淺談機(jī)械加工中的工件變形

李霄

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中心， 陜西西安

淺談機(jī)械加工中的工件變形

李霄

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中心， 陜西西安

引言

工件的變形在機(jī)械加工過程中是不可避免的問題。因機(jī)械加工變形而影響零件加工精度的客觀事實(shí)一直以來也是機(jī)械加工行業(yè)中探究的問題之一。如何正確的分析和把握零件在加工過程中的變形原因、變形趨勢，從而盡可能地減少因變形而引起的零件質(zhì)量問題的出現(xiàn)，對于工藝人員來說也是學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)積累的重要方面之一。本文就個人從事機(jī)械加工行業(yè)五年來所積累部分經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對機(jī)械加工中工件的變形情況做以簡單剖析，以便進(jìn)一步提高大家在零件加工過程中對零部件變形的掌握情況。

1 變形的多種形式

在具體的零件加工過程中，隨著零件自身材料和結(jié)構(gòu)形式的不同，其在加工過程中產(chǎn)生的變形量的大小和變形趨勢也有很大差異。通過幾年的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了如下幾條：

1.1 細(xì)長類零件：（如下圖1）

圖1 典型細(xì)長類工件

如上圖所示，該零件長達(dá)1260mm，最大厚度僅35mm，中間最薄處僅10mm。該零件在從方料加工至如圖形狀的過程中，因加工余量大，且由于結(jié)構(gòu)所限，在厚度方向變化差異也較大，故而加工時所產(chǎn)生的變形量也偏大，根據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)得知，其變形量可達(dá)5mm以上。變形趨勢為兩邊上翹（變形趨勢圖如下圖2中箭頭所示）。巨大的加工變形也成為此類細(xì)長零件在加工過程中的的主要工藝難點(diǎn)。

圖2 變形趨勢圖

1.2 型面漸變類零件：（如下圖3）

圖3 典型型面漸變類零件

如上圖所示，該零件從圖示左端至右端約1400mm的長度范圍內(nèi)厚度按型面趨勢從126mm逐漸變化為14.45mm。零件因兩端型面厚度差距較大，在加工過程中往往會導(dǎo)致較薄端變形較大。如圖3所示類型的零件在加工過程中如何有效地減小較薄端的變形則是工藝人員需考慮的主要方面之一。該零件一般而言變形趨勢如下圖4中箭頭所示方向。

圖4 變形趨勢圖

1.3 空腔類零件：（如下圖5）

圖5 典型空腔類零件

如上圖所示，該零件內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，在從方料加工至該零件形狀的過程中，由于其內(nèi)、外部大量加工余料的去除，隨之帶來的是較大的變形量。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)得知，一般而言零件在加工過程中的變形趨勢如下圖6中箭頭所示。

圖6 變形趨勢圖

根據(jù)以上三種實(shí)例可以明顯看出，隨著零件結(jié)構(gòu)的變化，從毛料至零件的加工過程中，加工余量越大，則變形也越大，且一般而言始終按照一定趨勢變形。

2 變形原因分析

2.1 理論變形模型的建立

根據(jù)零件在實(shí)際加工中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，再加之理論分析，可得出以下圖7所示兩種用以分析變形的理論模型。

圖7 變形分析模型圖

由上圖7中a）圖所示的毛料分別加工至圖b）和圖c）所示的兩種形狀時，零件或多或少會發(fā)生一定變形。就一般情況而言，變形趨勢如下圖8中箭頭所示。

圖8 工件變形趨勢圖

在此，我們假定毛料形狀規(guī)則，為圖7中a）所示的長方體結(jié)構(gòu)，且材料組織均勻，內(nèi)部晶粒按理想狀態(tài)規(guī)則排布，各晶粒之間相互所形成的內(nèi)部應(yīng)力也處于完全均布的理想狀態(tài)。在以上條件的前提下，理論上講，將毛料分別加工至“U”型工件和“L”型工件時，工件勢必會按照圖8中箭頭所示方向變形，在相似零件的實(shí)際加工過程中也充分證明這一點(diǎn)。

