機(jī)械加工中的工件變形應(yīng)對(duì)策略

曹建宏 潘秀格

（1.中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039 2.洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039）

機(jī)械加工中的工件變形應(yīng)對(duì)策略

曹建宏1潘秀格2

（1.中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039 2.洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039）

工件變形是我們?cè)跈C(jī)械加工的過(guò)程中不容忽視的重要難題。顧名思義，機(jī)械加工是指以提高產(chǎn)品精度及工藝為目的，把工件的外形及工件的尺寸進(jìn)行處理加工的改變過(guò)程。在機(jī)械加工的這一過(guò)程中，工件變形是一個(gè)不可避免的重大問(wèn)題，同時(shí)也是直接影響工件產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品精度等問(wèn)題的客觀原因。本文，筆者探究的問(wèn)題就是機(jī)械加工中的工件變形及其應(yīng)對(duì)的策略。

機(jī)械加工；工件變形；工件變形原因；工件變形應(yīng)對(duì)方法

針對(duì)于時(shí)下從事機(jī)械加工工藝的人員來(lái)說(shuō)，在加工過(guò)程中最為難解決的問(wèn)題就是加工時(shí)工件出現(xiàn)變形。因此，機(jī)械加工行業(yè)工藝設(shè)計(jì)人員之間的重要話題之一，就是如何應(yīng)對(duì)工件變形問(wèn)題。以下本文是我個(gè)人根據(jù)理論知識(shí)及一部分工作經(jīng)驗(yàn)，得到的一些關(guān)于如何正確掌握工件變形產(chǎn)生原因及如何應(yīng)對(duì)的方法策略。

1 機(jī)械加工變形現(xiàn)狀分析

工件變形問(wèn)題在機(jī)械加工中，是比較難以解決的問(wèn)題。在此，我們首先必須分析產(chǎn)生工件變形的原因，然后才能采取應(yīng)對(duì)的措施。工件變形主要分為以下幾種原因：①工件的結(jié)構(gòu)和材料品質(zhì)在某些情況下會(huì)使得工件變形；②在工件裝夾時(shí)造成的變形；③工件加工時(shí)造成的變形；④加工后應(yīng)力變形。針對(duì)這四種情況，我們需要從不同的方面來(lái)進(jìn)行深層次考慮，只有這樣，我們才能更快速，更精準(zhǔn)的解決問(wèn)題。

2 工件的材料品質(zhì)和工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在某些情況下會(huì)使工件收到變形的影響

變形量與材料品質(zhì)所屬的堅(jiān)硬程度和其內(nèi)部分子間穩(wěn)定特性成正比趨勢(shì)，與工件的形狀的復(fù)雜程度、壁厚的大小和長(zhǎng)與寬比成正比。所以在我們?cè)O(shè)計(jì)和加工零件時(shí)盡最大的可能來(lái)減小這些因素影響工件的變形。特別在大型的零件所屬的結(jié)構(gòu)內(nèi)更要做到結(jié)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)。對(duì)毛坯的硬度、疏松等缺陷在加工前也要進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保毛坯的質(zhì)量上乘，減少其帶來(lái)的工件變形。

