淺談薄壁環(huán)形件變形控制

孫長友　李寶峰　路芳宇　楊海濤　李丹

摘 要：薄壁零件的變形控制一直以來都是一個(gè)難題，在質(zhì)量和效率之間更是難于取舍。文章主要介紹了一些簡易的變形控制的方法。

關(guān)鍵詞：薄壁；變形；控制

實(shí)際加工中應(yīng)結(jié)合具體條件選擇不同的控制方法。簡單易實(shí)現(xiàn)的主要有優(yōu)化加工刀具、優(yōu)化工藝方案、進(jìn)給量局部優(yōu)化、優(yōu)化切削參數(shù)、優(yōu)化裝夾方案等，下面就從以下幾方面介紹薄壁零件的變形控制。

1 變形控制對(duì)加工工藝的要求

1.1 粗加工、精加工分開

對(duì)加工精度要求較高的薄壁類零件，應(yīng)分開粗加工、半精加工、精加工進(jìn)行。粗、半精、精加工分開，可避免因粗加工引起的各種變形，包括粗加工時(shí)，壓緊力引起的彈性變形、切削熱引起的熱變形以及粗加工后由于內(nèi)應(yīng)力重新分布而引起的變形。其目的是為了保證零件的精度及穩(wěn)定性。另外，粗、精加工分開，機(jī)床設(shè)備也可得到合理的使用，即粗加工設(shè)備充分發(fā)揮其效率，精加工設(shè)備可長期保持機(jī)床的精度。

1.2 增加時(shí)效去應(yīng)力工序

內(nèi)應(yīng)力是引起零件變形的主要因素，為防止零件變形，除應(yīng)嚴(yán)格地按照材料進(jìn)行熱處理，使零件具有較好的組織外，在粗、精加工之間，增加一道時(shí)效去應(yīng)力工序，以最大限度地消除零件內(nèi)部的應(yīng)力。通常采用熱時(shí)效和自然時(shí)效的方法。這兩種方式卻都存在弊端：自然時(shí)效周期需要達(dá)到半年或兩年，周期過長；熱時(shí)效費(fèi)用高，耗能高，爐溫控制難度大，零件易氧化，且易因受熱不均導(dǎo)致裂紋，并在冷卻過程中產(chǎn)生新的應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效是以金屬零件固有頻率，利用一受控振動(dòng)能量對(duì)工件進(jìn)行處理，使工件產(chǎn)生應(yīng)變，達(dá)到消除零件殘余應(yīng)力的目的。

1.3 利用零件的整體剛性加工薄壁零件

隨著零件壁厚的減小，其剛性降低，加工變形增大。因此，在切削過程中，盡可能地利用零件的未加工部分，作為正在切削部分的支撐，使切削過程處在剛性較佳的狀態(tài)。下面舉幾個(gè)例子，如：銑“U”型槽時(shí)可以考慮先銑類似成“口”型，最后在把“口”上的橫梁銑掉，該方法能有效地降低切削變形及其影響，降低了由于剛性降低而可能發(fā)生的切削振動(dòng)。如：車加工薄壁時(shí)，可在有余量剛性較好時(shí)，先將內(nèi)側(cè)及內(nèi)槽等加工到位，再加壓蓋加工外側(cè)等多種靈活利用零件整體剛性的方法。

2 采用輔助支撐裝夾方式增強(qiáng)工藝系統(tǒng)剛性

由于薄壁類零件的形狀和結(jié)構(gòu)的多樣性以及剛度差的特點(diǎn)，裝夾時(shí)受力的作用點(diǎn)不同，產(chǎn)生的變形情況就不同。大量實(shí)踐證明，增大工件與夾具之間的接觸面積或采用軸向夾緊，可有效地降低零件在裝夾時(shí)產(chǎn)生的變形。如在銑削加工薄壁件時(shí)，使用彈性壓板，就是增加接觸零件的受力面積；在車削薄壁套的內(nèi)徑及外圓時(shí)，無論是采用簡單的過渡環(huán)，還是使用彈性芯軸、液體夾具等，均是增大零件裝夾時(shí)的接觸面積。這種方法有利于承載夾緊力，從而避免零件的變形。還可通過在內(nèi)孔加帶橡膠的內(nèi)支撐，以提高零件的剛性，抑制零件的加工變形；或采用石蠟、低熔點(diǎn)合金填充法等工藝方法，加強(qiáng)支撐，進(jìn)而達(dá)到減小變形、提高精度的目的。也可在薄壁機(jī)匣零件的加工中，先保留部分工藝筋條加強(qiáng)剛性以便進(jìn)行高效加工，之后再去掉。壓緊時(shí)對(duì)稱用力并夾緊力盡可能小些擰緊夾具零件時(shí)一定要使用限力扳手對(duì)點(diǎn)用力壓緊，保證用力均勻適度。

某環(huán)形件原銑加工工序采用簡單的止口定位、壓板夾緊裝夾方式，因壁厚較薄，在加工中產(chǎn)生變形、回彈現(xiàn)象，存在讓刀、振動(dòng)等問題。采用可調(diào)輔助支撐結(jié)構(gòu)夾具，增強(qiáng)了薄壁機(jī)匣的切削整體剛性，減小了切削過程的振動(dòng)及機(jī)匣的加工變形和讓刀現(xiàn)象，提高了加工效率，改善了加工質(zhì)量。帶有徑向輔助支撐、軟接觸精密定位新型結(jié)構(gòu)的銑加工夾具，即兩帶有可調(diào)機(jī)械輔助支撐夾具結(jié)構(gòu)。（見圖1）

