薄壁零件內(nèi)孔加工變形問題與改進措施

蔡 菲

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院 航空制造工程學院，陜西西安710089）

變形指的是物體在受到外力的作用下使自身體積或者形狀產(chǎn)生一定的變化。而機械加工變形則是工件在受到各種機械設(shè)備的作用后外形或者性能發(fā)生變化的一種形式。在對工件進行機械加工時，如何有效避免變形，提高加工質(zhì)量是本文研究的方向。以下就從原材料、裝夾、切削參數(shù)、應力變形等方面分析造成工件變形的原因并提出相應的應對措施。

1 案例分析

對薄壁件內(nèi)孔實施加工操作是一項艱難的工作，對施工技術(shù)有很高的要求，而且加工后很容易出現(xiàn)較大的誤差，在精度上不能滿足人們的需求，因此只采取傳統(tǒng)的加工方式基本不可避免的會出現(xiàn)變形問題，在加工時必須采取必要的措施減少誤差的出現(xiàn)，從而提高加工件的精確度。本文結(jié)合薄壁銅套件的加工過程，尋求減少變形、提高工件精度的加工技術(shù)。

現(xiàn)有一個普通的銅套件，其外圓、端面均已成型，然后在車床上對其進行內(nèi)孔的加工，作業(yè)完成后經(jīng)測量，對于Φ16000+0.04mm的孔，最大尺寸偏差達到+0.08 mm、最大圓度誤差達到0.15 mm、最大同軸度誤差達到0.10 mm。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示加工內(nèi)孔的尺寸、形狀都存在較大的誤差，在精度上不符合標準。

2 影響加工變形的主要因素

對于內(nèi)孔在加工過程中出現(xiàn)的誤差原因進行深入分析，從加工工藝以及工藝流程上研究影響零件精度的因素。

2.1 影響零件尺寸精度的主要因素

2.1.1 車刀的調(diào)整誤差

零件內(nèi)孔尺寸的精度受到車刀的控制精度的直接影響。如果車刀的參數(shù)設(shè)置不精確時就會出現(xiàn)車刀伸出量過大的情況，并且在作業(yè)時受到車刀剛度的影響也會產(chǎn)生一定的彎曲變形，這樣也導致內(nèi)孔的尺寸出現(xiàn)誤差[1]。不僅如此，如果工件與車刀的距離不平行，一方有傾斜時加工出的工件尺寸也缺少相應的精度。

2.1.2 加工時的熱變形

零件的壁套較薄，因此在進行切削作業(yè)時就很容易受熱而發(fā)生變形，這樣也會導致內(nèi)孔出現(xiàn)一定程度的變形。另外，產(chǎn)生熱變形的過程還會導致工件形成相應的內(nèi)應力，這部分應力不能及時分解，也會在一定程度上加大工件尺寸的誤差。

2.1.3 車刀的受力變形

車刀工作時主要受到切削力的影響，從而出現(xiàn)讓刀的情況，這樣也會擴大加工工件的尺寸誤差。

2.2 影響零件幾何形狀精度的主要因素

2.2.1 工件的夾緊變形

薄壁套工件是在三爪卡盤上進行加工的，因此在受到三個卡爪的夾緊力后，工件也會產(chǎn)生部分變形，雖然在圓度上不會出現(xiàn)變形，但是當工件移出卡盤時，其彈性就會在瞬間得到恢復，這時工件內(nèi)孔的圓度也會出現(xiàn)一定程度的變形[2]。

2.2.2 加工前工件內(nèi)孔原有形狀誤差

原始工前所存在的形狀誤差會復映到之后的每一個加工流程中，經(jīng)過一系列的加工作業(yè)，內(nèi)孔的誤差仍然存在，這也叫作“誤差復映”現(xiàn)象。影響內(nèi)孔變形量的大小的因素有工件的形狀、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等，其中工件的剛性越強，穩(wěn)定性越好產(chǎn)生的變形也就越小。因此應當適度的提升工件的剛度及穩(wěn)定性，能夠有效地減少變形發(fā)生。

