變形筒狀工件中心找正方法

胡煒，李向陽，陳永峰，李恒菊

航宇救生裝備有限公司 湖北襄陽 441007

1 序言

機械加工中，為降低成本、提高效率，對一些結構件進行粗加工焊接后，再進行精加工，而在焊接時零件局部急劇加熱，變形更加明顯。筒狀工件變形后再進行機械加工時，由于坐標難以確定，以及基準找正繁瑣，導致后續精加工部分表面余量不足，造成尺寸超差甚至產品報廢。為此，變形工件在機械加工中的基準找正非常重要。

2 焊接件變形問題分析

圖1所示為某變形量較大的焊接組件，材料為鋁合金，導熱率是碳素鋼和低合金鋼的2倍多，是奧氏體不銹鋼的十幾倍。焊接采用熔焊，為防止產生冷裂紋，焊接時進行預熱，熱量迅速傳導至金屬內部，熔池形成困難，為此采用能量集中、功率大的能源，實現局部迅速加熱。材料快速受熱不均勻，造成變形量較大。焊接后進行精密加工，保證關鍵尺寸，受變形影響，產品合格率較低。初步原因分析，考慮精加工余量、精加工技術要求和精加工基準等因素[1]，特別是基準目標系統、相關聯的尺寸公差、幾何公差及關鍵尺寸余量等。

圖1 某變形量較大的焊接組件

2.1 變形件技術分析

工件由3個零部件焊接而成，主要控制尺寸φ42+0.02+0mm和φ43+0.02+0mm，在焊接后精加工，壁厚要求≥1.3mm，兼顧孔心距（30±0.05）mm，外圓φ46.5+0.1+0mm在焊接前保證尺寸。由于焊接后精加工余量較少，受焊接時加熱不均勻產生的變形影響，故出現局部加工不到位的問題，同時難以保證最小壁厚。工件焊接前后對比如圖2所示，工件缺陷如圖3所示。

圖2 工件焊接前后對比

圖3 工件缺陷

由有色金屬焊接工藝分析可知，工件焊接變形大小可通過焊接溫度等手段進行控制，但焊接變形是無法避免的，并且如果被焊接件小且薄，則焊接溫度更難控制，變形會更加明顯，甚至會出現因被焊接件薄而被熔化的現象，致使焊接后工件基準的確定成為精加工的關鍵。

2.2 生產過程中存在的問題

工件為鋁合金焊接件，焊后加工余量由工藝指定，工藝人員結合實際情況進行工藝驗證，精加工余量過大，去除材料產生的應力變形會影響工件精度。經過多次試加工，變形情況未見好轉，為此，采用較小的余量進行精密加工，但出現被加工表面余量不均、局部未能完整加工的缺陷，必須設法解決。

2.3 加工方案

先加工底座5個φ4mm孔及端面局部，再以孔定位和端面定位，加工φ42+0.02+0mm和φ43+0.02+0mm臺階孔，為此在加工5個φ4mm孔和端面時，對基準的確定尤為重要。其中技術要求中的工序尺寸相互關聯，內孔壁厚余量為0.6mm，而且單邊受壁厚≥1.3mm制約以及存在焊接位置誤差，難以保證工件加工質量。受焊接變形及余量的影響，間接確定中心坐標，對內圓柱面無法控制，當產生質量問題時，后續無法彌補。

3 加工方案改進

為了提高焊接件的機械加工合格率，在控制焊接質量后，分析工件結構，由工件結構確定基準，其中盡量遵循基準重合原則，優先保證重要表面，使加工余量均勻且誤差最小。

3.1 基準的選擇

按照工藝技術要求，工件加工余量小，尺寸基準為φ42+0.02+0mm和φ43+0.02+0mm內孔軸線，所有尺寸均是由該基準推出。結合工件結構，加工過程中反復裝夾，需要從基準轉換、定位基準的選擇、工裝夾具、加工設備和加工方法等方面入手進行分析，制定合理的解決方案。

