機械加工中工件變形的預(yù)防措施分析

(1.中國航發(fā)燃?xì)廨啓C有限公司，遼寧 沈陽 110043；2.沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043)

0 引言

在實際加工過程中，機械零部件的形狀控制會受到多種因素的影響，如果最終尺寸與設(shè)計尺寸差值超過誤差允許范圍，會致使成型工件無法使用而報廢，帶來經(jīng)濟損失。工件變形一直是機械加工行業(yè)無法回避的難題，雖然我國機械加工行業(yè)取得了長足的進步，技術(shù)成熟度逐步提升，但對這一技術(shù)瓶頸仍無法給出十分理想的解決方案。因此，有必要在機械加工行業(yè)未來發(fā)展中，進行持續(xù)性探索。以工件變形產(chǎn)生機理為重點，在不斷的重復(fù)性試驗中尋找行之有效的措施，使機械加工產(chǎn)品質(zhì)量和整體生產(chǎn)水平得到提升。

1 機械工件在加工過程中的變形成因

1.1 不同工件結(jié)構(gòu)與材質(zhì)引入

機械加工過程中，工件材質(zhì)是最大的機加工變形引入因素，也是最直觀的成因。長期的工件加工經(jīng)驗表明，強度高、塑性好的材質(zhì)不易發(fā)生變形；反之，變形程度隨硬度與塑性的增加而降低。在實際加工過程中，材質(zhì)不達標(biāo)的工件無法有效抵抗外在壓力，工件的變形風(fēng)險加大，變形嚴(yán)重時會導(dǎo)致工件無法正常使用。另一方面，應(yīng)首先確定合理的工件結(jié)構(gòu)，對加工工件變形的影響力僅次于工件材質(zhì)。其中橫截面突變、壁厚不均勻、機加工工藝流程設(shè)計不合理等結(jié)構(gòu)設(shè)計問題較為典型，工件加工后的應(yīng)力集中現(xiàn)象突出，此時若外力撤去，便會導(dǎo)致工件變形。

1.2 工件裝夾與加工方式

工件加工前，首先要進行裝夾定位，操作過程中如果工人沒有嚴(yán)格按照裝夾操作流程進行，便會存在夾緊點與定位面選擇方式欠佳的風(fēng)險，與科學(xué)性、合理性、有效性的裝夾原則相背離，最終引發(fā)工件加工變形情況的出現(xiàn)，在正式加工前引入額外的工件變形。

同時在實際加工過程中，切削表面與加工刀具表面之間會發(fā)生劇烈的摩擦現(xiàn)象，在這個過程中會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱能會沿著工件表面擴散，這就是熱應(yīng)力的形成機理。由于工件自身強度的存在，在加工過程中會與刀具相互作用，形成一對作用力與反作用力。當(dāng)工件強度足夠大時，這種反作用力會增大工件的附加力，最終引發(fā)工件變形情況的發(fā)生。

1.3 殘余應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力作用

金屬材質(zhì)工件在外力作用下會發(fā)生變形，內(nèi)部晶相組織相互作用產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，對外力作用效果進行抵抗性再平衡，使工件形態(tài)維持原來的狀態(tài)。內(nèi)應(yīng)力是可以消除的，常用手段有三種：①對加工完的工件進行高溫?zé)崽幚怼＂谑┘油庠谡駝拥臅r效處理。③自然環(huán)境下的時效處理。

正常情況下，受外界環(huán)境影響，非穩(wěn)定狀態(tài)下的平衡是很難維持的。殘余應(yīng)力會自發(fā)地再平衡，引發(fā)變形現(xiàn)象發(fā)生，工件原有的加工精度受到影響。消除殘余應(yīng)力同樣有三種方法：①對零部件實施熱處理工藝。②優(yōu)化零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。③合理安排工藝流程。

1.4 不同熱處理方式引入的變形

熱處理是一種常用的加工工藝，包括淬火、回火、退火等。為了獲取特定的材料特性，部分加工過程中的零件需要進行熱處理，部分零件在加工完成后實施熱處理。一般而言，工件經(jīng)過加熱、保溫、冷卻處理后，會出現(xiàn)不同程度的變形。通過不同加工處理對比試驗可知，各機加工因素對工件變形的影響程度是不同的。其中，以材質(zhì)、工件裝夾、加工過程的影響最大。

2 防止機械加工引發(fā)工件變形的有效措施

2.1 根據(jù)工件結(jié)構(gòu)選用合適的加工材質(zhì)

