軸套類零件機(jī)加工變形因素與應(yīng)對(duì)措施

蔡 楊

（浙江永成機(jī)械有限公司，紹興 311835）

軸套類零件大部分都是薄壁零件，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，精度要求標(biāo)準(zhǔn)高，在設(shè)備產(chǎn)品中具有精確的支撐、導(dǎo)向和保護(hù)主軸的作用，并承受相應(yīng)的徑向力和軸向力。制造和加工質(zhì)量是否良好，直接危害產(chǎn)品功能及其使用期限。所有產(chǎn)品都含有軸套類零件。在整個(gè)加工過(guò)程中，相對(duì)嚴(yán)重的變形通常會(huì)損害產(chǎn)品規(guī)格和外觀精度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有必要分析變形的原因，并運(yùn)用合理的加工技術(shù)進(jìn)行處理，以確保加工零件的精度。薄壁套類銅合金鑄件在實(shí)際加工中，因?yàn)樵摬牧系臒崤蛎浵禂?shù)大、抗壓強(qiáng)度低且極易變形，加之在切削熱作用下變形非常大，從而對(duì)零件的精度造成了一定影響，且加工難度系數(shù)也很大。因此，本文將分析此類零件變形要素的加工技術(shù)對(duì)策。

1 軸套類零件加工特點(diǎn)

軸套類零件毛坯的形式有鑄件、鍛件和棒料3種[1]。它的產(chǎn)品特性是精度高、壁薄、極易變形。它的加工結(jié)構(gòu)主要有軸頸、軸肩、鍵槽、螺紋、內(nèi)孔、倒角以及圓角等。因?yàn)榱慵叽绻钜蠓浅８撸饕獏?shù)指標(biāo)值不允許產(chǎn)生較大的差異。它的內(nèi)腔加工也具有很高的公差要求，但零件整體厚度很薄，因此極易出現(xiàn)扭曲或變形情況，造成加工過(guò)程出現(xiàn)相應(yīng)的缺陷。

2 軸套類薄壁零件發(fā)生變形的因素

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)致薄壁類零件變形的因素有多種，主要可分成兩類。一類是內(nèi)應(yīng)力塑性變形。薄壁類零件在鑄造時(shí)，由于金屬材料組成的不均勻或熱處理過(guò)程中加熱和冷卻的不均勻都會(huì)引起內(nèi)應(yīng)力，在塑性條件下會(huì)形成內(nèi)應(yīng)力塑性變形。根據(jù)內(nèi)應(yīng)力形成的原理以及特性差異，可分成熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種塑性變形。另一類是人為錯(cuò)誤造成的失真。在對(duì)薄壁類零件加工的整個(gè)過(guò)程中，有許多因人為錯(cuò)誤而變形的元素。工裝方式不合理、裝夾零件夾緊力不均衡、壓緊力支點(diǎn)不等、零件被隨意敲打、切削量大、零件的加工振動(dòng)或溫度差異等，均歸因于人為錯(cuò)誤引起的變形。

3 軸套類零件加工變形控制的有效措施

3.1 選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸷突鼗鹛幚矸椒ǎ刂茻釕?yīng)力和變形的機(jī)會(huì)

軸套類零件最常用的材料是青銅和黃銅。離心鑄造或砂型鑄造的零件毛坯，由于零件內(nèi)部存在氣孔、縮孔、晶粒粗大等缺陷，相對(duì)降低了工件的拉伸強(qiáng)度Rm、斷后伸長(zhǎng)率A、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2和下屈服強(qiáng)度ReL。零件在加工前必須開展應(yīng)力失效處理，目的在于消除零件內(nèi)應(yīng)力，以便金屬材料分子結(jié)構(gòu)能夠有序整齊排列，減少由于加工后應(yīng)力釋放不足引起的零件變形。通常使用的方法包括自然時(shí)效法、振動(dòng)時(shí)效法以及熱時(shí)效法等[2]。

自然時(shí)效法。將零件毛坯長(zhǎng)時(shí)間露天存放，因?yàn)樽匀粶囟茸兓铜h(huán)境條件變化讓零件內(nèi)應(yīng)力逐漸得到釋放，尺寸漸趨穩(wěn)定。此種方式通常需要超過(guò)半年的時(shí)間，并不利于提升經(jīng)濟(jì)效益。

