機械加工中工件變形的預防措施分析

(1.中國航發燃氣輪機有限公司，遼寧 沈陽 110043；2.沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043)

0 引言

在實際加工過程中，機械零部件的形狀控制會受到多種因素的影響，如果最終尺寸與設計尺寸差值超過誤差允許范圍，會致使成型工件無法使用而報廢，帶來經濟損失。工件變形一直是機械加工行業無法回避的難題，雖然我國機械加工行業取得了長足的進步，技術成熟度逐步提升，但對這一技術瓶頸仍無法給出十分理想的解決方案。因此，有必要在機械加工行業未來發展中，進行持續性探索。以工件變形產生機理為重點，在不斷的重復性試驗中尋找行之有效的措施，使機械加工產品質量和整體生產水平得到提升。

1 機械工件在加工過程中的變形成因

1.1 不同工件結構與材質引入

機械加工過程中，工件材質是最大的機加工變形引入因素，也是最直觀的成因。長期的工件加工經驗表明，強度高、塑性好的材質不易發生變形；反之，變形程度隨硬度與塑性的增加而降低。在實際加工過程中，材質不達標的工件無法有效抵抗外在壓力，工件的變形風險加大，變形嚴重時會導致工件無法正常使用。另一方面，應首先確定合理的工件結構，對加工工件變形的影響力僅次于工件材質。其中橫截面突變、壁厚不均勻、機加工工藝流程設計不合理等結構設計問題較為典型，工件加工后的應力集中現象突出，此時若外力撤去，便會導致工件變形。

1.2 工件裝夾與加工方式

工件加工前，首先要進行裝夾定位，操作過程中如果工人沒有嚴格按照裝夾操作流程進行，便會存在夾緊點與定位面選擇方式欠佳的風險，與科學性、合理性、有效性的裝夾原則相背離，最終引發工件加工變形情況的出現，在正式加工前引入額外的工件變形。

同時在實際加工過程中，切削表面與加工刀具表面之間會發生劇烈的摩擦現象，在這個過程中會產生大量的熱量，這些熱能會沿著工件表面擴散，這就是熱應力的形成機理。由于工件自身強度的存在，在加工過程中會與刀具相互作用，形成一對作用力與反作用力。當工件強度足夠大時，這種反作用力會增大工件的附加力，最終引發工件變形情況的發生。

1.3 殘余應力與內應力作用

金屬材質工件在外力作用下會發生變形，內部晶相組織相互作用產生內應力，對外力作用效果進行抵抗性再平衡，使工件形態維持原來的狀態。內應力是可以消除的，常用手段有三種：①對加工完的工件進行高溫熱處理。②施加外在振動的時效處理。③自然環境下的時效處理。

正常情況下，受外界環境影響，非穩定狀態下的平衡是很難維持的。殘余應力會自發地再平衡，引發變形現象發生，工件原有的加工精度受到影響。消除殘余應力同樣有三種方法：①對零部件實施熱處理工藝。②優化零件內部結構設計。③合理安排工藝流程。

1.4 不同熱處理方式引入的變形

熱處理是一種常用的加工工藝，包括淬火、回火、退火等。為了獲取特定的材料特性，部分加工過程中的零件需要進行熱處理，部分零件在加工完成后實施熱處理。一般而言，工件經過加熱、保溫、冷卻處理后，會出現不同程度的變形。通過不同加工處理對比試驗可知，各機加工因素對工件變形的影響程度是不同的。其中，以材質、工件裝夾、加工過程的影響最大。

2 防止機械加工引發工件變形的有效措施

2.1 根據工件結構選用合適的加工材質

在工件加工變形影響因素中，工件材質與結構居于前兩位，這兩個要素的選取應與工件特點、用途相一致。工件材質的選取，首先應考慮應用場景，如軸選用45#鋼調質，以增加韌性與剛度；機座宜選用鑄鐵，以獲得足夠硬度；對于重載、易變性的工件可以考慮選用合金鋼材質，避免工件加工過程中的變形；對于輕載工況下的零件，出于成本考慮，不宜選用合金材質，可以通過表面噴丸、淬火等加工工藝，獲得特定的材料特性。工件材質在影響其正常使用的同時，還會對使用壽命產生影響。加工變形的另一個主要影響因素是工件結構，合理的工件結構設計可有效避免變形的發生，例如避免結構尺寸發生突變，盡量設計成中心對稱結構，避免出現過長或過薄的工件結構。同時，制定合理的工藝流程，同樣材質、結構的工件，在不同工藝流程下，最終產品的差異性是明顯的。因此，在優化工藝流程組合的同時，積極探索新的加工工藝，最大程度預防工件加工變形。

2.2 選用合理的固定結構

不同的裝夾方式同樣會對工件加工變形產生影響，定位面的選擇尤為重要。依據基準重合設計原則，定位面一般應選定工件中接觸面積最大的表面，以確保工件加工完成后的整體穩定性。定位面確定后，開始選擇夾緊點，與定位支撐點一一對應，這種布局方式使夾緊力與支撐力相互抵消，獲得適當的夾緊力，同時避免工件中出現內應力。夾緊力大小的確定受兩個因素影響，一是保證夾持牢固可靠；二是避免工件出現變形，這兩個因素是相互制約矛盾體的兩個方面。實際加工過程中，夾持力的施加需嚴格遵循操作順序，切勿錯亂。

2.3 降低工件內部應力

工件在加工過程中，金屬表面必然會承受擠壓力與摩擦力，造成工件內部的各種應力。為了能夠有效避免上述壓力的產生，一般選用對稱加工方式，來平衡機械加工過程中出現的應力變化。關于中心對稱的兩個平面作用反向作用力，實現工件整體的穩定狀態。對于工件的重要加工部位，選定先粗后精的加工方式，合理確定切削三要素：切削速度、進給量、切削深度，粗、精加工階段選用不同的切削要素。在加工非對稱結構工件時，其毛坯制造可采用反變形手段，即在工件變形位置的反方向預留變形量，綜合考慮工件變形的不同影響因素，將工件加工完成后的變形控制在合理范圍內。

2.4 降低切削力影響

切削力會引入工件變形，切削力大小與變形程度呈正比例關系，選用合適的刀具和切削用量，可以有效地減少切削力。機加工過程中，要確保工件的切削部位得到不間斷的充分冷卻、降低熱傳導性的同時，消除切削過程產生的熱能。對于不同工件結構，應合理選擇差異化的切削參數，粗加工階段，宜選定較大的切削用量，降低切削進給量，以提高切削效率；精加工階段，為了獲得較高的表面加工質量，應減小吃刀量，增大切削速度。工件加工過程中的熱量，主要來自于刀具與工件的摩擦，如果這些熱量不能及時消除，勢必會引發工件的加工變形。在高速切削情況下，不僅可以縮短加工時間，同時選用合理的冷卻方式，有助于切削熱量耗散。

2.5 其他措施

工件加工后的應力應該得到釋放，可以施用一些強制性手段，其中以專用保護夾具、振動時效、矯正法應用最為廣泛，實際可操作性強，將工件變形程度控制在最小范圍。以振動時效設備為例，以新能源作為驅動源，近幾年市場占有率呈現持續上升趨勢，可以有效去除工件內部的殘余應力，提高其抗疲勞強度，尤其適用于去除大型組焊結構件應力。

3 結語

制造業的發展離不開機械加工產業的支持，工件變形一直以來被視為國際性行業難題。機加工行業應給予工件變形足夠的重視，研究機加工變形機理，從理論層面尋找加工變形成因，以降低其風險，使機加工產品的零件及整體質量得到同步提升。