基于加工誤差綜合分析的薄壁件工藝順序及參數(shù)優(yōu)化方法研究

譚波

四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州，646000

0 引言

國內(nèi)的零件加工業(yè)目前逐步壯大，而對于零部件的需求量也在不斷增加。目前有很多企業(yè)急需大口徑的薄壁零件，薄壁件已經(jīng)成為領(lǐng)域范圍內(nèi)非常重要的設(shè)施。在加工薄壁零件時，工藝技術(shù)非常重要，也是體現(xiàn)其基礎(chǔ)性能的指標，例如拉伸性能。同時也會影響到設(shè)計以及安全評定等。薄壁件工藝會隨著材質(zhì)的不同產(chǎn)生不同的變化，敏感性也會出現(xiàn)增大情況，主要與溫度有很大關(guān)系，當對其進行測試時，其形變強化會產(chǎn)生塑性變形量。零件業(yè)加工往往對其工藝要求非常高，對其參數(shù)也會有很高的要求，本文針對加工誤差中所形成的性能影響展開分析，并且提出合理的改進措施和方案。

1 加工誤差綜合分析的薄壁件性能的影響

1.1 立桿間距不符合方案要求

立桿間距過大，不符合制作要求，同時由于技術(shù)力量薄弱，導(dǎo)致支撐體系無法滿足較大的承載能力，也會影響到架子的穩(wěn)定狀況，在嚴重的情況下會出現(xiàn)倒塌。在施工中要按照圖紙要求，支撐間距小于1.3m×1.3m[1]。

1.2 斜撐設(shè)置不滿足方案要求

模具斜撐未按照工作要求，無法與圖紙匹配，對模板的穩(wěn)定性帶來影響，同時也會對剛度造成影響，在后期會造成混凝土澆筑出現(xiàn)偏移等情況。斜撐設(shè)置間距過大或安裝不滿足要求的，需補設(shè)斜撐。此時操作一定要按照規(guī)章要求，檢驗查收要符合相關(guān)標準規(guī)定，不滿足技術(shù)要求需要及時整改。

1.3 生產(chǎn)零件表面粗糙問題

加工行業(yè)由于受到設(shè)備的影響，所以打造的零件光滑度無法符合標準，從而會降低工作效率。光滑度比較優(yōu)質(zhì)的零件，在生產(chǎn)之后會產(chǎn)生較小的摩擦力。但是光滑度較差的零件就會產(chǎn)生較大的摩擦力，從而會影響到實際的工作效率，同時也會對機械帶來嚴重影響，在生產(chǎn)中銑工所打造出來的零件非常粗糙，但是根據(jù)分析，目前表面粗糙的主要原因是，銑刀刃口由于長時間使用會變得遲鈍，另外在震動下也會導(dǎo)致零件的粗糙，銑刀幾何參數(shù)無法與要加工的零件匹配，拖刀現(xiàn)象等，都是影響零件質(zhì)量的原因。所以在生產(chǎn)時，每一個環(huán)節(jié)都需要謹慎，要避免出現(xiàn)質(zhì)量問題。

1.4 生產(chǎn)中常見的誤差

刀具的選擇一定要合理，要避免誤差的產(chǎn)生，尤其是在銑工流程中，車床上的刀片選擇非常重要，因為在工作中可以加工水平面，也可以加工垂直面，同時還可以展開鉆孔工作。但是在很多工廠中，因為設(shè)備陳舊，所以會導(dǎo)致制作出的零部件有很大誤差。這些零件無法滿足生產(chǎn)的需求，所以只能被淘汰。刀具質(zhì)量較差會影響到工作效率，所以在選擇時一定要按照其幾何參數(shù)。另外還需正確使用冷卻液，要避免刀具有過多的磨損。

1.5 加工過程中造成安全事故

銑工大多會使用在大型設(shè)備上，所以這些設(shè)備較為精密，如果稍有差池，就會出現(xiàn)安全事故。在構(gòu)建的擺放以及滾動等工作中，容易出現(xiàn)壓手、壓腳等事故。在工作中一定要注意自身安全，所有的工作人員要高度重視此類安全問題。

1.6 背楞、螺桿設(shè)置不符合方案要求

背楞高度與其他零部件之間的距離不符合相關(guān)規(guī)定，所以會導(dǎo)致零部件出現(xiàn)移動以及彎曲變形等情況。在操作中，一定要按照嚴格要求，背楞及對拉螺桿間距過大的需及時補設(shè)加固。