在機械加工中，回轉體的定位基準通常選擇其內（外）表面，其基本方法是：利用百分表的針頭（或光電感應器的觸頭等），沿十字形測出4個點的中心線位置。尋找不規則圓心一般采用平均法，找正方法如圖4所示，即X1和X2向、Y1和Y2向分別取平均值，或采用杠桿表確定虛擬圓心[2]。此方法效率低，誤差較大，當焊點局部變形量過大時影響會更大。

圖4 找正方法

3.2 確定基準的方法

通過對該工件結構及加工順序進行分析，從基準的確定入手，選擇合理的定位方法，由原來采用分中法改為自定位定心法，改單件找正為浮動定位，制作專用固定圓錐銷、錐形脹套及浮動錐形銷，工裝夾具如圖5所示。

圖5 工裝夾具

用固定圓錐銷確定工件坐標最終位置，錐形脹套隨著浮動錐銷的壓緊而膨脹，自動貼合工件內壁，同時產生向下的軸向力，使工件隨錐形脹套移動，貼合底面后完成定位。錐形脹套對工件定位孔的精度沒有太高的要求，在錐形脹套允許的膨脹范圍內即可[3]，可減少因焊接變形而產生的基準誤差，在保證工件定位精度的同時夾緊工件。

3.3 夾具定位原理及計算

由圖1可知φ42+0.02+0mm為最終保證的尺寸，其單邊余量為0.6mm，采用錐形脹套為定位面，計算錐形脹套的定位誤差及基本偏差。該工件焊接前內孔直徑為41-0-0.10mm，錐形脹套外徑為40.7-0-0.03mm，固定圓錐銷與錐形脹套貼合，其目的是安裝時不受焊接工件變形影響，且滿足變形量＞0.3mm。錐形脹套在浮動錐銷的作用下不斷膨脹，按照錐形脹套12°錐度計算，浮動錐銷移動量L＝X/tan6°，其中X為錐形脹套半徑變化量。即當浮動錐銷向下移動1mm時，錐形脹套直徑增大0.21mm。按照設計，膨脹錐套與工件的間隙為0.3mm，則浮動錐銷移動1.5mm即能滿足夾緊需求。浮動錐銷向下移動的同時帶動工件向下移動，同時固定圓錐銷對錐形脹套作用，使錐形脹套上下同時均勻受力，上下端及內壁同時膨脹，使之緊密貼緊工件內壁。在貼合內壁的同時，浮動錐銷錐面對工件向下作用力，使工件下端面與固定圓錐銷臺階貼合緊密，從而使工件精準控制在固定圓錐銷位置，避免位置出現偏差，同時上下作用力夾緊工件。工件夾緊前后狀態對比如圖6所示。

圖6 工件夾緊前后狀態對比

4 加工方案改進效果

采用該錐形脹套工裝裝夾工件，具有裝卸迅速、定位精準的優點，免去了工件的杠桿表找正工步，加工出5個φ4mm小孔，后面工序采用該夾具，加工效率大幅度提升。選用φ4mm內孔及已加工面為第二步定位基準，以加工面及內孔為基準反推，精加工前一工序粗基準，直接保證φ42+0.02+0mm和φ43+0.02+0mm內孔尺寸。由于前工序采用內孔定位，所以在精加工內孔時余量均勻，未發生內壁余量不足的缺陷。采用上述方法加工后，工件壁厚均勻，無明顯偏差，且易于控制尺寸公差，最終加工出合格的產品。工件安裝如圖7所示。

圖7 工件安裝

采用錐形脹套裝夾方法，確定工件加工方案，工件尺寸均控制在技術要求范圍內。經多批次加工驗證，工件一次加工合格率達到99.9%。實踐證明，采用錐形脹套定位，對選擇最終保證最小尺寸為粗定位基準方法有效。

5 結束語

在復雜零件的加工過程中，定位方法和基準選擇非常重要。利用變形筒狀工件的輪廓定位，并設定為浮動基準，合理運用工裝夾具，解決了生產過程中因基準轉換不合理而引起的質量問題，不僅工件加工尺寸、表面粗糙度和幾何公差均達到技術要求，而且對產品質量的穩定及加工效率的提高起到了積極作用，尤其是中心線找正方法的擴展應用，為此類產品的定位方法和基準選擇提供了參考。