避免大直徑薄板類回轉體環形件加工變形的方法研究

◎李曉斌

一、產品介紹

本文所介紹的預埋件墊板是我公司生產制造的實驗反應堆中預埋件部分中的一個工件。其主要作用是在預埋件支承面與壓力容器支承面中間，通過螺栓將他們把合后，起到調節及支承作用。

二、加工難點分析

該項目預埋件部分中的墊板厚度尺寸為10mm，內孔為φ2360mm、外圓φ2820mm；材質為Q235A 的大直徑薄板類回轉體環形件，上、下兩端面全平面加工后平行度要求0.8mm 以內，粗糙度要求Ra1.6 以內，其加工難點為：

1.由于工件的結構特征，導致常規的薄板類工件加工用機床（刨床及磨床）無法滿足其加工要求。

2.由于墊板毛坯是由2 塊半圓弧板拼焊而成，且厚度較薄，所以工件在轉運，翻身過程中焊縫處極易變形。

3.由于墊板厚度比較薄，剛性較差，加工過程中受切削殘余應力、切削熱、夾緊力等因素的影響，工件極易產生局部或整體塑性變形。

4.墊板上、下兩端面要求工件需要在一次裝夾狀態下完成一個端面的加工，對工件的裝夾及加工方式提出嚴格要求。

三、加工方法研究

（一）切削殘余應力對變形的影響

1.殘余應力的產生。

（1）熱塑變形效應。在切削過后產生的切削熱是表層收縮多，里層收縮少。表層的收縮受里層的牽制，因而表層存在張應力，里層存在壓應力。（2）里層金屬彈性的恢復。已加工表面形成之后，因刀具的作用力消失。彈性變形趨向復原，但受到表層金屬的牽制，因而在表層造成應力狀態。

2.減小殘余應力對變形影響的措施。

（1）粗、精車工序要分開，必要時應在粗車后進行時效處理。（2）可以采用對稱加工方法，使上、下端面加工時受力均勻。（3）在刀具方面。在刀具耐用度允許的情況下，選用較大的刀具前角和主偏角。（4）切削三要素的影響。加工時可以優先需用大的切削深度，適當的進給量，小的切削速度來減小殘余應力。并保證切削為連續進給，避免刀具在工件的某一位置停留，以防止工件局部過熱，產生較大的殘余應力。

3.實際案例。

墊板由2 塊180°的圓環板拼料組焊而成，最終精加工完成后保證其平面度及平行度在0.8mm。由于組焊后，焊接應力集中和雜亂無章，導致端面變形不規則且平面高低點差值較大。所以，在粗加工時，將兩端交替均勻見光見平即可，內孔及外圓暫不加工，保證最大實體，為后續半精、精加工留有適當的余量，進行時效將殘余應力釋放。

（二）切削熱對變形及加工精度的影響

1.切削熱的產生。

（1）單位時間內，在刀具的切削作用下，切削層金屬發生彈性變形和塑性變形所轉化的熱能。（2）單位時間內，刀具前、后刀面與切屑底部摩擦后產生的熱能。（3）切削速度對切削熱的影響最為顯著。隨著切削速度的提高，切削溫度將明顯上升。

2.減小切削熱對變形及加工精度影響的措施。

（1）選擇工作穩定性好的機床，縮短加工時間。（2）改善主軸的潤滑及冷卻條件。（3）減少切削熱，可采用在切削速度不變的情況下，適度加大走刀量，以及選用前角及主偏角大的刀具來減少。（4）進給量對切削熱也有一定影響。進給速度很高時，切削區的熱量來不及傳遞給工件，所以絕大部分熱量留在切屑內，有切屑帶走，工件不受切屑熱的影響，因而防止了熱變形。（5）增加外部冷卻，以減少切削熱。

3.實際案例。

（1）加工墊板我們所選用的機床為5.3米數控立式車床，其穩定性和精度均滿足工件精加工要求。（2）墊板在5.3 米數控立車加工時選用的冷卻方式為噴霧冷卻法。噴霧冷卻是切削液被壓縮空氣通過噴霧裝置霧化，并被高速噴射到切削區。噴霧冷卻優點有：冷卻速度可調范圍廣，可從風冷到全水冷；冷卻比較均勻；可節省冷卻水。

（三）夾緊力對變形的影響（包括加工中工件震動對變形的影響）

1.夾緊力的產生。

夾緊力產生在工件與夾具的接觸區域上。理想的夾具不應該產生任何的變形，但是在許多情況下，由于夾具的制造或設計不合理，工件在夾緊力的作用下發生變形。

2.減小夾緊變形的影響措施。

（1）增加輔助支撐和輔助加緊點。（2）合理的裝夾方式，分散著力點和增加壓緊接觸面積。（3）選擇適當的加緊點。盡可能使夾緊點和支撐點對應，使夾緊力作用在支撐上。（4）粗、精加工時，選用不同的夾緊力。

3.實際案例。

在立車加工過程中，由于墊板直徑大，厚度薄剛度很弱，所以在裝夾過程中將工件至于等高墊鐵上，用壓板均勻地頂在工件周圍。頂緊力不要過大，保證定位端面與墊鐵緊密接觸，在夾緊點附近用百分表檢驗工件是否產生了夾緊力變形，以保證自然狀態下夾緊。

（四）熱處理對變形的影響

1.熱處理變形的產生。

（1）金屬在熱處理過程中發生相變。高溫時的奧氏體，冷卻后變為體積比奧氏體大的馬氏體。因而表層金屬膨脹。但受到里層金屬的牽制。結果，是表層出現壓應力，而里層存在拉應力。（2）在組焊過程中，焊縫中留有殘余應力。熱處理將焊縫處殘余應力釋放，導致工件變形。

2.應對熱處理變形的措施。

（1）工件在熱處理前應留有適當的加工余量，保證變形后加工中能滿足尺寸要求。（2）盡量減少熱處理次數。

3.實際案例。

在生產制造過程中，考慮焊接、熱處理變形等因素，根據以往制造經驗墊板單邊留有5mm 的加工余量比較合理，能夠滿足精加工的需要。

（五）吊裝運輸對變形的影響

1.吊裝及運輸過程中變形的產生。

（1）吊裝及運輸中由于起吊和翻轉時吊點選擇不合理，導致工件受力不均勻。（2）吊運中鋼絲繩選擇不合理，導致工件被鋼絲繩夾變形。（3）運輸過程中，工件固定不勞，導致磕碰變形。

2.應對吊裝及運輸過程中變形的措施。

（1）制作專用輔具，確保在起吊、翻轉及運輸中防止工件變形。（2）選擇適當長度的鋼絲繩。（3）減少起吊、翻轉及運輸次數。

四、結束語

通過以上對大直徑薄板類回轉體環形工件加工中容易引起變形的各種因素的分析和在墊板加工中實踐的應用，有效地保證了零件的加工質量，使墊板的尺寸公差及形位公差得到有效的控制，并且最終的裝配精度也得到了很好的保證，完全滿足了產品技術條件和圖紙的要求。由于目前我公司內部已經有成功案例，效果理想，所以該工藝方法和防變形措施可以推廣應用到相關類型的大型薄壁筒節零件和焊接件上。