毛料階段的工件，相對材料內(nèi)部組織均勻排布，內(nèi)應(yīng)力分布均勻，因此零件基本處于內(nèi)應(yīng)力平衡狀態(tài)。在零件被加工的過程當(dāng)中，零件原先內(nèi)部應(yīng)力平衡的狀態(tài)被打破，零件向著被加工區(qū)域方向變形。從而導(dǎo)致圖7中被加工后零件中a尺寸一般而言會小于毛料狀態(tài)的A尺寸?；谝陨显?，在加工此類零件的時候，為保證零件各尺寸的精度要求，加工變形量是必須提前考慮的因素之一。

2.2 材料纖維方向?qū)ψ冃蔚挠绊懀?/p>

對于理想狀態(tài)的材料而言，各方向應(yīng)力分布應(yīng)該處于均勻平衡狀態(tài)。而由于材料成型方式的所限，材料內(nèi)部晶粒往往呈長條狀，且具有一定方向性，因此也造成了材料性能沿順纖維方向和逆纖維方向應(yīng)力的不一致，按常理來說，順纖維方向內(nèi)部應(yīng)力會大于逆纖維方向，但晶粒之間各方向的應(yīng)力依然處于平衡狀態(tài)，故而原材料在加工以前也處于平衡狀態(tài)。一般板材在長寬方向以及厚度方向的纖維分布如下圖9所示。

圖9 板材纖維分布圖

由于材料內(nèi)部纖維組織具有一定的方向性，且材料順纖維方向綜合性能均高于逆纖維方向。在從事機(jī)械加工的這些年中，我們采用諸多方法，加工出了形形色色的零件，在這些機(jī)械加工的過程中也遇到了大小程度不同的變形情況，通過各類變形情況的匯總分析，我們可以初步認(rèn)定，在零件的加工過程中，材料纖維組織的完整性與零件在加工過程中變形量的大小有著密不可分的關(guān)系。例如加工厚度方向呈對稱狀的零件，雖然在加工過程中上下兩面去除余料很多，但材料的主要纖維層依然存在，故而零件往往不會產(chǎn)生過大變形。下圖10就是厚度方向呈對稱狀的典型零件。

圖10 典型零件內(nèi)部纖維分布圖

該零件從毛料階段加工至圖示零件全型，雖然上下兩面去除余量較大，但因零件上下兩面屬對稱型面，沿對稱中心主要纖維層組織完整，故而在整個加工過程中零件變形量也很小，通過幾年來大量該種零件的加工，充分證明了以上理論的正確性。

3 有效控制或減小變形的方法

3.1 分多次加工，逐步減少加工余量：

對于上文中所述“U”型和“L”型工件，由于其結(jié)構(gòu)的限制，只要進(jìn)行加工勢必會引起零件的變形，從而引起零件外形尺寸的變化。對于此類零件，我們無法消除變形，但能通過可行、可靠的加工工藝流程，盡可能地減小零件的變形量。對于從結(jié)構(gòu)上分析易產(chǎn)生變形的零件來說，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在零件的加工工藝安排中，分多次加工，隨著加工余量的逐漸減小，每次加工零件所產(chǎn)生的變形量也隨之變小。所以通過分粗加工、半精加工、精加工等工序，在每個加工階段均留足夠加工余量，使去除較大加工余量所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力在零件各尺寸余量均足夠的情況下盡可能多的釋放，從而通過多次加工，逐步減小每次加工過程中的加工量，使得零件在精加工的過程中基本不發(fā)生能影響工件尺寸精度的變形，從而達(dá)到所要求的零件精度。綜上所述，在我們遇到零件具有開口或加工余量不對稱的情況時，我們一定得考慮工件因機(jī)械加工而引起的變形，故而在零件的粗加工階段應(yīng)盡可能多的讓工件的內(nèi)應(yīng)力得以提前釋放，以免在精加工階段影響零件精度。

3.2 毛料纖維方向的正確選擇

對于同一零件，選擇毛料的纖維方向不同，其在加工過程中所產(chǎn)生的變形也不相同，因此毛料內(nèi)部纖維方向的正確選擇也會大大減小因加工而引起的變形。通過幾年的工作經(jīng)驗(yàn)積累，大致總結(jié)可得，毛料選擇遵循如下原則，則加工變形較小：

（1）工件長方向盡可能與材料纖維方向保持一致，例如下圖11所示。

圖11 工件毛料的正確選擇

在選擇毛料時，長寬方向應(yīng)盡量遵循圖11所示布置方式，將容易變形的方向保持與材料纖維方向一致，這樣布置一方面有利于減小機(jī)械加工引起的變形，另一方面工件的綜合性能也相對較好。