振動(dòng)時(shí)效法。經(jīng)過(guò)對(duì)零件施加周期性振動(dòng)，促使零件應(yīng)力在共振頻率下出現(xiàn)振動(dòng)。此種振動(dòng)應(yīng)力持續(xù)促進(jìn)金屬自身的金屬分子移位和晶格滑移，進(jìn)行松弛與均化內(nèi)應(yīng)力。通常運(yùn)用大型激振器，其原理是運(yùn)用激振器外界振動(dòng)力讓其和鑄件產(chǎn)生共振，進(jìn)而得到一定的振動(dòng)能量。共振過(guò)程中，交變初應(yīng)力和剩余應(yīng)力進(jìn)行疊加，促使零件發(fā)生較大的振動(dòng)，使內(nèi)部移位與晶界形成微觀滑移。由此可知，剩余應(yīng)力的不穩(wěn)定性導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生松弛和重新分布，導(dǎo)致零件出現(xiàn)永久的塑性變形。

熱時(shí)效處理。當(dāng)前通常使用的方法是對(duì)零件展開熱時(shí)效處理——回火，也稱去應(yīng)力退火。針對(duì)一般的銅合金類零件，不斷的加工試驗(yàn)顯示，把零件在箱式回火爐內(nèi)加熱至260～300 ℃，保溫3～10 h后冷卻到100～150 ℃，然后出爐進(jìn)行自然冷卻，零件內(nèi)應(yīng)力會(huì)充分釋放，加工后更趨穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，在之后加工采用同種工藝條件下，有回火處理的零件變形量基本會(huì)下降0.04～0.06 mm。為充分優(yōu)化工藝性價(jià)比，消除零件應(yīng)力，零件開展熱時(shí)效的最佳時(shí)機(jī)是在粗車加工后半精車之前，順序?yàn)榇旨庸さ交鼗鹪俚骄庸ぁ?duì)于精度、抗拉、硬度等相關(guān)性能具有很高標(biāo)準(zhǔn)的零件，在半精車后再進(jìn)行固溶處理。把零件逐漸加熱至適宜溫度，保溫一定時(shí)間（參考上述回火溫度），之后快速水冷卻到自然溫度。第二相均勻析出彌散分布，明顯提升了零件強(qiáng)度和硬度。

3.2 選用適當(dāng)夾緊方法，消除夾緊力引起的變形

在裝夾過(guò)程中，薄壁類銅套鑄件由于薄壁鑄件剛性不高，夾緊著力點(diǎn)如未能合理選擇，導(dǎo)致產(chǎn)生額外附加應(yīng)力，且夾緊的延性變形會(huì)影響規(guī)格和工件的外觀精度。運(yùn)用普通自定心卡盤固定的鑄件內(nèi)孔加工后的變化過(guò)程，如圖1所示。例如，零件是圓形I，裝夾后形成三菱形Ⅱ，加工完成后孔是圓形Ⅲ，但卡盤松開后，因?yàn)榱慵椥曰謴?fù)使得內(nèi)孔轉(zhuǎn)變成三菱形Ⅳ。為降低變形，有必要讓夾緊力分布更加均勻。一般的操作方法包括以下幾種類型[3]：（1）應(yīng)用專用車床卡盤；（2）應(yīng)用壓板方式；（3）應(yīng)用增大裝夾接觸面積（加開縫套筒）；（4）運(yùn)用彈性脹緊式芯軸；（5）在毛坯零件上預(yù)留相應(yīng)夾持長(zhǎng)度，在工件一次裝夾中完成內(nèi)、外圓的加工后，將工件切下；（6）應(yīng)用軸向夾緊模式；（7）應(yīng)用工藝?yán)摺Ｔ谖遢S聯(lián)動(dòng)數(shù)控車床實(shí)際加工中，采用普通自定心卡盤加持的薄壁工件，加工完成后普遍變形量可控制在0.04～0.06 mm，改用壓板變形量可以控制在0.01～0.02 mm，符合成品圖紙要求。所以，采用合適的裝夾方式可有效降低薄壁工件的變形量。

圖1 運(yùn)用普通自定心卡盤固定的鑄件內(nèi)孔加工后的變化過(guò)程

3.3 選擇適度的切削量，減少零件在整個(gè)加工過(guò)程中的變形

切削用量是切削速度、背吃刀量以及進(jìn)給量的統(tǒng)稱。它是機(jī)加工過(guò)程中用于調(diào)整工具以及工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及其相對(duì)位置的主要參數(shù)。

工件在切削過(guò)程中承受車床刀具的切削摩擦阻力，且在相反方向上產(chǎn)生摩擦阻力。由于車床刀具強(qiáng)度高于工件的強(qiáng)度，因此工件發(fā)生彈性變形。如果刀具使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鋒利的邊緣會(huì)變鈍，與鑄件之間的摩擦所引起的摩擦阻力會(huì)持續(xù)增加，且鑄件所引起的延性變形也會(huì)增加。因此，無(wú)論是粗加工還是精加工，都需要鋒利的刀具。這不僅可以提高切削速度和光澤度，而且可以減少整個(gè)切削過(guò)程中刀具產(chǎn)生的熱量，并延長(zhǎng)刀具壽命。