在工件加工變形影響因素中，工件材質(zhì)與結(jié)構(gòu)居于前兩位，這兩個要素的選取應(yīng)與工件特點、用途相一致。工件材質(zhì)的選取，首先應(yīng)考慮應(yīng)用場景，如軸選用45#鋼調(diào)質(zhì)，以增加韌性與剛度；機座宜選用鑄鐵，以獲得足夠硬度；對于重載、易變性的工件可以考慮選用合金鋼材質(zhì)，避免工件加工過程中的變形；對于輕載工況下的零件，出于成本考慮，不宜選用合金材質(zhì)，可以通過表面噴丸、淬火等加工工藝，獲得特定的材料特性。工件材質(zhì)在影響其正常使用的同時，還會對使用壽命產(chǎn)生影響。加工變形的另一個主要影響因素是工件結(jié)構(gòu)，合理的工件結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效避免變形的發(fā)生，例如避免結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生突變，盡量設(shè)計成中心對稱結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)過長或過薄的工件結(jié)構(gòu)。同時，制定合理的工藝流程，同樣材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的工件，在不同工藝流程下，最終產(chǎn)品的差異性是明顯的。因此，在優(yōu)化工藝流程組合的同時，積極探索新的加工工藝，最大程度預(yù)防工件加工變形。

2.2 選用合理的固定結(jié)構(gòu)

不同的裝夾方式同樣會對工件加工變形產(chǎn)生影響，定位面的選擇尤為重要。依據(jù)基準(zhǔn)重合設(shè)計原則，定位面一般應(yīng)選定工件中接觸面積最大的表面，以確保工件加工完成后的整體穩(wěn)定性。定位面確定后，開始選擇夾緊點，與定位支撐點一一對應(yīng)，這種布局方式使夾緊力與支撐力相互抵消，獲得適當(dāng)?shù)膴A緊力，同時避免工件中出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。夾緊力大小的確定受兩個因素影響，一是保證夾持牢固可靠；二是避免工件出現(xiàn)變形，這兩個因素是相互制約矛盾體的兩個方面。實際加工過程中，夾持力的施加需嚴(yán)格遵循操作順序，切勿錯亂。

2.3 降低工件內(nèi)部應(yīng)力

工件在加工過程中，金屬表面必然會承受擠壓力與摩擦力，造成工件內(nèi)部的各種應(yīng)力。為了能夠有效避免上述壓力的產(chǎn)生，一般選用對稱加工方式，來平衡機械加工過程中出現(xiàn)的應(yīng)力變化。關(guān)于中心對稱的兩個平面作用反向作用力，實現(xiàn)工件整體的穩(wěn)定狀態(tài)。對于工件的重要加工部位，選定先粗后精的加工方式，合理確定切削三要素：切削速度、進給量、切削深度，粗、精加工階段選用不同的切削要素。在加工非對稱結(jié)構(gòu)工件時，其毛坯制造可采用反變形手段，即在工件變形位置的反方向預(yù)留變形量，綜合考慮工件變形的不同影響因素，將工件加工完成后的變形控制在合理范圍內(nèi)。

2.4 降低切削力影響

切削力會引入工件變形，切削力大小與變形程度呈正比例關(guān)系，選用合適的刀具和切削用量，可以有效地減少切削力。機加工過程中，要確保工件的切削部位得到不間斷的充分冷卻、降低熱傳導(dǎo)性的同時，消除切削過程產(chǎn)生的熱能。對于不同工件結(jié)構(gòu)，應(yīng)合理選擇差異化的切削參數(shù)，粗加工階段，宜選定較大的切削用量，降低切削進給量，以提高切削效率；精加工階段，為了獲得較高的表面加工質(zhì)量，應(yīng)減小吃刀量，增大切削速度。工件加工過程中的熱量，主要來自于刀具與工件的摩擦，如果這些熱量不能及時消除，勢必會引發(fā)工件的加工變形。在高速切削情況下，不僅可以縮短加工時間，同時選用合理的冷卻方式，有助于切削熱量耗散。

2.5 其他措施

工件加工后的應(yīng)力應(yīng)該得到釋放，可以施用一些強制性手段，其中以專用保護夾具、振動時效、矯正法應(yīng)用最為廣泛，實際可操作性強，將工件變形程度控制在最小范圍。以振動時效設(shè)備為例，以新能源作為驅(qū)動源，近幾年市場占有率呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，可以有效去除工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高其抗疲勞強度，尤其適用于去除大型組焊結(jié)構(gòu)件應(yīng)力。

3 結(jié)語

制造業(yè)的發(fā)展離不開機械加工產(chǎn)業(yè)的支持，工件變形一直以來被視為國際性行業(yè)難題。機加工行業(yè)應(yīng)給予工件變形足夠的重視，研究機加工變形機理，從理論層面尋找加工變形成因，以降低其風(fēng)險，使機加工產(chǎn)品的零件及整體質(zhì)量得到同步提升。