薄盤類零件加工變形分析與控制

吳慧媛 陳 杰

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214121)

薄盤類零件普遍具有重量輕、強(qiáng)度高、造型美觀等特點(diǎn)，廣泛使用于航空航天、汽車及現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品中。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中的回流器蓋板、汽車上的制動(dòng)盤，切削用的圓鋸片、鋸片式銑刀和砂輪片等都是典型的薄盤類零件。薄盤類零件厚度相對(duì)較薄，剛度相對(duì)較低，加工工藝性相對(duì)較差，如果加工方法不當(dāng)，加工零件時(shí)極易產(chǎn)生變形，精度超差，甚至報(bào)廢。因此,針對(duì)薄盤類零件加工中變形控制成了關(guān)鍵。

在實(shí)際生產(chǎn)中常有通過(guò)制造專用的工藝裝備，合理選擇刀具與切削參數(shù)，控制加工過(guò)程中殘余應(yīng)力進(jìn)而達(dá)到控制薄盤類零件變形的目的。也有人提出對(duì)零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚硎棺冃谓档阶钚?。?jīng)過(guò)實(shí)踐證明，這些方法是可以對(duì)零件的變形進(jìn)行有效的控制。

筆者以回程盤零件為例，通過(guò)分析加工變形的影響因素，然后有針對(duì)性地提出控制變形方法，并用實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)量所得數(shù)據(jù)對(duì)比，得出控制方法的有效性結(jié)論，以提高零件加工的穩(wěn)定性，滿足生產(chǎn)需求。

1 薄盤類零件變形的影響因素

薄盤類零件的變形有來(lái)自零件加工過(guò)程中直接產(chǎn)生的、亦有在加工完成后受到殘余應(yīng)力影響產(chǎn)生的，以及熱處理后產(chǎn)生的。圖1為薄盤類零件在加工過(guò)程中受熱、冷卻不充分后導(dǎo)致的變形，圖2為熱處理方法不當(dāng)導(dǎo)致的零件變形。本文重點(diǎn)分析加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生的變形因素?？v觀整個(gè)工藝系統(tǒng)，其影響因素主要包括毛坯、工件、機(jī)床、刀具和切削加工的生產(chǎn)條件等，如圖3所示。

圖1 薄盤零件的熱變形

圖2 滲碳淬火后的薄壁齒圈發(fā)生形變

圖3 薄盤類零件變形的主要影響因素

1.1 毛坯

制造的毛坯經(jīng)過(guò)熱成形后, 冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力, 隨著毛坯投入加工，多余的材料經(jīng)過(guò)不斷切除，零件剛度也隨之減小，再伴著切削力與切削熱的作用，零件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力。人們經(jīng)常采用熱處理的方法去除這些內(nèi)應(yīng)力，但是不可能徹底地去除，總會(huì)有殘余內(nèi)應(yīng)力留下，而在零件繼續(xù)加工中，變形就會(huì)產(chǎn)生。另外,隨著零件整體的形狀改變和各個(gè)截面的大小變化也會(huì)引起內(nèi)應(yīng)力重新分布，致使工件變形。制造毛坯本身存在著各種誤差(如平行度、垂直度等)，在加工過(guò)程中，這些誤差復(fù)映到零件上，也會(huì)使工件變形。

1.2 工件裝夾

薄盤類零件成型一般有兩種方法，尺寸精度要求不高時(shí)，可以直接沖壓成型；尺寸精度要求高時(shí)，采用切削加工成型方法居多。薄盤類零件的結(jié)構(gòu)特殊，剛性較差，如果零件在裝夾時(shí)因夾緊力作用點(diǎn)、方向或大小選擇不當(dāng), 必然會(huì)引起附加應(yīng)力變形。在加工過(guò)程中，因?yàn)閵A具的夾緊力和壓力，工件也會(huì)產(chǎn)生彈性形變，影響工件表面粗糙度、位置精度等, 也會(huì)使工件產(chǎn)生加工變形。

1.3 切削力

一般影響切削力的因素主要有以下幾個(gè)方面：

(1) 切削用量的影響。切削用量三要素中，主要是進(jìn)給量、背吃刀量對(duì)切削力影響較大。當(dāng)背吃刀量增大一倍時(shí),切削力也增大一倍；進(jìn)給量增大一倍時(shí),切削力僅增大70%～85%。