（2）工件的厚度方向應(yīng)盡可能保持材料纖維層的完整性，使得在加工過程中盡可能少的破壞材料中各晶粒的排布，具體排布方式如下圖12所示。

圖12 厚度方向布料方式

上圖為典型零件在厚度方向的布料方式，其中a）圖所示為傳統(tǒng)布料方式，而此種布料方式的零件在加工過程中材料各個層面的纖維組織均遭到破壞，使得纖維層從翼尖至翼根呈斷層狀分布，因此在加工過程中工件翼尖部分往往變形較大，且難以控制。b）圖所示為經(jīng)理論分析后的建議布料方式，此種方式的核心理念是盡可能多的保留工件中材料原有的纖維分布，盡量保證材料纖維層的完整性。從圖b）中可以看出，在零件被加工成型以后工件翼根至翼尖型面部分始終保持有若干層材料原有的纖維層，故而在零件被加工的過程中產(chǎn)生的變形量會大大減小。再加之一旦毛料如圖12中b）所示，則工件兩面加工余量也近似相當(dāng)，且厚度較傳統(tǒng)布料方式也大大減小，加工余量的減少在一定程度上也有利于變形量的控制。該理論通過實(shí)際加工也得到了驗(yàn)證。

在此種理論的基礎(chǔ)上，我們可以拓展得出，對于形狀呈彎曲狀的零件，如下圖13所示。

圖13 彎曲狀典型零件

如果在零件備料階段我們有意識將原有板料通過特殊手段（例如模鍛）使之產(chǎn)生預(yù)變形，使纖維組織如圖13中所分布，從理論上講，在加工過程中零件產(chǎn)生的變形應(yīng)該比傳統(tǒng)布料方式要小。

3.3 必要的人工校形

機(jī)械加工所帶來的變形是不可避免的，雖然我們可以通過多種方式來盡量減小因加工而引起的工件變形，但如若發(fā)生較大變形，且變形量超過預(yù)期值，為了保證零件的后續(xù)可加工性，我們必須采用必要的人工校形，來減小變形量，使工件的變形可接受。在此，我們假定工件經(jīng)一定機(jī)械加工后產(chǎn)生如下圖14所示的變形。

圖14 工件變形示意圖

如上圖14所示，工件在圖示變形敏感區(qū)域產(chǎn)生變形，導(dǎo)致工件與理論平直件存在較大差異。此時，工件內(nèi)部晶粒排布如圖中所示，較為規(guī)則，各晶粒間處于平衡狀態(tài)。為保證工件變形量不超過要求，勢必通過外界作用力，改變內(nèi)部組織，使變形工件變形量減小至要求以內(nèi)。通過實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，我們得知，對于圖14所示變形情況，可采用以下兩種鉗工校形方案來減小工件的變形量。

方案1：按圖14所放置方式，在工件變形敏感區(qū)域，由下至上沿工件變形的反方向施加壓力，且保持一定時間，使工件內(nèi)部晶粒排布發(fā)生一定變化，使圖中所示上面晶粒排布變疏，下面晶粒排布變得稍密或基本不變，從而實(shí)現(xiàn)減小變形的目的。

方案2：按圖14所示工件放置方式，在圖中工件所示變形敏感區(qū)域上面進(jìn)行外部敲擊（在表面還具有加工余量的前提下），通過外部的敲擊和擠壓，使工件變形區(qū)域上部晶粒變長，從而使工件上表面金屬晶粒得以延展，通過此種方式在一定程度上也能減小工件的變形量。

圖15 校形前后變形敏感區(qū)域晶粒排布對比

上圖15為采用不同方式校形后，工件變形敏感區(qū)域晶粒排布對比圖，通過上述兩種方案均能在一定程度上減小工件的變形，但由于其機(jī)理的不同，也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。方案1中，晶粒受外部作用力，使得各晶粒排布間距加大，如上圖15中b）所示，從而使上面金屬延長以實(shí)現(xiàn)工件的反方向變形，然而在實(shí)際操作過程中，作用力的大小往往難以把握，作用力過大可能造成晶粒間拉開距離過大，工件會沿變形敏感區(qū)域撕裂，形成缺陷，嚴(yán)重影響工件性能；作用力過小則可能無法改變晶粒原始位置，使得工件不能產(chǎn)生預(yù)期的恢復(fù)性變形,所以在具體操作過程中難度較大。方案2中，被敲擊表面的晶粒受外部作用力，使得晶粒個體變得更為扁長，如上圖15中c）所示，使得圖14中所示工件上表面晶粒呈長條形，下表面則保持原樣不動。從而致使工件變形量減小。該方案操作過程中安全性較高，但會破壞工件表面質(zhì)量，故而只能在工件表面余量足夠或表面質(zhì)量要求不高的情況下使用。

