航空高强度钢精密筒体零件精益加工工艺

编者按

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35CD4高强度钢因性能优异被广泛用于航空精密筒体零件，但存在硬度高、切削难度大，薄壁零件易变形、公差要求严等工艺难点。针对这些工艺难点，结合该材料特性与零件精密尺寸、特种工艺要求，制定了涵盖多道工序的精益加工方案。通过对加工过程中的外圆车削、内孔镗削、斜孔及轴承孔加工等关键环节进行参数与刀具优化，同时调整喷丸与珩磨工序顺序，解决了加工变形、尺寸超差等问题。最终实现零件稳定量产，相关工艺可为难切削材料精密零件加工提供参考。

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PART 1

序言

航空装备的性能突破高度依赖核心零部件的加工精度与可靠性^[1]。高强度钢35CD4凭借高强度、高淬透性等优异特性，成为航空精密筒体零件的理想选材。但该材料切削力大、加工硬化倾向显著等加工难点，与筒体零件异形易变形、精密尺寸公差严苛的特性相互叠加，给传统加工工艺带来了巨大挑战。

为攻克这一生产难题，笔者围绕35CD4材料特性与筒体零件工艺要求，开展精益加工工艺研究。通过优化工序设计、改进刀具选型、调整加工参数等系列举措，系统性地解决了加工变形、尺寸超差等关键问题，形成一套稳定可靠的量产方案。

本文系统梳理该工艺的研发思路与验证过程，以期为同类航空精密零件的加工提供技术参考。

PART 2

航空精密筒体零件工艺特性

笔者公司承制的某航空精密筒体零件，材料为35CD4，其外形如图1所示。该零件属于异形件，特殊结构易产生变形，且壁厚较薄，内孔与外圆公差要求严格，耳朵处的轴承孔为精密孔，零件内部设有斜孔，相关尺寸公差控制难度大。该筒体零件的工艺特点主要体现在以下几方面。

图1 筒体零件外形

2.1 材料特性

（1）金属特性 35CD4高强度合金钢是航空工业一种常用的中碳镍铬钼钢，其化学成分见表1。相较于其他金属，该钢种在化学、物理及力学性能方面均具有独特优势。

表1  35CD4含合金元素及其参数（化学成分）     （%）

（2）35CD4材料特性 主要包括以下四点：①高强度，由于其属于低碳、低合金含量钢，与非合金钢相比强度更高，因此被称为 “低合金高强度钢”。②高屈服强度，其屈服点高于非合金钢，在相同载荷作用下，采用该材料制造的零件质量可减轻20%～30%。③良好的塑性和韧性，合金元素占比相对较低，使材料兼具良好的塑性与韧性。④高淬透性，合金成分中含有镍、铬及钼等元素，可使钢的过冷奥氏体保持高度稳定，通过空淬即可获得马氏体与贝氏体组织。

（3）材料加工特性 此材料一般有两种热处理状态，分别是正火+回火和淬火＋回火，这两种状态对应的硬度见表2。

表2  材料硬度

从表2可以看出，该材料硬度与抗拉强度均处于较高水平，且富含铬、锰等元素，这些因素共同导致其加工难度大，属于典型的难加工材料，具体加工难点如下。

1）切削力大。材料硬度与强度高，原子密度和结合力大，抗断裂韧性与持久塑性优良，切削过程中不仅切削力大，而且切削力波动明显^[2]。

2）切削温度高。切削变形消耗功率大，产生的热量多，大量的切削热集中于切削区，形成高温环境。

3）加工硬化倾向大。材料塑性与韧性好、强化系数高，在切削力与切削热的双重作用下，会产生剧烈塑性变形，进而引发加工硬化现象。同时，切削热会促使材料吸收周围介质中的氢、氧和氮等原子，形成硬脆表层，进一步增加切削难度。

4）刀具磨损严重。切削时切削力大、温度高，加剧了刀具与切屑的摩擦，且刀具材料与工件材料易产生亲和作用。再加上材料中硬质点的存在和严重的加工硬化现象，刀具在切削过程中极易出现粘结磨损、扩散磨损、磨料磨损、边界磨损和沟纹磨损，最终丧失切削能力。

5）切屑处理困难。材料强度、塑性与韧性均较高，切削时会形成带状缠绕屑，既存在安全隐患，又会影响切削过程的顺利进行，同时还会导致零件表面出现擦痕，难以保证表面粗糙度要求。

6）切削变形大。加工过程中切削温度高，材料塑性大，易产生热变形，使得精密尺寸与形状难以保证。

（4）材料加工方案 为确保原材料能够充分完成淬火回火处理，需在热处理前对锻件毛坯进行粗加工，保证各横截面壁厚均＜30mm。同时，在粗加工后的毛坯上加工找正基准，以便实现粗精加工之间的工艺衔接。零件毛坯与粗加工后的外形分别如图2、图3所示。

