薄盤類零件加工變形分析與控制

吳慧媛 陳 杰

(無錫職業技術學院,江蘇 無錫 214121)

薄盤類零件普遍具有重量輕、強度高、造型美觀等特點，廣泛使用于航空航天、汽車及現代機械工業產品中。渦軸發動機中的回流器蓋板、汽車上的制動盤，切削用的圓鋸片、鋸片式銑刀和砂輪片等都是典型的薄盤類零件。薄盤類零件厚度相對較薄，剛度相對較低，加工工藝性相對較差，如果加工方法不當，加工零件時極易產生變形，精度超差，甚至報廢。因此,針對薄盤類零件加工中變形控制成了關鍵。

在實際生產中常有通過制造專用的工藝裝備，合理選擇刀具與切削參數，控制加工過程中殘余應力進而達到控制薄盤類零件變形的目的。也有人提出對零件進行適當的熱處理使變形降到最小。經過實踐證明，這些方法是可以對零件的變形進行有效的控制。

筆者以回程盤零件為例，通過分析加工變形的影響因素，然后有針對性地提出控制變形方法，并用實際生產中測量所得數據對比，得出控制方法的有效性結論，以提高零件加工的穩定性，滿足生產需求。

1 薄盤類零件變形的影響因素

薄盤類零件的變形有來自零件加工過程中直接產生的、亦有在加工完成后受到殘余應力影響產生的，以及熱處理后產生的。圖1為薄盤類零件在加工過程中受熱、冷卻不充分后導致的變形，圖2為熱處理方法不當導致的零件變形。本文重點分析加工環節產生的變形因素。縱觀整個工藝系統，其影響因素主要包括毛坯、工件、機床、刀具和切削加工的生產條件等，如圖3所示。

圖1 薄盤零件的熱變形

圖2 滲碳淬火后的薄壁齒圈發生形變

圖3 薄盤類零件變形的主要影響因素

1.1 毛坯

制造的毛坯經過熱成形后, 冷卻過程中會產生內應力, 隨著毛坯投入加工，多余的材料經過不斷切除，零件剛度也隨之減小，再伴著切削力與切削熱的作用，零件內部會產生新的殘余應力。人們經常采用熱處理的方法去除這些內應力，但是不可能徹底地去除，總會有殘余內應力留下，而在零件繼續加工中，變形就會產生。另外,隨著零件整體的形狀改變和各個截面的大小變化也會引起內應力重新分布，致使工件變形。制造毛坯本身存在著各種誤差(如平行度、垂直度等)，在加工過程中，這些誤差復映到零件上，也會使工件變形。

1.2 工件裝夾

薄盤類零件成型一般有兩種方法，尺寸精度要求不高時，可以直接沖壓成型；尺寸精度要求高時，采用切削加工成型方法居多。薄盤類零件的結構特殊，剛性較差，如果零件在裝夾時因夾緊力作用點、方向或大小選擇不當, 必然會引起附加應力變形。在加工過程中，因為夾具的夾緊力和壓力，工件也會產生彈性形變，影響工件表面粗糙度、位置精度等, 也會使工件產生加工變形。

1.3 切削力

一般影響切削力的因素主要有以下幾個方面：

(1) 切削用量的影響。切削用量三要素中，主要是進給量、背吃刀量對切削力影響較大。當背吃刀量增大一倍時,切削力也增大一倍；進給量增大一倍時,切削力僅增大70%～85%。

(2) 工件材料的影響。切削力隨著材料的強度增大而增大。材料的加工硬化能力也和切削力有關，一般來說,硬化能力較高的材料，他的切削力也會隨之變高。

(3) 刀具幾何參數的影響。刀具的幾何參數包括切削刃形狀、刃區型式、刀面型式和刀具的角度等，其中刀具角度對切削力的影響較大，且刀具前角影響最大。例如在加工塑性材料時，刀具的前角增大，切削力也會隨之增大，這種情況在切削速度低的時候較為明顯，而隨著切削速度的增大，刀具前角對切削力影響會相對減小。

(4) 刀具材料的影響。一般來說，金剛石刀具的切削力最小，高速鋼刀具的切削力最大,而硬質合金刀具居中。

(5) 切削液的影響。合理使用切削液能夠減小刀具和工件之間的摩擦，從而降低切削力。

對薄盤類零件加工過程中影響切削力的因素必須認真對待，必須采取有效措施,減少、防止因切削力因素產生工件變形。

1.4 刀具

刀具對工件變形的影響，一般來源于切削過程中產生的切削熱和切削力。在切削過程中, 切削時產生的切削熱, 會造成零件各部位溫度不均，零件產生變形；切削時產生的切削力, 使零件表面在彈性恢復后產生變形；刀具在加工過程中必然要磨損, 這樣就使得切削余量發生變化, 產生變形。