在加工過(guò)程中，使用適量的切削用量，切削零件的深度和進(jìn)給量。粗車取深度ap=2～6 mm，精車取深度ap=0.1～0.3 mm；進(jìn)給量粗車取進(jìn)給量f=0.2～0.3 mm·r-1，精車取進(jìn)給量f=0.1～0.16 mm·r-1；切削速度粗車取切削速度Vc=100 m·min-1，精車取切削速度Vc=300 m·min-1。選擇時(shí)，要充分考慮CNC機(jī)床、夾具、刀具以及鑄件的剛性。剛性良好取高值，剛性較差要適當(dāng)降低。有效利用切削用量，可合理減少零件變形量。

在薄壁零件切削的整個(gè)過(guò)程中，有效調(diào)整刀具角度，對(duì)切削力大小、熱變形以及鑄件表層微觀質(zhì)量至關(guān)重要。刀具前角大小直接影響零件車削變形和刀具的鋒利度。前角首先影響切削位置變形程度，其次影響切削刀頭強(qiáng)度、散熱等，再次影響切削形狀和斷屑效果，最后影響零件表面質(zhì)量。需要注意，前角過(guò)大或過(guò)小都會(huì)縮短刀具的使用時(shí)間。此外，增大刀具后角可以降低后刀面和過(guò)渡表層的摩擦力，降低刀具磨損度，減低切削刃鈍圓半徑，使刀具更鋒利，從而發(fā)揮刀具的最佳性能，降低零件表面粗糙程度。在采用硬質(zhì)合金車刀對(duì)銅合金鑄件加工時(shí)，

后角合理參考范圍粗車在6°～8°，精車8°～10°[4]。

3.4 合理選擇切削液種類及澆注方式，減少切削熱變形

切削金屬在刀具作用下，接觸面會(huì)耗功而產(chǎn)生高溫，同時(shí)零件會(huì)出現(xiàn)彈性和塑性變形而耗功發(fā)熱，這是切削熱的根源。切削刃與零件之間的摩擦?xí)a(chǎn)生高熱，因此在整個(gè)切削過(guò)程中，切削部位、切削刃和零件接觸部位、切削刃后緣和連接面接觸部位3個(gè)部位都是高溫。這會(huì)使刀具磨損更快，零件出現(xiàn)尺寸和形狀誤差。為減少切削熱造成的零件與刀具變形，需要注意諸多方面：適當(dāng)選用切削用量和刀具參數(shù)；提供充足的冷卻和潤(rùn)滑，選擇合理的切削液使溫度迅速下降，從而降低切削熱和切削溫度。應(yīng)根據(jù)特定條件選擇切削液，如刀具材料、零件材料、工藝方法以及標(biāo)準(zhǔn)等。在粗加工過(guò)程中選擇切削液，宜選用3%～5%的乳化液[5]。因?yàn)榇旨庸ば枰那邢饔昧亢图庸び嗔枯^高，特別是應(yīng)用高速鋼刀具進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)形成一定的切削熱。要使用切削液澆注切削端面，目的是降溫、減少刀具磨損程度。在運(yùn)用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削加工時(shí)，通常不需要切削液。如果要使用切削液，必須連續(xù)大量澆注切削液，以避免在高溫標(biāo)準(zhǔn)下硬質(zhì)合金刀尖上產(chǎn)生大量的熱應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋。在精加工過(guò)程中選擇切削液，宜選用高濃度乳化液或是含有極壓添加劑切削液，如15%～20%得乳化液[6]。精加工時(shí)，使用潤(rùn)滑性更好的切削液可使零件表面更加平整光滑，提高零件表面質(zhì)量。但應(yīng)特別注意，切削銅合金等有色金屬零件，通常不應(yīng)使用含有硫化橡膠添加劑的切削液，以防止工件表面腐蝕。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，軸套類零件幾乎是薄壁零件，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可是精度要求極高。它的加工質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的使用功能和使用期限具有直接影響。本文經(jīng)過(guò)實(shí)例研究分析熱處理消除應(yīng)力，提出改變夾持方式、選擇切削力主要參數(shù)、選擇切削液等加工技術(shù)對(duì)策。一般將上述對(duì)策組合使用，以確保加工的薄壁零件符合圖紙要求，并合理提高零件的合格率。這種加工技術(shù)的對(duì)策可以普遍適用于解決其他類似零件的加工變形問(wèn)題。