薄壁零件內孔加工變形問題與改進措施

蔡 菲

（西安航空職業技術學院 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備的作用后外形或者性能發生變化的一種形式。在對工件進行機械加工時，如何有效避免變形，提高加工質量是本文研究的方向。以下就從原材料、裝夾、切削參數、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

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

現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孔的加工，作業完成后經測量，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。根據數據顯示加工內孔的尺寸、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

對于內孔在加工過程中出現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 車刀的調整誤差

零件內孔尺寸的精度受到車刀的控制精度的直接影響。如果車刀的參數設置不精確時就會出現車刀伸出量過大的情況，并且在作業時受到車刀剛度的影響也會產生一定的彎曲變形，這樣也導致內孔的尺寸出現誤差[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時就很容易受熱而發生變形，這樣也會導致內孔出現一定程度的變形。另外，產生熱變形的過程還會導致工件形成相應的內應力，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，工件也會產生部分變形，雖然在圓度上不會出現變形，但是當工件移出卡盤時，其彈性就會在瞬間得到恢復，這時工件內孔的圓度也會出現一定程度的變形[2]。

2.2.2 加工前工件內孔原有形狀誤差

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，經過一系列的加工作業，內孔的誤差仍然存在，這也叫作“誤差復映”現象。影響內孔變形量的大小的因素有工件的形狀、材質、結構等，其中工件的剛性越強，穩定性越好產生的變形也就越小。因此應當適度的提升工件的剛度及穩定性，能夠有效地減少變形發生。

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備的切削力，工件受力之后很容易出現變形，而且變形量的大小與切削力的大小有直接的關系。如果切削參數設置的不合理就容易導致應力過大，產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生殘余熱變形。這也表明雖然切削深度與切削力有關，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系。當進給量增大時切削溫度也隨之升高，工件就會產生較大的殘余應力，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生部分彈塑性的變形，再加上切削時由于摩擦會產生部分熱量，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異的降溫冷卻性能，在潤滑以及防銹方面也表現良好。

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，本身的內應力呈現均勻分布的狀態，但是當去除了部分材料或者受力時，內應力就會重新分布到新的平衡狀態，從而產生一定的變形[4]。

3 改進方案

3.1 針對工件的裝夾變形

優化三爪卡盤的卡爪結構，采用環形夾緊的方式進行固定，如圖1所示。

圖1 三爪卡盤的卡爪結構

通過環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變形的幾率。

3.2 針對切削參數

經過車削試驗可以得出結論：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，工件的內應力就會相應的增加，從而導致工件產生一定程度的變形。綜合以上結論，選擇2刀加工的方法，具體加工參數如表1所示。

表1 車削參數表

3.3 針對冷卻液的選擇

對薄壁套件進行內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，不會產生過于集中的熱量，所以該作業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”結構鋼，該種類型的鋼材有著嚴格的參數標準，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。根據以上研究可知，淬透性范圍直接關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。

4 改進工藝，提高加工精度

4.1 粗、精加工進行有效區別

在進行精加工的作業時，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生，另外在粗加工中產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別，能夠最大程度的提高工件加工的精確度與質量。

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。因此要合理調整刀具的伸長量，否則刀具變形也會引起工件產生相應的變形，精度得到不控制。在加工前還要調整工件與刀具位置，確保二者同軸，避免增加新的偏差。

4.4 優化卡爪結構，改為環形夾緊

盡可能選擇圖1 所示的環形卡爪結構，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“半柔性”的間隙配合狀態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 加工效果及經濟效益

通過以上的改進措施，工件內孔的尺寸精度有了很大的提高，并且能夠滿足設計的需求。其中孔的圓度誤差小于0.10 mm，同軸度上產生的誤差小于0.05 mm，符合相應的設計標準。以上案例也表明，從工藝系統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孔容易變形的情況，保障了工件內孔的加工質量，節約了工件的使用量。

5 結 語

經過以上的研究可知，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。根據工件的不同材質、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象，但是要獲得精度更高的工件，還需要進一步優化加工工藝，改進加工方法。