1.5 刀具路徑

在加工零件的過程中，進刀方式也會影響工件的形變，例如采用垂直進刀方式會影響腹板的加工精度。而如果是水平進刀方式則會對側壁加工精度產生影響。選取合適的下刀路徑，對走刀路徑進行適時修正，可以有效地減小變形。薄盤類零件刀具路徑修正及控制加工精度流程如圖4所示。

圖4 薄盤類零件刀具路徑修正及控制加工精度流程

由此得知，影響薄壁件加工變形的主要因素是切削力、夾緊力以及殘余應力，其他如振動、機床、加工環境溫度等因素也會影響工件的變形，但影響力較小。經過實際生產數據統計分析，各類影響因素的所占百分比如圖5所示。

2 薄盤類零件變形控制方法

隨著科學技術的發展，可以通過建立若干靜態、動態加工模型，采用有限元技術對薄壁零件和刀具進行分析，優化刀具路徑后再實施加工，從而保證零件加工質量。也有的工廠采用加工時，在工件精加工最后一次走刀時，不設置進給，讓刀具光切，再通過手工打磨來控制變形，但這種方法效率不高，零件表面質量也不高。這里通過生產經驗總結出以下解決變形控制的方法。

圖5 影響薄壁件加工變形的主要因素

2.1 合理的工藝法

通過選擇合理的工裝、加工參數和優化刀具路徑，采用特定的工藝加工方法，控制薄盤類零件的變形。

(1) 根據薄盤類零件結構特點選擇特殊機床和刀具進行加工，有效減少工件的變形。

(2) 根據不同的薄盤類零件，設計適合的專用夾具，采用合理輔助支撐，減少夾緊力和加工過程中產生的切削力，有效控制零件變形。

(3) 在設計刀具路徑的時候，經對零件變形的分析，計算出變形量，在原有刀具路徑中補償一個偏移量，得到新的刀具路徑。

(4) 切削加工時，合理選擇切削參數，不斷優化切削參數，最大程度地減小切削力，延緩刀具的磨損和降低零件表面殘余應力，有效地控制零件變形。

(5) 切削加工時，在最后一道工序的走刀中，采用無進給光切，然后再進行手工打磨，來修整變形量。但這耗時、耗力，在單件小批生產中可使用。

2.2 高速加工法

高速加工(HSM或HSC)是一種比常規切削加工速度快很多的加工方法，一般有以下幾個優點：

(1) 切削力小，在切削速度達到一定程度時，可以減少30%的切削力(主要是徑向切削力)。

(2) 精度高，表面粗糙度低，在機床高速加工時，激振頻率遠大于工藝系統的低階固有頻率，因此加工平穩，震動較小，能有效降低表面粗糙度，提高零件的精度。

(3) 工作效率高，高速加工比常規加工的切削速度和進給速度高出5～10倍，可大大減少加工時間，提高生產效率。

(4) 加工范圍很廣，采用高速切削方法能夠加工高硬度材料，加工完成后的工件表面粗糙度好。

正因為高速加工具有以上優點，對控制薄盤類零件加工變形是很有效果的。

2.3 殘余應力的消除

零件加工一般是先經粗加工去除余量—半，再進行半精加工和精加工，以獲得較高的零件質量。但針對薄盤類零件，在各道工序加工時，極易產生殘余應力，特別是在加工完成卸載后，零件內殘余應力得到釋放，殘余應力會使得零件在自由狀態下回彈，從而導致零件變形的現象嚴重。故有時會在粗加工或半精加工后，需要將零件松開釋放后再進行精加工。針對薄盤類零件加工完成后，一般有以下幾種解決方案：

(1) 增加加工前和加工中的熱處理程序。根據零件的設計和加工要求，可采用冷壓變形減少零件內殘余內應力。

(2) 對于無纖維流向要求的零件，改為預拉伸板材加工，這樣切削加工產生的殘余應力失衡，不會引起明顯的變形。該方法增加了材料和加工成本，并且降低了對零件的強度要求。

