機(jī)械零件加工變形的原因分析及其改進(jìn)

劉增偉　史小園

摘 要：機(jī)械零件在加工過(guò)程中發(fā)生變形難以避免，同時(shí)也是機(jī)械加工行業(yè)中廣泛關(guān)注的問(wèn)題。由于機(jī)械零件加工中發(fā)生變形容易影響零件質(zhì)量，因此，應(yīng)盡可能減少由于變形而引起的質(zhì)量問(wèn)題。文章首先分析了機(jī)械零件加工變形的原因，然后尋找相應(yīng)的改進(jìn)策略，以期對(duì)機(jī)械零件加工變形的處理提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)械零件；加工變形；原因；改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）29-0090-02

機(jī)械加工過(guò)程中由于受到種種因素的影響，機(jī)械零件加工的變形問(wèn)題一直層出不窮，變形的零件不僅給機(jī)械加工業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)損失，而且還影響到了企業(yè)在社會(huì)上的信譽(yù)，產(chǎn)品質(zhì)量不能得到保證，這樣的發(fā)展現(xiàn)狀不利于機(jī)械加工業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)，所以必須找到機(jī)械零件加工變形的原因，從而尋求解決問(wèn)題的辦法，推進(jìn)機(jī)械加工業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展。

1 常見(jiàn)機(jī)械零件加工中變形的原因

1.1 由于內(nèi)力的作用，零件加工精度改變

因?yàn)樵谲嚧布庸さ倪^(guò)程中，通常采用四爪卡盤卡緊零件，然后利用其向心內(nèi)力的作用，對(duì)零件進(jìn)行加工。并且在零件加工的過(guò)程中，也會(huì)受到內(nèi)徑向力的作用。如果沒(méi)有很好的掌控這兩種內(nèi)力，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械零件松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致零件加工變形現(xiàn)象的發(fā)生。另外，還應(yīng)該注意如果機(jī)械零件的夾緊力減小，則機(jī)械的切削力也要隨之而減小，相反機(jī)械零件夾緊力變大，機(jī)械的切削力也必須加大，只有這樣才能保證所加工的零件受力均勻。但是在實(shí)際加工中所面臨的問(wèn)題是，加工后的機(jī)械零件的形狀與需要形狀并不匹配，其精確度已經(jīng)出現(xiàn)了很大的出入，而出現(xiàn)這種狀況的原因是加工不夠細(xì)膩，導(dǎo)致質(zhì)量不過(guò)關(guān)。

1.2 熱處理后和加工后機(jī)械零件變形問(wèn)題

一些比較薄的機(jī)械零件很容易變形，因?yàn)樗麄兊拈L(zhǎng)徑比例較大，在加工或者熱處理后會(huì)出現(xiàn)彎曲的狀況，這種彎曲被稱為草帽彎曲。這種彎曲會(huì)導(dǎo)致其平面變大，而長(zhǎng)徑比較小的機(jī)械零件經(jīng)過(guò)熱處理或是加工后也會(huì)出現(xiàn)變形，導(dǎo)致零件的直線度相對(duì)偏大。原因是零件本身就具有內(nèi)應(yīng)力，而這種內(nèi)應(yīng)力是相對(duì)平衡的狀態(tài)，但經(jīng)過(guò)熱處理或加工之后，零件自身的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生改變，從而導(dǎo)致零件的外觀發(fā)生變形。

1.3 由于外力的作用，導(dǎo)致機(jī)械零件的變形

①如果在機(jī)械零件中含有薄片和懸臂，會(huì)很容易導(dǎo)致定位不當(dāng)、裝夾不合理等現(xiàn)象的發(fā)生，零件的硬度不夠會(huì)使得零件很容易走形，無(wú)法達(dá)到圖紙所要求的精確度。

②在切削機(jī)械零件的同時(shí)，零件的形狀會(huì)在切削力的作用下發(fā)生彈性變形，這種現(xiàn)象就是所謂的“讓刀”現(xiàn)象。它會(huì)使得機(jī)械零件的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)偏差，影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

③機(jī)械零件的長(zhǎng)徑比較大，所以更容易受到切削力的作用，這樣就會(huì)導(dǎo)致非夾緊的一側(cè)更容易發(fā)生彈性變形，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 機(jī)械零件加工變形的改進(jìn)措施

