機械加工中工件變形原因與預(yù)防措施

田建忠

（太原機車車輛配件廠開發(fā)部， 山西 太原 030003）

引言

機械加工中的工件變形是造成成品率下降的關(guān)鍵因素，也是困擾加工制造業(yè)的難題之一。為了避免或減小這種由變形因素對產(chǎn)品質(zhì)量帶來的不利影響，更好地滿足產(chǎn)品的使用要求，有必要針對加工過程中造成工件變形的原因進行深入細致的分析，在此基礎(chǔ)上提出有效的預(yù)防措施。

1 機械加工時造成工件變形的原因分析

1.1 工件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)[1]

工件的材質(zhì)選擇對機械加工時的變形量有直接的關(guān)系。當(dāng)選擇強度高、塑性好的材質(zhì)進行加工時，就可以有效地克服加工時產(chǎn)生的各種應(yīng)力和變形，反之工件因材質(zhì)強度不足，無法抵抗加工過程中施加的外力，就會造成工件變形，從而產(chǎn)生廢品。

工件的結(jié)構(gòu)設(shè)計也會給加工時的變形帶來不利影響。當(dāng)結(jié)構(gòu)壁厚不均勻，過渡圓角和截面突變加之制造工藝設(shè)計不合理時，就會造成加工后的應(yīng)力集中，一旦去除外力，就會使加工后的工件產(chǎn)生變形。

1.2 工件裝夾

工件在裝夾過程中，由于定位面和夾緊點選擇不當(dāng)會造成工件的變形，甚至報廢，特別是當(dāng)夾緊力超出工件抵抗變形的能力時，就會使工件在未加工前就造成嚴重的變形。

1.3 工件加工[2]

工件加工時，由于刀具和切削表面的劇烈摩擦，會產(chǎn)生大量的熱能，這種熱能傳導(dǎo)到工件表面就會引起熱應(yīng)力，如果工件的強度不足，加工過程中刀具對工件的抗力也會使工件承受較大的附加力，如果再加上刀具磨鈍沒有及時刃磨，這種抗力給工件帶來的不利影響會更加明顯。

1.4 應(yīng)力釋放

工件在加工前，其內(nèi)部組織處于一種平衡狀態(tài)，因此外形尺寸相對穩(wěn)定，加工過程中，由于各種不利因素對工件附加了許多內(nèi)應(yīng)力，因此加工完畢后，這種內(nèi)應(yīng)力引起的工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不平衡必然要釋放出來，從而使工件產(chǎn)生了變形。

1.5 熱處理[3]

某些工件在加工過程中或加工完畢后需要進行熱處理，這就要求對工件進行加熱、保溫、冷卻等工藝流程，使得工件在熱處理后產(chǎn)生不同程度的變形，特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)工藝性不好，工件截面產(chǎn)生驟變的地方變形會更為明顯。

實驗表明，各種不利因素分別作用于同一產(chǎn)品時對機械加工變形造成的影響如圖1所示。

圖1 各種不利因素分別作用于同一產(chǎn)品時對變形造成的影響

2 預(yù)防工件變形的措施[4]

工件在機械加工過程中產(chǎn)生的各種變形原因很多，變形機理也很復(fù)雜，有些變形不可避免，有些變形通過采取有效措施后可以得到遏制或消除，因此應(yīng)針對不同情況采取相應(yīng)的措施減小工件變形。

2.1 選擇合理的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)

合理的材質(zhì)選擇對確保工件的正確使用有著很大的關(guān)系，所以工件在材質(zhì)選擇時應(yīng)充分考慮其使用特點和應(yīng)用場合，特別是受力大、易變形的工件，應(yīng)選擇強度和抗沖擊韌性偏高的各種合金鋼，提高加工過程中的抗變形能力，以滿足其使用要求。在產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合和制造工藝的合理性，防止因結(jié)構(gòu)原因造成加工時的變形。對有些大型的鑄、鍛件還應(yīng)進行時效處理，待內(nèi)部應(yīng)力完全釋放后再進行加工。

