關(guān)于薄壁管狀零件加工工裝優(yōu)化技術(shù)的研究

董金龍

摘? 要：文章從闡釋薄壁管狀零件的結(jié)構(gòu)特征入手，針對零件加工過程中的變形問題及其原因進(jìn)行詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上選用一種專用工裝進(jìn)行殼件的裝夾與加工，并結(jié)合裝夾過程中殼件的變形情況進(jìn)行工裝的優(yōu)化設(shè)計及加工工藝調(diào)整，使得薄壁管狀零件的裝夾剛性、抗變形能力得到大幅提升。

關(guān)鍵詞：薄壁管件;零件加工;專用工裝

中圖分類號：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0098-04

Abstract： This paper explains the structure characteristic of the thin-walled tubular parts， and according to deformation in the process of parts processing problem and its reason makes an analysisin detail. On this basis， we choose a kind of special equipment and tooling for shell parts clamping and processing， and， by combining it with the deflection of the casing in the process of the clamping fixtures， makes optimized design and process adjustment， thus enhancing the clamping rigidity of the thin-walled tubular parts and the resistance to deformation.

Keywords： thin-walled tubular parts; parts processing; specialized equipment and tooling

引言

薄壁管狀零件是一種典型的難加工零件，裝夾剛性較差，在加工過程中極易產(chǎn)生變形問題。以某工件為例，該工件采用304不銹鋼作為原材料，外壁直徑φ62mm、壁厚1.5mm、長度為194mm，沖擊韌性、塑性與延伸率數(shù)值均較高，但裝夾剛性較差，在車削加工環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形問題，增大圓度與平面度誤差。

1 薄壁管件加工難點分析

1.1 工件變形原因

通過觀察薄壁管件的結(jié)構(gòu)特征可以發(fā)現(xiàn)，該零件具有外徑大、壁厚小、管體長的特點，缺少法蘭約束結(jié)構(gòu)，極易在外部應(yīng)力作用下改變橢圓度，導(dǎo)致工件扭曲變形。在選用材料方面，該工件主要采用304不銹鋼材料制成，不銹鋼的抗拉強(qiáng)度為742MPa、屈服強(qiáng)度為410MPa、延伸率為45%、斷面收縮率? 50%、彈性模量為206GPa，在延伸率、斷面收縮率等性能的影響下，工件的加工塑性高，在車削過程中易因位錯運動和增殖使零件產(chǎn)生塑性變形[1]。在加工工藝上，由于其形位公差要求，需一次裝夾完成內(nèi)、外型面的車削加工，在加工過程中會釋放毛坯內(nèi)部在制造時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，致使工件變形;同時，如果采用車床卡盤或簡單的凹凸工裝進(jìn)行工件的裝夾與粗車、半精車、精車，因工件懸伸較大、剛性較差，對于工裝的夾緊力提出了較高要求，若以內(nèi)孔為基準(zhǔn)配車實心鋁盤鑲?cè)肟變?nèi)、配合外包套輔助裝夾，仍無法避免零件的加工變形問題。

1.2 殼件變形原理

為解決薄壁管件的殼件變形問題，擬還原加工過程進(jìn)行變形原理與規(guī)律的分析。殼件在車削加工環(huán)節(jié)受軸向切削力的作用出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，其中軸向裝夾方式是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩的主要原因?；诖?，本文擬建立殼件在軸向裝夾條件下的受力狀態(tài)模型（如圖1所示），將軸向裝夾的兩側(cè)約束端截面分別設(shè)為A、C，截面B位于A、C兩截面之間，將AB、BC距離用a、b表示，分別圍繞徑向、軸向兩種夾緊工況下進(jìn)行殼件受力、變形情況的分析。

將殼件在點B處受到的旋轉(zhuǎn)扭矩設(shè)為TB，在兩約束端A、C處受到的扭矩依次為TA和TC，則依據(jù)靜力平衡方程可計算出：

根據(jù)殼件在A、C兩截面處的約束條件，得出截面A相對于C的扭轉(zhuǎn)角為零，則依據(jù)材料力學(xué)原理計算出：

其中IP為極慣性矩，z為車削截面與主軸裝夾端的間距，L為殼件總長度，P為主軸輸出功率，n為轉(zhuǎn)速。

在此基礎(chǔ)上基于材料力學(xué)中的轉(zhuǎn)動慣量可推出殼件環(huán)形截面的極慣性矩為：

同理，當(dāng)殼件處于僅在主軸一端裝夾的工況下時，依據(jù)扭轉(zhuǎn)變形與能量原理得出殼件車削加工截面的扭轉(zhuǎn)變形、軸向扭轉(zhuǎn)位移分別表示為：

