孔—粗车各外圆—钻镗孔、粗车孔—淬火处理—半精车各外圆及孔—稳定化处理—切氮化试片、车两端工艺止口—精车外圆、孔及工艺止口—珩磨缸径-车掉夹头、车工艺止口—磨外圆—磨氮化试片—铣氮化试片开口—氮化处理-缸套压入缸体—镗缸盖端止口—珩磨缸径-镗缸座端止口及端面

7 缸套质量检验

在数控立车CXH5240精车后拆下缸套，为了检验加工后缸套的变形量，检测外圆和内孔的同轴度误差，在水平、垂直方向共4点，测量壁厚，误差为0.04～0.06 mm。

缸套氮化前内径外圆检测均合格，氮化回厂后对尺寸公差进行检测，变形量很大，外圆内径均增大，分析原因是缸套在氮化炉内时间过长所至，故将缸体再次进行珩磨缸径，按氮化后缸套外圆实际尺寸配制，保证过盈量0.13～0.17 mm。

2D40(74)压缩机2个缸套装入缸体加工后的最终检测结果见表1。

表1

8 结语

分析、研究和掌握缸套变形规律，从整个工艺环节中注重防止和解决变形问题，确保了各工序的加工质量。针对缸套各阶段的变形量，我们在加工过程中，设计科学合理的工艺路线和工艺方案，试验和总结，合理分配各阶段的加工余量，来控制其变形量对精加工件的质量影响，确保缸套达到设计要求，为以后大直径薄壁氮化缸套的加工奠定了基础。

Research on Processing of Nitride Cylinder Liner with Large Diameter

LV Ai-min
（Shenyang Blower Work Group Corporation，Shenyang 110869，China）

This paper has introduced the cutting and machining features and processing technology of nitride cylinder liner with large diameter and thin wall in reciprocating compressor，and specified the several factors that will cause deformation during processing liner with thin wall and its solving measures.

nitride；cylinder liner；deformation；process route；frock；tool；equipment

TH457

B

1006-2971（2014）01-0053-04

2013-10-18