2.2.3 工件的受力變形

工件在被加工時最主要的力是來自設(shè)備的切削力，工件受力之后很容易出現(xiàn)變形，而且變形量的大小與切削力的大小有直接的關(guān)系。如果切削參數(shù)設(shè)置的不合理就容易導致應力過大，產(chǎn)生的熱效應造成工件變形量加大。

（1）背吃刀量。切削深度的變化對工件表面殘余應力及其分布并沒有顯著的差別，這是因為切削深度的增加并不會導致工件表面發(fā)生殘余熱變形。這也表明雖然切削深度與切削力有關(guān)，但是其并不控制工件表面的殘余應力[3]。

（2）進給量。進給量與殘余應力之間有著密切的關(guān)系。當進給量增大時切削溫度也隨之升高，工件就會產(chǎn)生較大的殘余應力，這樣就造成了應力的集中。

（3）切削速度。切削速度越快，表層金屬就越容易產(chǎn)生部分彈塑性的變形，再加上切削時由于摩擦會產(chǎn)生部分熱量，也會造成切削溫度的增加。雖然這個過程并不會迅速導致溫度上升，但是切削熱向工件內(nèi)部傳導時有一定的滯后性，因此切削熱容易集聚在切削面，使得工件溫度過高而出現(xiàn)一定程度的熱塑性變形。

2.3 冷卻液的選擇

切削液的使用不僅能夠減少切削作業(yè)時的摩擦，有助于切削的順利完成，還會在一定程度上起到降溫的作用。除此之外，還可以起到清洗刀具以及防銹的功能。水溶液、乳化液和切削油是目前使用最多的種類。

2.3.1 水溶液

水溶液顧名思義就是主要成分是水。雖然水具有良好的導熱性能，降溫冷卻的性能也較好，但是由于水的特性，導致其在防銹以及潤滑方面卻有所不足。

2.3.2 乳化液

乳化液是用水將乳化油稀釋成95%～98%的溶液。這種切削液不僅有優(yōu)異的降溫冷卻性能，在潤滑以及防銹方面也表現(xiàn)良好。

2.3.3 切削油

切削油主要是由礦物油組成的，在實際使用時還會向其中加入油性添加劑、極壓添加劑以及防銹添加劑。雖然這種切削油在增添了物質(zhì)后各方面的性能也有所提升，但是其冷卻效果不佳。

2.4 工件材料

不同的材料會有不同的淬透性，因此在進行熱處理時也會產(chǎn)生不同的變形。

2.5 加工后應力變形

零件在進行加工時，本身的內(nèi)應力呈現(xiàn)均勻分布的狀態(tài)，但是當去除了部分材料或者受力時，內(nèi)應力就會重新分布到新的平衡狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的變形[4]。

3 改進方案

3.1 針對工件的裝夾變形

優(yōu)化三爪卡盤的卡爪結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形夾緊的方式進行固定，如圖1所示。

圖1 三爪卡盤的卡爪結(jié)構(gòu)

通過環(huán)形夾緊的方式能夠使力均勻分布在工件表面，應力不再集中在夾緊處，因此降低了因夾緊而出現(xiàn)變形的幾率。

3.2 針對切削參數(shù)

經(jīng)過車削試驗可以得出結(jié)論：當吃刀量與進給量同時變大時，切削力及變形都會相應的增加，不利于薄壁件的加工；當減少吃刀量的同時又增加進給量，盡管產(chǎn)生的切削力有了一定程度的降低，但是工件表面的殘余受力面積擴大，表面的光滑度降低，工件的內(nèi)應力就會相應的增加，從而導致工件產(chǎn)生一定程度的變形。綜合以上結(jié)論，選擇2刀加工的方法，具體加工參數(shù)如表1所示。

表1 車削參數(shù)表

3.3 針對冷卻液的選擇

對薄壁套件進行內(nèi)孔加工時屬于精加工，雖然加工量較小，但是對精度以及粗糙度的要求較高。在加工時需要的切削力較小，不會產(chǎn)生過于集中的熱量，所以該作業(yè)可以選擇具有較高濃度的乳化液或者切削油。