3.4 合理采用工藝手段消除材料內(nèi)部殘余應(yīng)力

在機(jī)械加工中，工件之所以或多或少會產(chǎn)生一定的變形，是因?yàn)橥ㄟ^機(jī)械加工導(dǎo)致工件內(nèi)部應(yīng)力平衡的狀態(tài)被打破，為重新達(dá)到平衡狀態(tài)，在工件內(nèi)部應(yīng)力作用的情況下，工件會產(chǎn)生一定的變形。從理論上講，工件在變形后內(nèi)部應(yīng)力分布也存在不穩(wěn)定的情況。為盡可能地減小工件在后期加工中的變形，我們會采用一定工藝手段，盡力在加工前消除工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

（1）鑄件毛坯加工前熱處理。對于鑄造毛坯而言，由于其在成型過程中金屬由熱變冷，產(chǎn)生強(qiáng)烈收縮，故而毛坯內(nèi)部存在大量殘余應(yīng)力，為使工件內(nèi)部應(yīng)力分布均勻，組織穩(wěn)定，在加工前應(yīng)合理安排熱處理工序，一方面可消除內(nèi)部殘余應(yīng)力，一方面可提高毛料的綜合性能。

（2）板料自然時效。板材由于其成型過程所致，材料內(nèi)部或多或少也存在一定殘余應(yīng)力。通過實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)得知，對于自然放置時間較長的板料，內(nèi)部組織穩(wěn)定，加工過程中變形較小。所以利用自然時效時間足夠長的板材加工零件，也可提高工件加工過程的抗變形能力。

（3）加工過程中的自然時效。該方法主要用于鋁材，材料在加工過程中，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力重新分布，在加工工序中合理安排自然時效，可使工件因加工而產(chǎn)生的內(nèi)部殘余應(yīng)力得以充分釋放，從而提高下道工序加工過程中的抗變形能力。

（4）增加去應(yīng)力熱時效。該方法主要用于鋼材，通過加熱至一定溫度，使材料內(nèi)部晶粒位置進(jìn)行微量調(diào)整，使之達(dá)到各自平衡狀態(tài)，從而消除內(nèi)部殘余應(yīng)力。這在一定程度上也可提高工件在下道工序中的抗變形能力。

3.5 零件結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化

零件結(jié)構(gòu)的不同對該零件在機(jī)械加工過程中的變形量也有大小不同的影響。以空腔類零件為例，由于其內(nèi)部均為空腔結(jié)構(gòu)，所以在去除空腔內(nèi)部大余量的同時，勢必會帶來不小的向內(nèi)收縮變形。對于此類零件，如對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要改動，可大大提高零件的抗變形能力，例如將零件開口端設(shè)計(jì)成為閉口，使之成為盒形件?；蛟诠ぜ^薄弱區(qū)域內(nèi)適當(dāng)增加加強(qiáng)筋，使工件自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加大。總之使零件在結(jié)構(gòu)方面呈穩(wěn)定狀，此類結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化可在很大程度上改善零件的加工變形情況，同時也能很好的提高工件的加工質(zhì)量。

4 總結(jié)

通過對機(jī)械加工零件的分析以及經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，可以初步得出以上關(guān)于變形的分析結(jié)論。文中關(guān)于變形的分析以及變形控制辦法的提及多為經(jīng)驗(yàn)總結(jié)所得，由于機(jī)械加工中變形具有不確定性，且又難以進(jìn)行專業(yè)實(shí)驗(yàn)的研究。因?yàn)椴牧想S著各種因素的不同均具有微小差異，即使同牌號，同批次也存在一定差異。所以上文僅為定性分析，現(xiàn)階段條件尚不具備定量分析的能力。對于文中所提及的各種方法以及變形趨勢均可作為工藝編制工藝規(guī)程時的參考依據(jù)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.085