異形零件加工工藝及變形控制方案

中國鐵道科學研究院機車車輛研究所 (北京 100081) 王立超 張 磊 張海軍 王 欣 陳 劍

機械設計與制造中具有特殊用途的異形零件越來越多，這些零件結構剛性差，形狀不規則。因此在加工過程中，與外形規則的零件加工之間有很大區別。首先，異形件很難用常用的工裝進行裝夾，必須設計專用的工裝夾具。其次，異形件在加工過程中，容易發生變形。因此，必須要根據具體零件的尺寸、熱處理等技術要求的不同，來采取相應、有效的工藝路線及變形控制方案，以滿足圖樣要求。

下面以一個異形件為例，進行詳細說明。主要對16 mm×110 mm深長槽加工過程變形工藝控制方案進行論述。零件如圖1所示。

圖1

1.零件加工難點分析

該零件毛坯為鑄鋼件，從產品零件圖分析，加工過程存在以下幾個難點:

(1)零件加工時，尺寸為36 mm×33 mm的兩長方形支腳的所有面都需要加工，兩支腳剛性較差，裝夾困難，必須有專用工裝來完成。

(2)圖樣中兩處形位公差要求較高，尺寸為16 mm×110 mm×33 mm的長槽加工時，變形控制是該件能否順利進行的關鍵點。長槽的變形量對φ16 mm孔的同軸度、公共軸線對槽中心的垂直度及兩只腳的對稱度產生極為重要的影響，變形超差會直接造成產品報廢。

2.加工工藝方案的初步確定

根據上述零件加工難點的分析，初步確定零件的機加工藝方案為:車φ175 mm外圓及端面作為加工基準→粗加工兩支腳 (去除大的加工余量)→半精加工兩支腳→精加工兩支腳→定總長→線切割長槽封口處。

加工基準是為了粗、精加工兩支腳時便于裝夾定位，為保證裝夾可靠穩定，同時又防止夾緊力對零件加工變形產生較大的影響，夾具設計時采用從兩支腳上端垂直壓緊的方式。粗加工、半精加工及精加工兩支腳加工的內容雖然不同，但定位基準一致均采用φ175 mm外圓及其端面定位 (外圓和端留有適當的精加工余量)，所以采用一套夾具來完成兩支腳所有面的加工 (壓緊面除外)，專用夾具如圖2所示。

圖2

為解決16 mm長槽加工變形的問題，所有粗、半精加工、精加工工序16 mm長槽均不開通，并留有后道工序所需余量。工藝如此安排是為了解決16 mm長槽加工的剛性問題，顯然封閉槽的剛性要遠大于開口槽。另外，考慮到只有在16 mm長槽封閉的狀態下，加工2個φ16 mm孔時，才能有效保證其同軸度和垂直度的形位公差要求。如果在16 mm槽開口狀態下加工2個φ16 mm孔，加工過程中產生的垂直于長槽側壁的切削力，必然導致開口槽較大的變形，從而使加工無法進行。而且16 mm長槽在封閉的狀態下也利于工件的裝夾，可以施加比開口槽時較大的垂直壓緊力，而不會造成零件的夾緊變形，精加工后零件的示意圖如圖3所示。

圖3

精加工兩支腳并定長后，在數控車床上完成φ152 mm外圓、端面及SR24 mm球面的精車，精車夾具如圖4a所示。最終在線切割機床上完成16 mm槽的開槽工。

選用電加工方式完成封閉開口加工而不用銑削加工的方式，首要目的還是要防止切削力對槽變形的影響。夾具實物照片如圖4b所示。

圖4

3.初次方案在實施過程中存在的問題

盡管加工方案中充分考慮到了零件剛性、裝夾方式、切削力對加工的影響，但在實施過程中仍然存在以下2個問題:①雖然對零件加工安排時，粗精分開，但切削加工應力的影響仍然很大，造成線切割開口后16 mm尺寸上部超差嚴重，2個φ16 mm孔的同軸度和垂直度達不到設計要求。②由于變形的存在線切割16 mm槽開口處時，造成機加工成形尺寸和線切割后尺寸不一致，同時在槽壁處形成較大的切割痕，不能滿足產品的要求。

4.工藝方案的改進

根據加工過程中的實際情況，為更好地控制切削加工應力，對粗加工兩支腳后的零件增加一道人工時效熱處理工序，以減少切削加工應力釋放對16 mm槽變形的影響。此外，線切割工序改變走刀方式，首先以16 mm槽中間走刀將槽封閉處切開一條窄縫，進一步釋放應力，然后再從槽壁一側圓弧進刀，按產品成形尺寸16 mm將槽全部切開。該方案實施后徹底解決了16 mm長槽加工變形的技術難題，保證了該件批量生產的順利進行。

最終工藝方案為:車加工基準→粗加工兩支腳→去應力→半精加工兩支腳→精加工兩支腳→定長→精車外圓及SR24球面→線切割槽開口→球面淬火→表面處理。

5.結語

(1)長槽加工過程中以封閉的形式提高零件的剛性，解決了切削抗力對長槽變形的問題，同時封閉加工也利于施加較大的夾緊力。

(2)中間增加去應力工序，是為更好地解決切削加工應力釋放對16 mm槽變形的影響。

(3)選用線切割方案最終開口，以及線切割走刀方式的改進均是為達到減少切削變形的目的。

(4)粗、精加工工序分開是減少變形和切削應力的有效措施之一。