(2) 工件材料的影響。切削力隨著材料的強(qiáng)度增大而增大。材料的加工硬化能力也和切削力有關(guān)，一般來(lái)說(shuō),硬化能力較高的材料，他的切削力也會(huì)隨之變高。

(3) 刀具幾何參數(shù)的影響。刀具的幾何參數(shù)包括切削刃形狀、刃區(qū)型式、刀面型式和刀具的角度等，其中刀具角度對(duì)切削力的影響較大，且刀具前角影響最大。例如在加工塑性材料時(shí)，刀具的前角增大，切削力也會(huì)隨之增大，這種情況在切削速度低的時(shí)候較為明顯，而隨著切削速度的增大，刀具前角對(duì)切削力影響會(huì)相對(duì)減小。

(4) 刀具材料的影響。一般來(lái)說(shuō)，金剛石刀具的切削力最小，高速鋼刀具的切削力最大,而硬質(zhì)合金刀具居中。

(5) 切削液的影響。合理使用切削液能夠減小刀具和工件之間的摩擦，從而降低切削力。

對(duì)薄盤類零件加工過(guò)程中影響切削力的因素必須認(rèn)真對(duì)待，必須采取有效措施,減少、防止因切削力因素產(chǎn)生工件變形。

1.4 刀具

刀具對(duì)工件變形的影響，一般來(lái)源于切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱和切削力。在切削過(guò)程中, 切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱, 會(huì)造成零件各部位溫度不均，零件產(chǎn)生變形；切削時(shí)產(chǎn)生的切削力, 使零件表面在彈性恢復(fù)后產(chǎn)生變形；刀具在加工過(guò)程中必然要磨損, 這樣就使得切削余量發(fā)生變化, 產(chǎn)生變形。

1.5 刀具路徑

在加工零件的過(guò)程中，進(jìn)刀方式也會(huì)影響工件的形變，例如采用垂直進(jìn)刀方式會(huì)影響腹板的加工精度。而如果是水平進(jìn)刀方式則會(huì)對(duì)側(cè)壁加工精度產(chǎn)生影響。選取合適的下刀路徑，對(duì)走刀路徑進(jìn)行適時(shí)修正，可以有效地減小變形。薄盤類零件刀具路徑修正及控制加工精度流程如圖4所示。

圖4 薄盤類零件刀具路徑修正及控制加工精度流程

由此得知，影響薄壁件加工變形的主要因素是切削力、夾緊力以及殘余應(yīng)力，其他如振動(dòng)、機(jī)床、加工環(huán)境溫度等因素也會(huì)影響工件的變形，但影響力較小。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，各類影響因素的所占百分比如圖5所示。

2 薄盤類零件變形控制方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以通過(guò)建立若干靜態(tài)、動(dòng)態(tài)加工模型，采用有限元技術(shù)對(duì)薄壁零件和刀具進(jìn)行分析，優(yōu)化刀具路徑后再實(shí)施加工，從而保證零件加工質(zhì)量。也有的工廠采用加工時(shí)，在工件精加工最后一次走刀時(shí)，不設(shè)置進(jìn)給，讓刀具光切，再通過(guò)手工打磨來(lái)控制變形，但這種方法效率不高，零件表面質(zhì)量也不高。這里通過(guò)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出以下解決變形控制的方法。

圖5 影響薄壁件加工變形的主要因素

2.1 合理的工藝法

通過(guò)選擇合理的工裝、加工參數(shù)和優(yōu)化刀具路徑，采用特定的工藝加工方法，控制薄盤類零件的變形。

(1) 根據(jù)薄盤類零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇特殊機(jī)床和刀具進(jìn)行加工，有效減少工件的變形。

(2) 根據(jù)不同的薄盤類零件，設(shè)計(jì)適合的專用夾具，采用合理輔助支撐，減少夾緊力和加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削力，有效控制零件變形。

(3) 在設(shè)計(jì)刀具路徑的時(shí)候，經(jīng)對(duì)零件變形的分析，計(jì)算出變形量，在原有刀具路徑中補(bǔ)償一個(gè)偏移量，得到新的刀具路徑。