2 表面層冷作硬化的影響

檢測在工藝加工當中所形成的塑變性，針對常見的扭曲變形來看，由于纖維狀組織遭到破壞，所以產(chǎn)生了工藝加工的硬化現(xiàn)象，而此時表面硬度比較大。加工中所體現(xiàn)的硬化現(xiàn)象主要是因為金屬表面出現(xiàn)了質(zhì)量較差的情況，所以對質(zhì)量帶來嚴重的影響，加工中所產(chǎn)生硬化現(xiàn)象也會促使金屬出現(xiàn)變形的情況，物理性能也會出現(xiàn)巨大的變化。另外作用力也會使其穩(wěn)定性出現(xiàn)變化，此時叫做金屬的弱化。

3 試樣表面材料的金相組織影響分析

一旦工件表面在切割加工時所產(chǎn)生的溫度高于材料發(fā)生相變的溫度，在工件表面產(chǎn)生相變進而使工件表面金屬的組織發(fā)生改變。因組織的改變使得金屬的性能發(fā)生大的變化，其中材料的硬度與強度降低，出現(xiàn)殘余應(yīng)力，甚至?xí)霈F(xiàn)細微的裂縫，即“磨削燒傷”[2]。

主要有磨削燒傷、退火燒傷、回火燒傷以及淬火燒傷等。由于金屬的不同，不同密度的金相組織也會出現(xiàn)，從而金屬的比容也會不同，表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，也因工件在切削加工過程中被切削的區(qū)域會產(chǎn)生大量的熱，殘余應(yīng)力因此產(chǎn)生。

4 薄壁件工藝對金屬材料拉伸的影響分析

從樣坯加工到合格的拉伸試樣，需要多種的加工方式和工藝，如加工圓形的試樣就需要使用車床，加工矩形的試樣則需要鐵床或刨床和平面磨床。同時，特別注意車削、磨削的深度和其進給的速度，還有潤滑冷卻等方面需要適當，從而能夠防止材料因受熱或其加工的硬化而影響到其拉伸性能。

嚴格規(guī)范機加工試樣，進而避免影響材料的性能測定方面。在實際的檢測工作中，需要正確認識和掌握其各種因素對拉伸試驗結(jié)果的影響，提高薄壁件工藝的精度，并嚴格按照標準的尺寸要求來進行加工，避免取樣和制備過程中的熱影響和加工硬化現(xiàn)象影響[3]。

5 薄壁件工藝過程中存在的問題

5.1 薄壁件加工行業(yè)盈利能力下降

據(jù)統(tǒng)計，從2015年一直到2019年，國內(nèi)的薄壁件加工行業(yè)銷售額已經(jīng)在不斷地增長，但是整體的利潤卻出現(xiàn)了下降的情況，從2019年開始，薄壁件加工行業(yè)的銷售額已經(jīng)達到了九千多億元。同比上一年增長了6%，利潤已經(jīng)達到了174億，但是比上一年下降了3%。從銷售利潤來看，目前國內(nèi)的薄壁件加工行業(yè)出現(xiàn)下降的情況，從2015年開始下降了6.3%。一直到2019年下降了.6%，下降的幅度已經(jīng)遠遠超出130%，說明國內(nèi)的薄壁件加工貿(mào)易目前已經(jīng)呈現(xiàn)摩擦性常態(tài)。目前國內(nèi)的薄壁件加工行業(yè)面臨著巨大的競爭力，所以出口量雖然在逐漸增加，但是利益卻很少。西方發(fā)達國家已經(jīng)成為薄壁件加工業(yè)的出口大國，從2016年起，國內(nèi)開始對貿(mào)易進行保護，因為國外對國內(nèi)的薄壁件加工行業(yè)展開了反調(diào)查。2019年開始，西方發(fā)達國家再次針對中國的薄壁件出口展開了反傾銷調(diào)查，與國內(nèi)的薄壁件加工行業(yè)出現(xiàn)摩擦性常態(tài)，為出口帶來了巨大的壓力，同時也面臨著很大的難度。

5.2 薄壁件加工質(zhì)量有待提高

我國是人口大國，隨著人口不斷增加，對于原材料的需求也會越來越多，薄壁件材在人們的生活中，是非常重要的一種材料。在不久的將來，薄壁材料的消費會具有較強的發(fā)展?jié)摿?，尤其是目前國?nèi)的薄壁件加工行業(yè)，政策非常嚴格，所以導(dǎo)致盈利持續(xù)下降，然而貿(mào)易摩擦也帶來了嚴重的影響，促使國內(nèi)的薄壁件加工行業(yè)必須要快速轉(zhuǎn)型。從數(shù)量轉(zhuǎn)變成質(zhì)量，以此為發(fā)展方向，國內(nèi)薄壁件加工行業(yè)需要延長產(chǎn)業(yè)鏈，并且要提高現(xiàn)實技術(shù)以及裝備的等級。按照客戶的要求來研發(fā)全新的薄壁件材料產(chǎn)品，不斷的改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，適當?shù)奶嵘a(chǎn)業(yè)鏈所產(chǎn)生的附加值，目前綠色，環(huán)保以及節(jié)能等已經(jīng)成為政策中的重點，也是國內(nèi)落實的重要方針，作為薄壁件加工行業(yè)，應(yīng)該提高產(chǎn)品技術(shù)，要避免污染環(huán)境，同時應(yīng)該降低能耗等，力求做到綠色制造。