2.1 減小夾緊力的措施

在剛性差的機(jī)械零件加工中，首先要通過(guò)增加輔助支撐來(lái)增加零件的剛性程度。在夾緊方面要注意夾緊點(diǎn)和零件之間的接觸面積大小。夾持的方式要合理，在機(jī)械零件是長(zhǎng)軸類的情況下，要注意夾持方式的合理，可以采用兩端定位方式進(jìn)行夾緊。對(duì)于薄壁套類零件加工中應(yīng)該使用有彈性心軸裝置來(lái)進(jìn)行裝夾，夾緊的位置應(yīng)該是零件剛性比較強(qiáng)的部位。在加工長(zhǎng)徑比較大的零件時(shí)，要注意不能采用一端懸空一端夾緊的方式，要采用兩端一起夾緊的方式從零件的頂端進(jìn)行夾緊，另外，還可以采用前端的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行夾緊控制，這樣就使其受力模型變成為簡(jiǎn)支梁模型，零件的剛性就會(huì)大大提高，減小了切削力引起的變形。另外，在鑄鐵件類零件加工中，應(yīng)注意夾具設(shè)計(jì)的合理性，首先要注意夾具設(shè)計(jì)的原則：增加懸臂部分的剛性，另外，也可以使用近年來(lái)新研究的液壓夾緊工具，以能夠有效控制零件加工中由于夾緊變形而產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題。

2.2 減小切削力的措施

在對(duì)工件的加工條件進(jìn)行研究之后，在切削加工時(shí)應(yīng)根據(jù)加工要求，注意切削的角度，應(yīng)盡量增大刀具的前角和主偏角，以促使刀鋒鋒利，減小切削力。同時(shí)在加工中應(yīng)將粗細(xì)不同的加工零件分開進(jìn)行加工，以能夠有效降低切削力和切削溫度對(duì)于整體機(jī)械零件的影響。在薄壁零件的車削中，合理的刀具對(duì)車削時(shí)切削力的大小產(chǎn)生的熱變形、工件表面的微觀都是至關(guān)重要的。前角的大小決定了刀具的鋒利程度，如果前角大，則變形和摩擦力就會(huì)減小，但前角過(guò)大，會(huì)使刀具的楔角變小，強(qiáng)度減弱，散熱情況差，磨損速度加快。所以薄壁零件加工時(shí)，所用高速的刀具，前角取6 ？觷～30 ？觷最佳，用硬質(zhì)合金刀具，前角取5 ？觷～20 ？觷。后角大，摩擦變小，切削力也變減小，使刀具強(qiáng)度減弱，所以用高速鋼車刀的時(shí)候，刀具后角取6 ？觷～12 ？觷，對(duì)于硬質(zhì)合金的刀具，后角取4 ？觷～12 ？觷。在精車加工的時(shí)候時(shí)取較大后角，粗車時(shí)取較小后角。車薄壁零件內(nèi)外圓時(shí)，首先選取大的主偏角。

2.3 減小內(nèi)應(yīng)力的措施

一方面，正火硬渡過(guò)高、混晶、大量索氏體或魏氏組織都會(huì)使內(nèi)孔變形增大，所以要用控溫正火或等溫退火來(lái)處理鍛件。金屬的正火、退火以及在進(jìn)行淬火之前的調(diào)質(zhì)，都會(huì)對(duì)金屬終極的變形量產(chǎn)生一定影響，直接影響到金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。實(shí)踐證明，在正火時(shí)采用等溫淬火可有效地使金屬組織結(jié)構(gòu)趨于平均，從而使其變形量減小。另一方面，金屬淬火后冷卻過(guò)程對(duì)變形的影響也是很重要的一個(gè)變形原因。熱油淬火比冷油淬火變形小，一般控制在100±20 ℃。油的冷卻能力對(duì)變形也是至關(guān)重要的。淬火的攪拌方式和速度均影響變形。金屬熱處理冷卻速度越快，冷卻越不平均，產(chǎn)生的應(yīng)力越大，模具的變形也越大?？梢栽诒ＷC模具硬度要求的條件下，盡量采用預(yù)冷；采用分級(jí)冷卻淬火能明顯減少金屬淬火時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，是減少一些外形較復(fù)雜工件變形的有效方法；對(duì)一些特別復(fù)雜或精度要求較高的工件，利用等溫淬火能明顯減少變形。

2.4 其他措施

機(jī)械零件在精車時(shí)與粗加工相比，機(jī)械零件裝夾方式仍然與其相同，前期的一些粗加工工序?qū)蟮酪彩怯杏绊懙?，盡量避免野蠻手工操作，避免材料組織受力變形。對(duì)于機(jī)械零件加工變形更多的控制在后道，此外新的變形也會(huì)在磨削加工時(shí)期出現(xiàn)。此外，在后續(xù)工作中，鏜床加工內(nèi)孔這一階段，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的偏差。因?yàn)槠涫窃谀ハ鞯幕鶞?zhǔn)面進(jìn)行定位加工的，其最終的精鏜內(nèi)孔必然不精確。很顯然，通過(guò)這樣的方法，其所加工的機(jī)械零件的幾何尺寸和精度，與圖紙上的要求出入很大，所以必須采取一定的措施對(duì)其進(jìn)行處理。例如：精車時(shí)控制磨削余量，特別是磨槽，余量過(guò)大容易圓角，砂輪磨損快；也可以改變傳統(tǒng)的裝夾方式，以熱處理后的精車為入手點(diǎn)，在以后的每道加工工序時(shí)，采取有效的措施，保證裝夾時(shí)機(jī)械零件避免對(duì)徑向力的承受。還可以為每一環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)專業(yè)夾具，在垂直軸的幫助下有效地防止機(jī)械零件的加工變形。此外，對(duì)于機(jī)械零件進(jìn)行熱處理或者加工后容易發(fā)生變形的狀況，可以采取以下幾種相應(yīng)的措施來(lái)予以解決。