(4) 切削加工時(shí)，合理選擇切削參數(shù)，不斷優(yōu)化切削參數(shù)，最大程度地減小切削力，延緩刀具的磨損和降低零件表面殘余應(yīng)力，有效地控制零件變形。

(5) 切削加工時(shí)，在最后一道工序的走刀中，采用無(wú)進(jìn)給光切，然后再進(jìn)行手工打磨，來(lái)修整變形量。但這耗時(shí)、耗力，在單件小批生產(chǎn)中可使用。

2.2 高速加工法

高速加工(HSM或HSC)是一種比常規(guī)切削加工速度快很多的加工方法，一般有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1) 切削力小，在切削速度達(dá)到一定程度時(shí)，可以減少30%的切削力(主要是徑向切削力)。

(2) 精度高，表面粗糙度低，在機(jī)床高速加工時(shí)，激振頻率遠(yuǎn)大于工藝系統(tǒng)的低階固有頻率，因此加工平穩(wěn)，震動(dòng)較小，能有效降低表面粗糙度，提高零件的精度。

(3) 工作效率高，高速加工比常規(guī)加工的切削速度和進(jìn)給速度高出5～10倍，可大大減少加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

(4) 加工范圍很廣，采用高速切削方法能夠加工高硬度材料，加工完成后的工件表面粗糙度好。

正因?yàn)楦咚偌庸ぞ哂幸陨蟽?yōu)點(diǎn)，對(duì)控制薄盤類零件加工變形是很有效果的。

2.3 殘余應(yīng)力的消除

零件加工一般是先經(jīng)粗加工去除余量—半，再進(jìn)行半精加工和精加工，以獲得較高的零件質(zhì)量。但針對(duì)薄盤類零件，在各道工序加工時(shí)，極易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，特別是在加工完成卸載后，零件內(nèi)殘余應(yīng)力得到釋放，殘余應(yīng)力會(huì)使得零件在自由狀態(tài)下回彈，從而導(dǎo)致零件變形的現(xiàn)象嚴(yán)重。故有時(shí)會(huì)在粗加工或半精加工后，需要將零件松開(kāi)釋放后再進(jìn)行精加工。針對(duì)薄盤類零件加工完成后，一般有以下幾種解決方案：

(1) 增加加工前和加工中的熱處理程序。根據(jù)零件的設(shè)計(jì)和加工要求，可采用冷壓變形減少零件內(nèi)殘余內(nèi)應(yīng)力。

(2) 對(duì)于無(wú)纖維流向要求的零件，改為預(yù)拉伸板材加工，這樣切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力失衡，不會(huì)引起明顯的變形。該方法增加了材料和加工成本，并且降低了對(duì)零件的強(qiáng)度要求。

(3) 增加先進(jìn)的校正設(shè)備和正規(guī)設(shè)計(jì)，通過(guò)專用校正設(shè)備準(zhǔn)確地控制校正質(zhì)量，不因傳統(tǒng)的手工校形產(chǎn)生過(guò)多的誤差。

3 薄盤類零件加工變形控制實(shí)例

以回程盤零件的加工為例，筆者進(jìn)行驗(yàn)證控制的變形,回程盤零件如圖6所示。該零件為6.5 mm厚的盤類零件，零件毛坯為沖壓件，經(jīng)過(guò)球化處理，硬度較低，硬度值小于100HB。

通過(guò)對(duì)零件圖以及零件毛坯熱處理狀態(tài)的基本信息分析，可以得知該零件的主要加工精度是平面度0.04 mm、垂直度0.01 mm、圓度0.01 mm、粗糙度Ra0.3等要求。經(jīng)分析得知,一般需要經(jīng)過(guò)沖壓、車削、鉆削、磨削、鏜削等多道工序加工，擬定的加工工藝流程是：沖壓(毛坯) → 車兩面 → 粗磨兩面 → 粗鉆9孔及錐孔 → 精磨兩面 → 精加工9孔 → 滾壓9孔。在這些加工過(guò)程中，零件必然會(huì)產(chǎn)生一定的變形，如毛坯夾緊變形、車削變形等，這些給加工造成一定困難，會(huì)導(dǎo)致加工穩(wěn)定性差，零件加工質(zhì)量也得不到保證。這些變形最主要是反映在平面度上，通過(guò)分析，我們針對(duì)影響因素分別采取以下相應(yīng)措施。