图2 零件毛坯

图3 粗加工后外形

2.2 工艺特性

该零件存在多项高精度尺寸要求，需综合考量所有精密尺寸参数，才能设计出稳定可靠的工艺流程，保障产品质量。零件主要精密尺寸如图4所示。

图4 零件主要精密尺寸

（ 1）精密外圆 端口处的精密外圆直径为mm，公差带宽度仅0.022mm；内孔尺寸为φ83.37mm，对应壁厚2.81mm。该尺寸公差要求严、零件壁薄，加工难度极大。

（2）精密内孔 精密内孔尺寸为mm，孔径公差0.04mm。该内孔相对于上述外圆的同轴度要求为φ0.04mm，内孔圆柱度要求为φ0.02mm，孔深达287.5mm。

（3）加长斜孔 如图5所示，位于零件耳朵位置的斜孔，孔径为mm，与零件轴线夹角为45°。加工该孔时，需将机床主轴与零件调整为45°夹角。为避免刀具与夹具发生干涉，加工刀具需采用长悬伸结构，这是该零件加工的一大难点。

图5 加长斜孔及轴承孔

（4）轴承孔 如图5所示，耳朵处的轴承孔孔径为mm。该孔只能从零件左端面进行加工，刀具悬伸长度大，且孔径公差要求严格，尺寸精度难以保证。

2.3 特种工艺

除上述加工要求外，该零件还需进行多项特种工艺处理，具体要求如下。

1）喷丸。喷丸区域为零件外圆，但需避开mm的外圆部位，内孔严禁喷丸。

2）镀铬。镀铬区域为mm的内孔，铬层厚度需控制在20～25μm。

3）镀镉。镀镉区域为除镀铬区域外的所有表面。

4 ） 喷漆。喷漆区域为零件外圆， 需避开mm的外圆部位。

PART 3

航空精密筒体加工工艺设计

基于前文对该筒体零件材料特性、精密尺寸及特种工艺的分析，制定的工艺方案见表3。

PART 4

航空精密筒体加工过程验证

4.1 耳朵处外圆精加工

35CD4材料黏性较强，加工时不易断屑。采用较低加工参数时，零件端面会产生较深的切削纹路，表面材料呈现撕裂状。为解决该问题，需调整外圆车削加工参数，具体优化参数见表4。通过参数优化，零件端面的切削纹路得以消除，加工后端面光滑，且从中心到边缘的加工质量保持一致，优化后的零件端面状态如图6所示。

表4  端面车削参数优化

图6  端面精车后零件状态

4.2 精密外圆的车削加工

第14道工序的数控车削是加工该零件的关键工序。此工序采用自定心夹盘夹持、中心架支撑外圆的装夹方式，具体加工要求如图7所示。零件精密外圆公差为0.024mm，加工时需分3次进行，具体加工参数见表5。由于材料黏性较强，需选用锋利的外圆车刀片，刀尖圆角优选R0.2mm，若刀尖圆角过大，将无法保证零件表面粗糙度要求。

图7 数控车削工序要求

表5  外圆车削参数优化

零件精加工后，外圆直径范围为88.85～88.89mm，整体超出图样要求。在未找出根本原因前，只能通过在外圆预留余量，后续进行手工抛光的方式调整尺寸。经分析，装夹时中心架所支撑外圆的圆度，会对零件的回转跳动产生显著影响^[3]，在高精度公差要求下，这种影响尤为突出。对超差零件的夹持外圆进行测量，其圆度变化量为0.020～0.035mm，与零件外圆尺寸的超差波动幅度基本一致。

为解决该问题，需优化修正基准工序的技术要求，在第11道工序的外圆车削工艺中，明确要求外圆圆度控制在0.01mm以内，具体改进要求如图8所示。第11道工序增加圆度控制要求后，第14道工序的外圆车削尺寸稳定性大幅提升，外圆直径波动范围缩小至88.865～88.875mm，变形量可控制在0.01mm以内，无需操作人员进行局部调整，即可保证外圆公差符合要求。经稳定性试验验证，单个车刀刀尖可稳定加工4个零件，刀具磨损后则无法保证尺寸精度。

图8  修基准工序改进要求

4.3 内孔底面精益改善

第14道工序数控车削加工时，零件底部出现加工缺陷，表现为残留直径1mm、高度0.3mm的凸台，具体缺陷如图9所示。最初的加工方案为：使用平底铣刀去除底部余量，再采用大直径镗刀镗孔，最后对底面进行接齐处理。使用铣刀去除底部余量时，需将刀具跳动控制在0.01mm以内，但由于平底铣刀底部存在小斜角，导致零件底部无法加工为平整状态，平底铣刀如图10所示。