3.4 針對工件材料

8620H 鋼源于美國AISI（SAE）標準中的“H”結(jié)構(gòu)鋼，該種類型的鋼材有著嚴格的參數(shù)標準，但是其淬透性范圍較小，為6～8HRC，而相比于我國的齒輪鋼12～15HRC 的淬透性范圍而言小了許多。根據(jù)以上研究可知，淬透性范圍直接關(guān)系到熱處理變形的大小，所以為了盡可能的降低熱處理對工件造車的影響，將工件的材料確定為8620H，這樣就能夠有效的降低熱變形，避免了誤差的出現(xiàn)。

4 改進工藝，提高加工精度

4.1 粗、精加工進行有效區(qū)別

在進行精加工的作業(yè)時，應當選擇高精度的機床、合理的切削量，盡可能的降低切削力以及切削熱的產(chǎn)生，另外在粗加工中產(chǎn)生的部分變形還可以在這一階段得到一定程度的修正。比如粗加工時，工件受到夾緊力的作用容易產(chǎn)生較大的變形，但是精加工時該力較小，因而工件的變形也會相應減少，降低了工件的誤差[5]。因此應當將粗、精加工進行有效的區(qū)別，能夠最大程度的提高工件加工的精確度與質(zhì)量。

4.2 多次走刀逐步消除原始誤差

由于初始零件就存在一定的形狀誤差，而且其內(nèi)孔與外圓在軸度上也有一定的偏差，可以選取多次走刀的措施逐漸消除原始誤差。根據(jù)誤差復映的原理，多次走刀能夠達到工件所需的精度。

4.3 確定刀具的伸長量，降低卡盤的安裝誤差

刀具伸長量的大小決定了刀具的變形程度。因此要合理調(diào)整刀具的伸長量，否則刀具變形也會引起工件產(chǎn)生相應的變形，精度得到不控制。在加工前還要調(diào)整工件與刀具位置，確保二者同軸，避免增加新的偏差。

4.4 優(yōu)化卡爪結(jié)構(gòu)，改為環(huán)形夾緊

盡可能選擇圖1 所示的環(huán)形卡爪結(jié)構(gòu)，這樣能夠保證工件表面的均衡受力，盡可能的降低單位面積的壓力，夾緊力產(chǎn)生的變形也會相應減少，確保了工件圓度上的精確度。

4.5 改變夾緊方式

采用“徑向半柔性定位，軸向壓緊”的方式。操作實踐證明這種方式能夠有效避免工件外圓表面的應力集中。通過螺栓將夾具體的左端與車床主軸法蘭盤進行有效的連接，而且圓心與車床的主軸保持一致，這樣不僅能夠確定工件的徑向面，還能夠在一定程度上提高對徑向力的承載能力，大大提升了工件的剛度。不僅如此，工件與定位面所呈現(xiàn)“半柔性”的間隙配合狀態(tài)能夠有效消除徑向應力的作用，再通過鎖緊螺母對工件的斷面進行軸向壓緊。完成這兩步操作后就可以將主軸孔推向右方的主軸孔，從而推出加工完畢的工件。

4.6 加工效果及經(jīng)濟效益

通過以上的改進措施，工件內(nèi)孔的尺寸精度有了很大的提高，并且能夠滿足設(shè)計的需求。其中孔的圓度誤差小于0.10 mm，同軸度上產(chǎn)生的誤差小于0.05 mm，符合相應的設(shè)計標準。以上案例也表明，從工藝系統(tǒng)以及加工方式上進行改進，能夠有效提升工件的精度，很好地解決了薄壁件內(nèi)孔容易變形的情況，保障了工件內(nèi)孔的加工質(zhì)量，節(jié)約了工件的使用量。

5 結(jié) 語

經(jīng)過以上的研究可知，對于薄壁、易變性的工件進行加工時，要減少誤差的存在確保工件的精度就應該在加工工藝上做出改進。根據(jù)工件的不同材質(zhì)、性能等情況具體分析，找出最合理有效的加工方法。雖然以上的研究能夠較好地解決工件變形的現(xiàn)象，但是要獲得精度更高的工件，還需要進一步優(yōu)化加工工藝，改進加工方法。