2.1 在工件的裝備夾固時(shí)造成的變形

在工件裝夾時(shí)，最重要的是要選擇正確的夾緊點(diǎn)，并根據(jù)其夾緊點(diǎn)的位置來(lái)選擇適當(dāng)?shù)膴A緊力。盡可能保證使夾緊點(diǎn)和支撐點(diǎn)保持一致，使夾緊力作用在支撐上，夾緊點(diǎn)應(yīng)盡量靠近加工面，并且選不易引起夾緊的變形的受力位置。當(dāng)工件上有兩個(gè)或者兩個(gè)以上方向的夾緊力作用時(shí)，要考慮夾緊力的順序、層次，對(duì)于使工件與支撐接觸的夾緊力應(yīng)先作用，并且不易太大，對(duì)于平衡切削力為主的夾緊力，應(yīng)作用在最后。其次要采用軸向夾緊力或增大工件與夾具的接觸面積。增加零件的剛性，這也是解決發(fā)生工件夾緊變形的有效辦法。但由于薄壁這種類型零件的形狀與結(jié)構(gòu)的特性，使其具有剛性比較低。這樣在裝夾施力的作用下，就就會(huì)極易產(chǎn)生變形，這時(shí)，增大夾具與工件之間接觸的面積，可很快速有效的降低工件在裝夾時(shí)產(chǎn)生的變形情況。例如在銑削作為工具加工薄壁件時(shí)，使用大量的彈性壓板，這樣做的目的就是使接觸零件的受力面積得到增加；在車削時(shí)，特別是薄壁套的內(nèi)徑、外圓時(shí)，無(wú)論是采用簡(jiǎn)單的彈性芯軸、整弧卡爪，還是簡(jiǎn)單的使用開(kāi)口過(guò)渡環(huán)等，均是工件裝夾時(shí)采用增大接觸面積。這種方法有利使夾緊力得到承載，從而避免或減少零件的變形。軸向夾緊力的采用，在生產(chǎn)中也被廣泛使用，設(shè)計(jì)制作專用夾具可使夾緊力在端面上作用，可以解決由于工件壁薄，剛性較差而導(dǎo)致的工件彎曲變形。

2.2 工件加工時(shí)造成的變形

我們常說(shuō)的讓刀現(xiàn)象，就是工件在切削過(guò)程中由于受到切削力的作用，產(chǎn)生向著受力方向的彈性形變。在刀具上采取相應(yīng)的措施可以來(lái)應(yīng)對(duì)此類變形，精加工時(shí)要求刀具鋒利，一方面可減少工件與刀具的摩擦所形成的阻力，另一方面可提高刀具切削工件時(shí)的散熱能力，從而減少工件上內(nèi)應(yīng)力的殘余。例如在銑削薄壁類零件的大平面時(shí)，使用單刃銑削法，選取較大的主偏角和較大的前角做為刀具參數(shù)，目的就是為了減少切削阻力。所以由于這種刀具切削輕快，并且減少了薄壁類零件的變形，以至于在生產(chǎn)中得到非常廣泛的運(yùn)用。在車削薄壁零件中，刀具角度的合理對(duì)進(jìn)行車削時(shí)所用切削力的大小、工件表面的所具有微觀質(zhì)量、車削中不可避免產(chǎn)生的熱性變形現(xiàn)象都是有重要意義的。刀具前角的大小成都控制著切削時(shí)的形變與刀具前角是否鋒利。前角過(guò)大，會(huì)造成零件與機(jī)器間的摩擦力減小和切削變形，但如果前角過(guò)于大，則會(huì)出現(xiàn)使刀具本身的強(qiáng)度減弱的情況，刀具工作楔角如果減小、則刀具本身散熱情況就會(huì)受到影響，使得散熱情況變差，磨損更加快。所以，一般車削鋼件材料的薄壁零件時(shí)，用硬質(zhì)合金刀具，前角取20～5°，用高速刀具，前角取30～6°。刀具的后角如果偏大，摩擦力小，也會(huì)使得切削力得到相應(yīng)減小，但后角過(guò)大的話也會(huì)造成刀具強(qiáng)度減弱。在薄壁零件進(jìn)行車削時(shí)，用硬質(zhì)合金刀具，后角取12～4°，用鋼車高速刀，刀具后角取12～6°，粗車時(shí)取較小的后角，精車時(shí)應(yīng)該取得較大的后角來(lái)進(jìn)行。車削薄壁零件的內(nèi)外圓時(shí)，取最大的主偏角。所以，刀具的正確選擇是應(yīng)對(duì)工件變形的必要條件。