6 薄壁件工藝處理辦法

6.1 降低毛坯內(nèi)應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力如果想要降低，那么可以采取自然以及人工的方式來進行處理。此時因為余量較大，所以在加工零部件的時候，會出現(xiàn)變形的情況。同時還會出現(xiàn)掉毛坯的情況，為了避免加工變形，首先應(yīng)該將預(yù)先加工放置半個小時，可以將內(nèi)應(yīng)力持續(xù)的釋放[4]。

6.2 改善刀具的切削能力

刀具的使用要根據(jù)其幾何參數(shù)來進行選擇，另外刀具的材質(zhì)也特別重要，要避免切削熱量所帶來的影響。使用合乎標準的道具，能夠避免零件出現(xiàn)變形。刀齒切削刃部，要有一定的粗糙度，但是應(yīng)該低于Ra=0.4um。為了避免出現(xiàn)毛刺以及鋸齒紋，這是必不可少的一個步驟，同時也能夠降低切削熱。刀具在使用一段時間之后，會出現(xiàn)不同程度的磨損，尤其是磨損值逐漸增加時，切削溫度也會不斷增加，此時零件出現(xiàn)的變形情況會非常的嚴重。選擇使用耐磨性較好的刀具材料，否則會出現(xiàn)積屑瘤。在進行切削中，要保證工件溫度，不可以超出100℃，要避免變形[5]。

6.3 改善工件的夾裝方法

有些零部件的剛性比較差，要采取一些方法，要避免其變形。薄壁零件，可以使用三爪來進行固定。尤其是薄壁零件，在加工的時候，可以使用真空吸盤，這樣做可以讓夾緊力比較均勻，同時在切削時可以充分避免工件變形。另外，填塞法也是不錯的一種方式，可以提升公益剛性，同時也可以當做填充介質(zhì)使用。在裝夾和切削時，可以充分避免工件變形。例如在工件內(nèi)放入3%～6%的尿素熔融物，在經(jīng)過加工之后，弓箭需要浸泡到水或者是酒精當中，此時可以很輕松地將填充物取出。

6.4 合理安排工序

進行高速切削會因為斷續(xù)切削以及加工量過大，以及劇烈的震動，此時會影響到精確度，同時也會造成表面過于粗糙。使用數(shù)控的工藝，在粗加工時，應(yīng)該以半加工為主。此時對零件的精確度有很高的要求，在制作后還需要進行二次加工，最后才可以展開精細加工。在粗加工之后，零件需要冷卻才可以排除內(nèi)應(yīng)力。避免變形粗加工所產(chǎn)生的余量會比變形量大，所以一般可達到1～2mm。在經(jīng)過精細加工后，零件的精確度會維持在0.2～0.5mm，使用刀具在進行加工時，應(yīng)該保持平穩(wěn)狀態(tài)，可避免切削變形，零件的表面非常的光滑，可確保質(zhì)量，同時也能夠保證精確度[6]。

7 減小加工變形的操作技巧

7.1 保證散熱性

對于余量較大的零部件展開加工的時候，首先散熱條件要好，要避免熱量出現(xiàn)集中的情況。例如90mm的板料在進行加工時，最后需要達到60mm，先從一側(cè)進行加工，然后加工另一側(cè)，但是一定要注意散熱，其表面要達到一定的平整度。每一面要分兩道工序來進行加工，最后的尺寸需要保持在0.3mm。

7.2 多次加工

針對板材零件進行加工時，如果具備多個型腔，那么需要采用多次加工的方式，要避免零件由于受力不均而出現(xiàn)變形的情況。多次加工可以使零件的每一個型腔受到不同的力度，然而零件的受力是非常均勻的，這樣才可以避免變形。切削熱的產(chǎn)生會對切削力度有一定的影響，此時加工余量如果過高，那么切削力不能太大，很容易導(dǎo)致零件變形，同時對機床主軸的剛性會產(chǎn)生影響，并且還會促使刀具加速老化。

7.3 走刀順序需要合理需要科學(xué)