3 采用電化學(xué)加工工藝方法控制加工變形

現(xiàn)代去除材料加工方法還有電火花銑、電解、化學(xué)腐蝕等許多特種加工方法，與機(jī)械加工相比電加工沒有切削力，適合應(yīng)用于薄壁零件的加工變形控制。電火花銑采用銅管電極進(jìn)行差補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，利用高溫放電腐蝕的原理去除材料，加工過程中沒有切削力，適合薄壁件粗加工，但存在高溫放電熱影響區(qū)，加工表面會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，仍然存在應(yīng)力釋放的變形趨勢。電解加工使電流通過電解質(zhì)溶液，以電極作為陰極加工工具，利用工件被加工表面產(chǎn)生陽極溶解的原理，去除零件材料；現(xiàn)代精密電解設(shè)備具有很高的精度，因其沒有切削力和熱影響區(qū)，適合薄壁機(jī)匣大余量去除材料加工，具有加工效率高、沒有加工應(yīng)力的特點(diǎn)。但電解加工工藝對(duì)環(huán)境影響較大，應(yīng)做好污染防護(hù)措施。

4 優(yōu)化加工方案、走刀路線、切削參數(shù)控制加工變形

目前，薄壁類零件內(nèi)外表面精加工基本采用數(shù)控車、數(shù)控銑等機(jī)械加工方法，機(jī)械加工方法促使薄壁構(gòu)件加工變形的兩大因素是：切削力和切削熱?？刂埔蚯邢髁σ鸨”跈C(jī)匣加工變形有兩種方法，一是增強(qiáng)工藝系統(tǒng)剛性，也包括刀具本身的剛性；二是合理選用加工刀具，走刀路線、切削參數(shù)等，減小切削力。切削熱是加工殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因，加工刀具相對(duì)于零件材料的擠壓、剪切作用，產(chǎn)生很高溫度的切屑，大量的高溫切削熱作用于零件表面產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，形成加工表面殘余應(yīng)力層。減少切削熱帶來的殘余應(yīng)力有兩種方法：一是合理的冷卻方式，采用高壓冷卻設(shè)備、內(nèi)冷結(jié)構(gòu)刀具，使冷卻液直接作用于切屑，冷卻效果更充分；二是采用高速切削技術(shù)，快速去除材料。

4.1 規(guī)劃減小環(huán)形件加工變形的切削走刀路徑

科學(xué)合理地安排薄壁環(huán)形件的切削走刀路徑，能夠減小零件加工后的變形量，因此，在規(guī)劃零件的切削加工過程時(shí)，應(yīng)根據(jù)金屬切削原理，針對(duì)零件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、精度要求和毛坯加工余量的大小，合理安排零件各個(gè)表面的加工次數(shù)和全部加工表面的先后加工順序，合理安排每一次切削的刀具進(jìn)給方向。

4.2 刀具切削方向和刀具進(jìn)給方向

對(duì)稱切削，可以使毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)稱釋放，可以有效減小零件的加工變形。對(duì)薄壁零件，采用內(nèi)外表面去除余量均等的原則，進(jìn)行輪流加工。加工時(shí)采用余量依次遞減的原則，輪流的次數(shù)越多，其應(yīng)力釋放越徹底，工件加工后變形越小。這是典型的傳統(tǒng)薄壁零件加工方案。

4.3 優(yōu)化切削參數(shù)

通過試驗(yàn)初定加工參數(shù)，如在粗加工階段采用大切深、小進(jìn)給、低轉(zhuǎn)速的強(qiáng)力切削方法提高材料去除率，而半精加工時(shí)盡量給精加工留均勻的加工余量，在精加工階段采用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給、小切深的高速切削方法，提高材料去除率、保證零件質(zhì)量。這些都固定后，還要通過現(xiàn)場試驗(yàn)和使用VERICUT優(yōu)化數(shù)控程序中的加工參數(shù)，每個(gè)程序都根據(jù)局部且削余量和機(jī)床主軸受力情況優(yōu)化程序中每段的加工參數(shù)，使其達(dá)到最優(yōu)化，尤其針對(duì)余量不均勻、轉(zhuǎn)圓角、接刀、刀軸矢量變化等處的參數(shù)優(yōu)化。

4.4 切削液的要求

在加工中為防止零件變形必須合理使用充分的切削液，必須及時(shí)有效地對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻。因?yàn)樗粌H能減少切削過程中的摩擦和降低切削溫度，還能提高刀具的耐用度和加工表面質(zhì)量、加工精度。采用高壓冷卻設(shè)備、內(nèi)冷結(jié)構(gòu)刀具，使冷卻液直接作用于切屑，冷卻效果更充分。

總之，通過有優(yōu)化工藝方案、裝夾方案、加工方法、優(yōu)化加工刀具、切削參數(shù)及進(jìn)給量局部優(yōu)化等，可以對(duì)薄壁零件的加工變形進(jìn)行控制，在質(zhì)量與效率之前取得最佳平衡點(diǎn)。