图9  底部缺陷

图10  平底铣刀

为解决该问题，优化加工方案，更换小直径镗刀对底部进行镗削加工，所用镗刀如图11 所示。加工试验证明，采用镗刀镗削底部的方法可彻底消除凸台缺陷。

图11  增加的镗刀

4.4 内孔车削优化

第14道工序数控车削时，内孔镗削为后续珩磨加工单边预留0.05mm余量，但镗削后内孔出现多种质量缺陷，缺陷类型及占比见表6，这些缺陷为后续珩磨加工带来较大风险。

表6  缺陷类型及占比

经分析，产生上述缺陷的原因主要有三点：一是内孔镗刀直径过小，刀具刚性不足，导致镗削后孔径尺寸不稳定；二是材料黏性强，采用传统精加工参数加工时，刀具切削不稳定，断屑效果差，切屑在内孔卷绕并划伤孔壁；三是切削转速过低，无法满足零件尺寸精度与表面粗糙度要求。

针对以上原因，制定的优化措施如下：一是更换大直径内孔镗刀，提升刀具刚性，优化后镗刀如图12所示；二是提高零件切削转速，增大精加工背吃刀量。三是优化内冷装置，使切削液直接作用于镗刀刀尖位置。刀具优化对比见表7。

图12 优化后的镗刀

表7  刀具优化对比

4.5 加长斜孔优化

第13道工序卧式铣销加长斜孔时，初始方案为：采用φ6mm 加长铣刀扩孔至φ7.3mm，加工后孔径实际为7.1～7.2mm，尺寸波动达0.1mm；调整程序铣削至φ7.5mm 后，孔径为7.35～7.42mm，波动缩小至 0.07mm；最后使用直柄铰刀精加工，孔径为7.62～7.69mm，尺寸极不稳定。

第一次优化时，将铰刀更换为镗刀，加工后孔径为7.60～7.72mm，超出公差要求导致零件报废。最终确定的优化方案为：采用切削直径7mm的变径铣刀进行斜孔铣削加工，加工后零件合格率达100%。加长斜孔加工刀具如图13所示。

a） 直柄铣刀

b） 直柄铰刀

c） 镗刀

d） 变径铣刀

图13 加长斜孔加工刀具

4.6 轴承孔加工改进

第13 道工序加工轴承孔时， 孔径要求为mm。初始方案为：使用φ20mm铣刀铣削至φ34.4mm，再用镗刀镗削至成品尺寸，但加工后孔壁出现振纹，经多次参数调整仍未解决。加工刀具如图14所示。

a）镗刀

b） 铣刀

图14 轴承孔加工刀具

4.7 喷丸加工对零件的影响

初始精密孔加工方案为：数控车精镗内孔并预留单边0.05mm余量，经珩磨加工保证孔径公差0.02mm、圆柱度0.02mm，最后对零件外圆进行喷丸处理。但喷丸后零件内孔出现变形，轴向中部位置内孔直径增大0.015～0.025mm，部分零件尺寸超出公差上限导致报废。

为解决该问题，与客户协商后调整工序顺序，将珩磨加工安排在喷丸工序之后。喷丸后内孔变形量约0.025mm，珩磨预留的0.05mm单边余量可完全覆盖该变形量。调整方案后，珩磨加工的内孔直径公差可控制在0.010mm以内，圆柱度控制在0.015mm以内，满足图样要求。喷丸对内孔的影响见表8。

表8  喷丸对内孔的影响（单位：mm）

本航空精密筒体零件在加工验证阶段，通过多轮精益优化改进，最终实现稳定量产。针对35CD4材料的加工难点，传统加工经验不再适用，需通过工艺方案优化、刀具选型优化、加工参数优化等多重措施，才能攻克加工难题^[4]。

35CD4高强度钢具有优异性能，但也带来了更高的加工挑战。在实际生产中，需针对性选择刀具型号，制定合理加工参数。随着新兴加工技术的发展，此类难加工材料的加工难度将逐步降低，相关加工经验也需不断总结积累。

此外，喷丸工序对零件精密尺寸存在不可逆影响，这表明工艺设计是一项系统工程。工序安排需遵循逻辑规律，全面考量各工序间的相互影响，才能制定科学合理的加工方案^[5]，在保证产品质量的前提下，实现高效生产。

参考文献：

本文发表于《金属加工（冷加工）》2026年第3期32~37页，作者：西安庆安航空机械制造有限公司 左昱，刘壮壮，原标题：《航空高强度钢精密筒体零件精益加工工艺》。

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