3.1 毛坯

該零件毛坯為沖壓件，沖壓后毛坯的平面度與平行度存在較大差異，平面度及平行度≥0.2 mm。如直接加工(鉆或擴(kuò))，在零件相對(duì)凹面或凸面區(qū)域加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生塑性變形及彈性變形。因此要消除這些可變因素，就需要對(duì)兩個(gè)面進(jìn)行車削加工和磨削加工。

3.2 刀具

在車削加工及精加工9孔中，采用刀尖圓弧較小(如R0.4)的刀片，鋒利的刀尖易切削，可以減少工件變形受力,還可減少積屑瘤的產(chǎn)生，避免粘刀現(xiàn)象，并且在加工過(guò)程中延長(zhǎng)刀具壽命，防止刀具過(guò)度磨損，避免切削余量的變化，從而控制變形。

3.3 工件裝夾

安裝時(shí)如果沒(méi)有選取合適的作用點(diǎn)和夾緊力，可能會(huì)引起工件的變形。車削加工和磨削加工兩道關(guān)鍵工序的安裝，對(duì)零件變形產(chǎn)生影響較大：

(1) 車削加工。首先卡盤的夾緊力直接影響零件變形，夾緊力越大，使得零件變形越嚴(yán)重，反之則夾緊力越小，產(chǎn)生的變形也越??；其次裝夾方式也會(huì)對(duì)變形有一定影響。針對(duì)回程盤零件，最好的方法是夾緊外圓，外圓與卡爪貼合得越好，圓弧包容得越多，則受力越均勻，產(chǎn)生的變形就越小，反之則越大。

(2) 磨削加工。由于磨床的磁性工作臺(tái)磁力較大，在磨削加工完畢釋放磁力后，回程盤原本磨平的平面會(huì)發(fā)生彈性變形，使得加工精度產(chǎn)生一定誤差。在加工過(guò)程中，如果將磁性工作臺(tái)改成磁力可調(diào)的方案進(jìn)行控制，控制磁力的電壓調(diào)整在25 V時(shí)，這時(shí)零件產(chǎn)生的變形就可有效控制。

3.4 加工余量

加工的余量越多，則產(chǎn)生的變形越大，經(jīng)對(duì)回程盤零件加工工藝的分析，變形主要反映在平面度上，通過(guò)表1和表2對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，加工余量越多，則變形越大，反之則越小。

因此,加工回程盤時(shí)，應(yīng)采用合理的加工工序(如粗精加工分開(kāi))，合理分配加工余量，有效控制平面的變形量。

表1 平面度加工前后對(duì)比(加工余量0.75 mm) 單位:mm

表2 平面度加工前后對(duì)比(加工余量0.3 mm) 單位:mm

3.5 優(yōu)化刀具路徑

加工薄盤零件時(shí)，在設(shè)計(jì)刀具路徑時(shí)，應(yīng)充分考慮工件的偏移量，對(duì)刀具路徑進(jìn)行修正。采用合理的刀具路徑，會(huì)減少加工中的變形。水平進(jìn)刀和垂直進(jìn)刀分別對(duì)腹板和側(cè)壁造成精度影響。目前數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)了三種垂直進(jìn)刀方式：直接垂直向下進(jìn)刀、斜線軌跡進(jìn)刀、螺旋式軌跡進(jìn)刀。所以,對(duì)于不同的工藝采用合理的刀具路徑，可以有效減少零件的變形。

另外，在加工過(guò)程中，還應(yīng)控制冷卻液的濃度、壓力等，冷卻條件的好壞也直接影響零件的變形量?；爻瘫P零件通過(guò)以上方法加工，可有效地控制零件變形。

4 結(jié)論

變形控制是薄盤類零件加工的關(guān)鍵。文章分析了影響薄盤類零件變形的原因，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中加工回程盤零件的具體實(shí)例，通過(guò)采用合理的加工工序、合適的加工余量及裝夾方法等來(lái)控制零件的變形量，有效提高了加工過(guò)程中的穩(wěn)定性，獲得了良好的加工質(zhì)量。