依據(jù)殼件在軸向裝夾、徑向裝夾兩種情況下的扭轉(zhuǎn)變形情況可知（如圖2所示），在殼件車削加工環(huán)節(jié)，殼件在徑向裝夾狀態(tài)下受到的扭轉(zhuǎn)變形大于軸向裝夾。接下來針對殼件的軸向裝夾工況進(jìn)行分析，扭轉(zhuǎn)變形的最大值出現(xiàn)在位于殼件中間部位的B截面附近，B截面處的扭轉(zhuǎn)變形達(dá)到徑向裝夾工況下的1/2;而在殼件處于徑向裝夾工況下時，其扭轉(zhuǎn)變形的最大值則出現(xiàn)在工件末端部位。將兩種工況下零件所受的扭轉(zhuǎn)變形條件進(jìn)行比較，徑向裝夾的最大扭轉(zhuǎn)變形量為軸向裝夾的4倍。將本文選取工件的參數(shù)代入公式中，可計算出殼件的極慣性矩為2.66×10-8，軸向裝夾、徑向裝夾工況下的最大扭轉(zhuǎn)角分別為3.95×10-8rad和4.05×10-9rad，變形量分別為15.84×10-8m、16.22×10-9m。

在此基礎(chǔ)上，針對殼件在兩種裝夾狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)變形情況進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果表明在軸向裝夾與徑向裝夾兩種工況下，徑向裝夾約為軸向裝夾的6倍，與計算結(jié)果基本保持一致。

2 專用工裝優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用效果討論

2.1 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到常規(guī)車削與裝夾方式將使零件產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，因此本文擬改變原有的三爪卡盤、輔助裝夾的方式，采用專用工裝對零件內(nèi)、外型面的差別化加工與軸向裝夾（如圖3、4所示）。在內(nèi)型面加工環(huán)節(jié)，選用4根軸向均布的拉桿用來固定殼件端面的環(huán)狀壓板，使其與止口端面接觸，與外回轉(zhuǎn)面之間留有微小間隙;在外型面加工環(huán)節(jié)，利用螺桿進(jìn)行端面環(huán)狀壓板的緊固處理，使其與工件的端面實現(xiàn)良好接觸，與內(nèi)回轉(zhuǎn)面之間留有微小間隙。將該工裝應(yīng)用于殼件內(nèi)、外型面的加工過程中，在外型面與內(nèi)型面加工工序的過渡環(huán)節(jié)，利用4根拉桿與環(huán)狀壓板進(jìn)行殼件的裝夾處理，再將螺桿、端面壓板拆除并開始進(jìn)行內(nèi)型面的加工，借此既有助于保障工件加工精度的一致性、減少因工序轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差，同時還可避免多次裝夾，使徑向裝夾力大幅減小，保障零件處于均勻受力狀態(tài)下，克服扭轉(zhuǎn)變形與裝夾變形問題[2]。

2.2 裝夾過程中的殼件變形情況

2.2.1 受力分析與評價指標(biāo)選取

針對采用專用工裝進(jìn)行零件加工后零件的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，在加工內(nèi)型面時，選取4個拉桿沿環(huán)狀壓板進(jìn)行軸向均布，將工件夾緊，并且保障其端面受力均勻。在將拉桿進(jìn)行緊固處理時，將使零件端面受到不同扭矩的作用，致使其壓緊力存在一定的偏差，并且體現(xiàn)在零件的變形程度上?？紤]到此類問題，通常在實際工裝時沿對角線方向進(jìn)行拉桿的逐一循環(huán)緊固，完成4個拉桿的緊固處理，以此保障4個拉桿處產(chǎn)生的扭矩大小基本一致，實現(xiàn)均勻受力（如圖5所示）。在將螺紋進(jìn)行緊固處理時，可借助扭矩扳手進(jìn)行扭矩值的調(diào)節(jié)，保障將其固定在約0.2Nm，利用接觸面產(chǎn)生的摩擦力與切削力相抵消，最大限度減少裝夾過程中產(chǎn)生的變形量，防止因車削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不一致導(dǎo)致零件加工形狀產(chǎn)生較大誤差。

根據(jù)環(huán)形壓板所受軸向力對于零件、壓板變形產(chǎn)生的影響，以及具體的應(yīng)力分布情況，可選取軸向力作用結(jié)果作為評價指標(biāo)。通常對于環(huán)形壓板施加的軸向力主要發(fā)揮兩種作用，其一是利用軸向力將零件夾緊、固定，其二是依靠環(huán)形壓板與零件端面的良好接觸產(chǎn)生摩擦力，來抵消徑向切削力，防止零件端面與工裝接觸面產(chǎn)生相對滑移。