①對(duì)于一些粗加工的產(chǎn)品要進(jìn)行精加工，盡量提升毛坯品質(zhì)，需要滲碳的產(chǎn)品滲層盡量控制淺一點(diǎn)。機(jī)械零件中的殘余應(yīng)力要盡量的去除，可采用自然時(shí)效法、人工時(shí)效法，而人工時(shí)效法則有振動(dòng)時(shí)效、熱處理時(shí)效及超聲沖擊時(shí)效，避免這些內(nèi)部應(yīng)力對(duì)零件產(chǎn)生不良的影響，導(dǎo)致零件的加工變形。此外，還要及時(shí)對(duì)有問(wèn)題的鑄件進(jìn)行合理的處理，以免平面和垂直度變大的鑄件影響所生產(chǎn)的零件的質(zhì)量。

②在機(jī)械零件加工并自然變形之后，利用專業(yè)的工具再將其進(jìn)行修整，而這種方法是在零件變形之后，再進(jìn)一步加工比較有效的方法。當(dāng)機(jī)械零件出現(xiàn)熱處理變形后，一般情況下淬火后要注意回火，因?yàn)榇慊鸸ぜ谢蚨嗷蛏俚卮嬖谝欢康臍堄鄪W氏體，這些奧氏體在室溫下的放置過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而因發(fā)生體積膨脹而導(dǎo)致開裂。同時(shí)，淬火殘余應(yīng)力的存在會(huì)助長(zhǎng)裂紋產(chǎn)生。這種裂紋是延遲發(fā)生的淬火裂紋，其形狀與淬火裂紋相同。不良補(bǔ)救措施，全部回火注意保護(hù)避免表面脫碳氧化，重新整形，再次淬火。如：通過(guò)對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)加以細(xì)化，使得機(jī)械零件加工變形的幾率大大降低，更加符合生產(chǎn)要求，精準(zhǔn)地把握?qǐng)D紙上的設(shè)計(jì)理念，減少經(jīng)濟(jì)損失，提升產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，確保實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的高效益。

3 在機(jī)械零件的加工中需要注意的方面

3.1 確保設(shè)計(jì)既科學(xué)又合理

在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，要加強(qiáng)機(jī)械零件的剛度，制定出有效的策略來(lái)調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，還要考慮到零件在加工過(guò)程中會(huì)不會(huì)發(fā)生變形，會(huì)不會(huì)受到其他外力或內(nèi)力的作用，以及出現(xiàn)其他可能出現(xiàn)的問(wèn)題。此外還要對(duì)零部件進(jìn)行科學(xué)的布置，確保機(jī)械零件的受力情況正常，能夠有效減輕機(jī)械零件的變形，盡量穩(wěn)定熱加工時(shí)的溫度，從而有效避免由于溫度而造成的機(jī)械零件變形的發(fā)生率。

3.2 零件加工的全過(guò)程要進(jìn)行嚴(yán)格控制

在機(jī)械零件加工的過(guò)程中，要時(shí)刻注意變形問(wèn)題，采取有效的措施減少機(jī)械零件的殘余應(yīng)力，盡可能控制機(jī)械零件的加工變形。

3.3 分工完成加工

要保證機(jī)械零件的加工經(jīng)歷兩道工序，即粗加工和精加工，還要保證在加工過(guò)程中零件的精確性，不斷提升產(chǎn)品的質(zhì)量。這樣不僅能夠方便以后對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行維護(hù)檢修，而且可以使得零件在加工過(guò)程中出現(xiàn)誤差的機(jī)率大大降低。

3.4 做到自然或人工時(shí)效處理

重要零件在進(jìn)行了精加工后，要通過(guò)自然或是人工時(shí)效處理才可以，從而減少機(jī)械零件加工后的應(yīng)力和變形，提升產(chǎn)品的利用率，確保生產(chǎn)的高效性，不斷完善生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，使其更加合理化、科學(xué)化。

4 結(jié) 語(yǔ)

常見(jiàn)的機(jī)械零件加工變形情況多種多樣，而對(duì)于不同因素所引起的零件變形會(huì)有相應(yīng)的措施予以解決，這需要更多的實(shí)踐進(jìn)行證明，要做好機(jī)械零件制造的每一個(gè)環(huán)節(jié)，確保生產(chǎn)過(guò)程的不斷完善，盡可能減少因?yàn)榱慵庸ぷ冃螁?wèn)題而造成的經(jīng)濟(jì)損失，確保機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)作，努力實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件加工的高質(zhì)量和高效率目標(biāo)，增加機(jī)械加工業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)收益，使其能夠走向更加廣闊的市場(chǎng)。

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