2.2 選擇合理裝夾方式

工件裝夾的正確與否，對加工后的變形有很大的關(guān)系，選擇定位面時，應(yīng)重點考慮基準重合原則，盡量選擇接觸面較大的工作面作為定位面，以增加其穩(wěn)定性和可靠性，其次夾緊點應(yīng)盡可能與定位支撐點相對應(yīng)，這樣可以使作用力和支撐力相互低消，不致使工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時夾緊力的大小應(yīng)適宜，以確保夾持可靠為前提，不要用力過大造成工件在未加工前就產(chǎn)生變形。夾緊過程中，還應(yīng)注意夾持力的先后順序，對于回轉(zhuǎn)類零件，選擇軸向夾持則更為有利，特別是選擇可賬芯軸、彈性夾頭等自定心裝置，也是避免工件變形的有效途徑。

2.3 減小切削力

切削力對工件加工時的變形影響至關(guān)重要，選擇合理的刀具、充分的冷卻和切削用量是減少切削力的有效手段。刀具應(yīng)保持鋒利、耐磨，刀具結(jié)構(gòu)和刃磨角度應(yīng)合理，避免因讓刀現(xiàn)象使工件產(chǎn)生變形。加工時對切削部位進行充分冷卻，不但可以帶走大量因切削加工引起的熱能，減少對工件的熱傳導(dǎo)作用，還可以提高刀具的耐用度和加工表面的質(zhì)量。加工時應(yīng)針對工件的結(jié)構(gòu)特點選擇合理的切削參數(shù)。為了提高效率，在粗加工階段可以采用較大的切削用量，待精加工階段，不宜使用大的吃刀量和進給速度。加工過程中刀具與工件摩擦產(chǎn)生的熱量如不能及時排除將會使工件產(chǎn)生變形，因此選擇高速切削加工，可以使切屑在較短時間內(nèi)被切除掉，同時把大部分切削熱隨切屑帶走，從而減小了工件的熱變形。

2.4 減小內(nèi)應(yīng)力

工件加工時，由于金屬表面受到擠壓、摩擦等抗力，總會產(chǎn)生各種內(nèi)應(yīng)力，為了減少這種應(yīng)力的產(chǎn)生，應(yīng)盡量采取對稱加工方式，以抵消加工時應(yīng)力的變化，使相對應(yīng)的工作面產(chǎn)生均衡應(yīng)力，達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。對于關(guān)鍵部位的加工，可以先進行粗加工，等應(yīng)力釋放后再進行精加工，對于某些壁薄或結(jié)構(gòu)不對稱的零件，也可以在毛坯制造時采用反變形的手段，即在工件變形相反的方向預(yù)留出變形量，把加工時可能的變形因素考慮進去，待金屬加工后就會大大減小工件的變形。

2.5 其他措施

工件加工后的應(yīng)力釋放如果不加以控制，就會任其發(fā)展變化造成嚴重的后果，如果采取一些強制性手段就可以減少這種變化，比如專用夾具的保護、振動時效的運用、矯正方法的采用均會使產(chǎn)品的變形量減小到最小值。

振動時效作為消除應(yīng)力的新能源專用設(shè)備，近幾年來得到了很大的發(fā)展，采用振動時效（見圖2）可以有效去除工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高工件的抗疲勞強度，特別適合應(yīng)用于大型組焊結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力去除。

圖2 鐵路集裝箱車轉(zhuǎn)向架采用振動時效減小變形案例

3 結(jié)語

機械加工中的變形問題是困擾制造業(yè)多年的一個技術(shù)難題，需要在實踐中不斷摸索和總結(jié)，對于被實踐證明了的行之有效的措施要加以應(yīng)用，并在應(yīng)用過程中不斷完善，只要及時總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，有效調(diào)整工藝制造方案，就一定能減少或避免加工變形的產(chǎn)生，使產(chǎn)品質(zhì)量更好地滿足使用要求。

[1] 王信義.機械制造工藝學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[2] 于惠力，馮新敏.現(xiàn)代機械零部件設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3] 史美堂，金屬材料及熱處理[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984.

[4] 機械零件加工中的變形與應(yīng)對措施[M].重慶：重慶人民出版社，2011.