2.2.2 有限元分析結(jié)果

通過采用有限元分析軟件針對殼件在裝夾過程中產(chǎn)生的變形情況與應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行分析（如圖6所示），由于裝夾時環(huán)形壓板將對止口端面施加一定的壓緊力，但該壓緊力未能與胎具施加的作用力位于同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)，由此產(chǎn)生了較大的彎矩，致使殼體局部彎曲。殼件在靠近胎具部位沿徑向外凸，形成腰鼓狀變形;在臨近環(huán)形壓板一側(cè)產(chǎn)生的變形量較大，在環(huán)形壓板施加的軸向力的影響下使其止口部位向外膨脹，且靠近止口處的回轉(zhuǎn)面沿徑向內(nèi)凹，在此處產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力。

針對殼件在壓板夾緊狀態(tài)下的軸向受力情況、變形程度進(jìn)行分析，拉桿對于壓板施加的力F1與殼件止口端面所受的力并未處于同一平面，使壓板產(chǎn)生較小的彎曲變形，進(jìn)而使壓板內(nèi)側(cè)面對于圓柱管止口外沿部位施加了作用力F2，該作用力與壓板內(nèi)側(cè)面保持垂直關(guān)系，與殼件軸線間具有一定夾角，并且產(chǎn)生集中受力區(qū)。針對F2的構(gòu)成進(jìn)行分析，一方面來源于對外圓柱面沿垂直方向產(chǎn)生的作用力的徑向分力，作用于殼件止口附近，使殼件產(chǎn)生內(nèi)凹變形;另一方面來源于對殼件止口端面施加的軸向作用力，在與徑向分力、摩擦力的共同作用下致使工件止口處產(chǎn)生外脹擠壓變形。

2.3 工裝優(yōu)化調(diào)整方案

2.3.1 工藝調(diào)整

依據(jù)受力分析結(jié)果，需針對現(xiàn)有專用工裝的設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整，使環(huán)形壓板對殼件止口端面僅施加軸向作用力，防止環(huán)形壓板內(nèi)側(cè)面對殼件止口外沿處施加作用力，避免產(chǎn)生集中受力區(qū)與變形問題?；诖耍瑪M選取壓板內(nèi)側(cè)面拐角部位進(jìn)行預(yù)開槽處理，實現(xiàn)對殼件止口處變形問題的有效調(diào)控，并且在殼件加工過程中合理調(diào)節(jié)夾緊力大小，針對其扭矩值進(jìn)行精確計算，保障夾緊力恰好滿足工件夾緊需求，防止產(chǎn)生切削變形問題。在殼件裝夾環(huán)節(jié)，針對工裝過程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，改變原設(shè)計的采用三爪卡盤、一次性裝夾方式，采用專用工裝分別完成粗加工、半精加工與精加工三項工序流程，測得殼件的平面度小于0.02、圓度小于0.07，由此說明采用專用工裝優(yōu)化方案后能夠有效減小殼件變形量、提高殼件加工精度。

2.3.2 其他工藝改進(jìn)措施

首先從毛坯選擇入手，結(jié)合零件用途與性能要求進(jìn)行管材原料、規(guī)格尺寸的選取與設(shè)計，在下料后先通過加熱進(jìn)行擴(kuò)口處理、留足加工余量，再依據(jù)技術(shù)條件要求完成零件的熱處理，采用抽樣檢測的方式開展變形力試驗，保障選取合格原料作為毛坯，進(jìn)行后續(xù)加工處理。其次是車削刀具的選用，應(yīng)明確前角、后角、主偏角等幾何參數(shù)對于車削加工過程中熱變形、切削力等指標(biāo)的影響，在精加工環(huán)節(jié)確保刀柄具備足夠的剛度，控制修光刃的長度，確保刀刃的鋒利性。最后是把控好切削用量，明確內(nèi)孔粗車、內(nèi)孔精車、外圓粗車、外圓精車等環(huán)節(jié)的切削用量指標(biāo)，合理調(diào)節(jié)目標(biāo)板的凸度，配合專用夾具控制好切削力與夾緊力，保障工件加工質(zhì)量與精度，解決工件變形問題[3]。

3 結(jié)束語

本文以薄壁管件在車削加工與裝夾過程中產(chǎn)生的變形問題作為切入點，通過數(shù)值計算與有限元分析得出徑向裝夾、軸向裝夾均會使零件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，結(jié)合計算分析結(jié)果構(gòu)造出一種專用工裝，通過工裝結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化設(shè)計減少零件車削與裝夾過程中的變形量，便于提高薄壁管件的裝夾剛性、保障零件加工精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳雪芳，崔鳳有.薄壁類風(fēng)筒工件的加工方法優(yōu)化[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（7）：108-109.

[2]陳禹至，陳蔚芳，施圣杰.一種薄壁件柔性多點加工工裝布局優(yōu)化技術(shù)[J].機(jī)械制造與自動化，2018（05）：67-69.

[3]楊維忠.薄壁零件拉伸套加工控制變形專用工裝的制作[J].南方農(nóng)機(jī)，2019（19）：13.