工件變形得另一原因是受加工中刀具和工件摩擦產(chǎn)生的熱量的影響，所以在很多情況下工作人員會(huì)選擇高速的切削加工。在高速的切削加工過(guò)程中，由于在極其短暫的時(shí)間內(nèi)切除切屑，切屑帶走了很大一部分需要消除的切削熱，減少了工件因受熱變形的情況；其次，在高速度的工件加工中，由于減少了切削層的材料中的軟化部分，也可得到減少零件在加工時(shí)變形的目的，更可使得零件的形狀精度和尺寸得到有效的保證。另外，做為主要用來(lái)減少切削過(guò)程中的摩擦和降低切削溫度的切削液。合理使用切削液對(duì)提高刀具的耐用度、加工精度、和加工表面質(zhì)量具有重要作用。因此，必須合理使用充分的切削液來(lái)防止零件在加工中的變形。加工中保證零件精度的關(guān)鍵因素采用合理的切削用量。在加工對(duì)精度要求較打的薄壁類型零件時(shí)，一般采取對(duì)稱加工的加工方式，使在相對(duì)的兩面上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力均衡，并能夠達(dá)到一個(gè)平衡、穩(wěn)定的狀態(tài)，使得工件再加工后平整。但當(dāng)某一工序必須使用一個(gè)較大的吃刀量工序時(shí)，由于壓應(yīng)力、拉應(yīng)力失去平衡，工件便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變形反應(yīng)。而且，車削薄壁零件時(shí)零件的變形是有多個(gè)方面的原因的，工件阻礙刀具切削時(shí)產(chǎn)生的彈性變形和塑性變形，工件切削時(shí)切削力，工件夾裝時(shí)的夾緊力，使切削區(qū)溫度升高而產(chǎn)生熱變形。所以，我們要在粗加工時(shí)，進(jìn)給量和背吃刀量可以取大些；精加工時(shí)，進(jìn)給量一般在0.2～0.1mm/r，刀量一般在0.5～0.2mm，甚至更小，切削速度120～6m/min，精車時(shí)用盡量高的切削速度，但又不易過(guò)為高。合理選擇好切削用量，可以從極大程度上達(dá)到減少零件變形情況的發(fā)生。

2.3 加工后應(yīng)力變形

零件本身在加工后存在內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力分布是一種相對(duì)平衡的狀態(tài)，零件如果外形穩(wěn)定，但是當(dāng)去掉一些材料或者熱處理后內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生變化，這時(shí)工件為了重新達(dá)到力的平衡所以就發(fā)生了外形變化，產(chǎn)生了變形。這是可以通過(guò)使用熱處理這一方法解決這類變形問(wèn)題，可將需要恢復(fù)形狀的工件疊成一定高度，并采用一些方法將工裝壓緊成平直狀態(tài)，然后把工件和工裝一起放入準(zhǔn)備好的加熱的爐中，并且根據(jù)零件所屬材料的不同，選擇不同的加熱時(shí)間和加熱溫度。在加熱完成后，工件的內(nèi)部及其組織結(jié)構(gòu)會(huì)穩(wěn)定下來(lái)。此時(shí)，工件不僅消除了加工硬化現(xiàn)象，而且工件的直線度也得到了極大提高，更便于零件下一步加工的精確深入。鑄件一定要做到處理的時(shí)效性，盡量做到消除工件內(nèi)部殘余的作用力，采用變形之后再進(jìn)行加工的方式，即粗加工-時(shí)效-再加工。加工大型零件時(shí)，可以使用仿形加工這一方式，就是事先預(yù)計(jì)工件在裝配后所差別的變形量，在加工時(shí)則預(yù)留出變形量在相反的方向，這樣，在防止零件在裝配后的變形的方面十分有效。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在機(jī)械加工中，工件變形問(wèn)題是不可避免的，并且很難解決。但是我們可以對(duì)于易變形工件，在加工工藝和毛坯上都要采用相應(yīng)的對(duì)策，并需根據(jù)不同情況加以分析，這樣，我們都會(huì)找到一條合適的工藝路線，盡量減少工件在生產(chǎn)中的變形，達(dá)到工件利用率最大化。當(dāng)然，上述的方法只是進(jìn)一步減小工件變形，如果想得到更高精的工件，還需要不斷的學(xué)習(xí)、探討和研究。希望我們的機(jī)械加工工作人員，能夠孜孜不倦，創(chuàng)造出更好的工藝，為機(jī)械加工事業(yè)的發(fā)展增磚添瓦，貢獻(xiàn)自己的青春力量。

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[2]薛 華.淺析機(jī)械加工種的工作變形[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（17）：58～59.

[3]盧春霞.機(jī)械加工中的分與合[J].金屬加工，2010（17）：45～48.

TH161.3

A

1004-7344（2016）18-0261-02

2016-6-1

曹建宏（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)方面工作。

潘秀格（1986-），女，助理工程師，本科，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面工作。