(3) 增加先進的校正設備和正規設計，通過專用校正設備準確地控制校正質量，不因傳統的手工校形產生過多的誤差。

3 薄盤類零件加工變形控制實例

以回程盤零件的加工為例，筆者進行驗證控制的變形,回程盤零件如圖6所示。該零件為6.5 mm厚的盤類零件，零件毛坯為沖壓件，經過球化處理，硬度較低，硬度值小于100HB。

通過對零件圖以及零件毛坯熱處理狀態的基本信息分析，可以得知該零件的主要加工精度是平面度0.04 mm、垂直度0.01 mm、圓度0.01 mm、粗糙度Ra0.3等要求。經分析得知,一般需要經過沖壓、車削、鉆削、磨削、鏜削等多道工序加工，擬定的加工工藝流程是：沖壓(毛坯) → 車兩面 → 粗磨兩面 → 粗鉆9孔及錐孔 → 精磨兩面 → 精加工9孔 → 滾壓9孔。在這些加工過程中，零件必然會產生一定的變形，如毛坯夾緊變形、車削變形等，這些給加工造成一定困難，會導致加工穩定性差，零件加工質量也得不到保證。這些變形最主要是反映在平面度上，通過分析，我們針對影響因素分別采取以下相應措施。

3.1 毛坯

該零件毛坯為沖壓件，沖壓后毛坯的平面度與平行度存在較大差異，平面度及平行度≥0.2 mm。如直接加工(鉆或擴)，在零件相對凹面或凸面區域加工過程會產生塑性變形及彈性變形。因此要消除這些可變因素，就需要對兩個面進行車削加工和磨削加工。

3.2 刀具

在車削加工及精加工9孔中，采用刀尖圓弧較小(如R0.4)的刀片，鋒利的刀尖易切削，可以減少工件變形受力,還可減少積屑瘤的產生，避免粘刀現象，并且在加工過程中延長刀具壽命，防止刀具過度磨損，避免切削余量的變化，從而控制變形。

3.3 工件裝夾

安裝時如果沒有選取合適的作用點和夾緊力，可能會引起工件的變形。車削加工和磨削加工兩道關鍵工序的安裝，對零件變形產生影響較大：

(1) 車削加工。首先卡盤的夾緊力直接影響零件變形，夾緊力越大，使得零件變形越嚴重，反之則夾緊力越小，產生的變形也越小；其次裝夾方式也會對變形有一定影響。針對回程盤零件，最好的方法是夾緊外圓，外圓與卡爪貼合得越好，圓弧包容得越多，則受力越均勻，產生的變形就越小，反之則越大。

(2) 磨削加工。由于磨床的磁性工作臺磁力較大，在磨削加工完畢釋放磁力后，回程盤原本磨平的平面會發生彈性變形，使得加工精度產生一定誤差。在加工過程中，如果將磁性工作臺改成磁力可調的方案進行控制，控制磁力的電壓調整在25 V時，這時零件產生的變形就可有效控制。

3.4 加工余量

加工的余量越多，則產生的變形越大，經對回程盤零件加工工藝的分析，變形主要反映在平面度上，通過表1和表2對比分析發現，加工余量越多，則變形越大，反之則越小。

因此,加工回程盤時，應采用合理的加工工序(如粗精加工分開)，合理分配加工余量，有效控制平面的變形量。

表1 平面度加工前后對比(加工余量0.75 mm) 單位:mm

表2 平面度加工前后對比(加工余量0.3 mm) 單位:mm

3.5 優化刀具路徑

加工薄盤零件時，在設計刀具路徑時，應充分考慮工件的偏移量，對刀具路徑進行修正。采用合理的刀具路徑，會減少加工中的變形。水平進刀和垂直進刀分別對腹板和側壁造成精度影響。目前數控機床設計了三種垂直進刀方式：直接垂直向下進刀、斜線軌跡進刀、螺旋式軌跡進刀。所以,對于不同的工藝采用合理的刀具路徑，可以有效減少零件的變形。

另外，在加工過程中，還應控制冷卻液的濃度、壓力等，冷卻條件的好壞也直接影響零件的變形量。回程盤零件通過以上方法加工，可有效地控制零件變形。

4 結論

變形控制是薄盤類零件加工的關鍵。文章分析了影響薄盤類零件變形的原因，結合生產現場中加工回程盤零件的具體實例，通過采用合理的加工工序、合適的加工余量及裝夾方法等來控制零件的變形量，有效提高了加工過程中的穩定性，獲得了良好的加工質量。