在進行粗加工的時候，一定要提升其加工效率。在追求時間的情況下，要保證零部件的表面沒有多余材料，表面應(yīng)該呈光滑狀，并且有幾何輪廓。經(jīng)過精細加工，其質(zhì)量要保證一定的精準度。薄壁工件裝夾時很容易出現(xiàn)變形的情況，為了避免工件變形，要根據(jù)經(jīng)驗以及手感進行裝夾，不易過緊也不易過松，要保證其剛性。

7.4 避免過度用力

帶型腔零件在進行加工時要避免銑刀力度過大，有些操作人員由于操作失誤，在使用中將其當做鉆頭，使用垂直向下的方式去加工零件。此時會導(dǎo)致空間不足，無法排除參與廢料，此時零件會出現(xiàn)過熱，也會出現(xiàn)膨脹的情況。會導(dǎo)致斷刀出現(xiàn)，此時會造成一定的危險。同時所制作出的零件根本無法使用，同時也會造成歐劇的損壞。所以操作人員一定要按照合理的方法去操作，要避免違法操作。不僅僅會引起設(shè)備的損壞，同時還會帶來人員傷害。在加工中，人員安全是重中之重，然而加工的質(zhì)量也是非常重要的，所以一定要按照規(guī)程來操作。

7.5 EHM有限元模型的建立

EHM是屬于較為復(fù)雜的相互耦合過程，刀具與工件在充分接觸后會產(chǎn)生快速加熱的情況，需要經(jīng)過一系列耦合反應(yīng)：在達到一定電接觸狀態(tài)時，能夠迅速加熱刀具與工件的接觸部分。通過利用焦耳熱以及摩擦熱的方法來對其溫度場產(chǎn)生重要影響。本次研究主要是將EHM模型進行簡化，而后形成導(dǎo)電加熱與切削系統(tǒng)。首先，通過深入分析和研究而得到閉合電路的瞬間所產(chǎn)生的熱量，然后將該溫度作為切削起始溫度，之后將工件的初始溫度不斷改變，觀察其切削效果，以此來設(shè)置仿真實驗過程。便于觀察和研究起始溫度對工件切削效果的影響。

7.6 刀具及工件的網(wǎng)格劃分

DEFORM軟件可以自行計算給出答案，在其運算求解時，可以自動連接系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分裝置，然后不斷對其進行細化，升級和完善網(wǎng)格模型。大多數(shù)情況下認為該模型為平行四邊形，另外還可以將該模型設(shè)定為三角形。由于刀具與工件接觸的區(qū)域會產(chǎn)生嚴重的變形，因此在刀尖與工件接觸較近的部分，DEFORM系統(tǒng)軟件便會自動地運用更高等級的計算方法來對高密度的網(wǎng)格進行計算。而離刀尖位置較遠的部分，該軟件則會自動選擇網(wǎng)格密度較低的計算方式。這種方法有利于縮短計算時間，提高工作效率。本篇文章主要針對刀具的切削溫度與磨損情況進行深入分析和研究，因此本次研究將刀片設(shè)置為剛性體，將工件設(shè)置為塑形體。

7.7 磨損模型

DEFORM軟件共可以提供兩種不同的磨損模型。分別為Archard和Usui模型，多數(shù)情況下Archard磨損模型多被用于鍛造加工。而Usui磨損模型更適合用于金屬材料加工。本篇文章的刀具磨損模型所應(yīng)用的為Usui模型。該模型對消切速度及力度、接觸壓力及溫度等多方面因素進行精準分析，對刀具的磨損率更加精準。一般情況下，EMH切削過程當中，會受到溫度影響，使刀具與工件之間相互接觸，摩擦生熱，從而使刀具磨損。刀具的表面磨損情況能夠清晰的反映出刀具的使用壽命。通過實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可知，刀具的磨損程度受電流強度影響較大。其表面磨損率與電流的強度呈負相關(guān)，因此為了延長刀具的使用壽命，可以適當?shù)脑黾与娏鲝姸取?/p>

8 結(jié)語

綜上所述，薄壁件工藝加工無論是對于金屬材料的表面還是內(nèi)在結(jié)構(gòu)都具有很嚴重的影響，不僅會影響到金屬材料的外觀，更會嚴重影響金屬材料的使用性能以及自身的結(jié)構(gòu)和形狀，希望在本文相關(guān)的一系列的建議的幫助下，這些問題可以得到有效改善以及緩解?？傊S著現(xiàn)代工業(yè)與科技的不斷進步與發(fā)展，新型材料不斷興起與廣泛應(yīng)用，對金屬材料的拉伸表面和精度有了更高的要求，因此，應(yīng)該特別對起材料表面及精度、誤差等方面進行詳細分析，通過薄壁件的質(zhì)量和拉伸性能提高，為其行業(yè)更好的發(fā)展作出更大的貢獻。