軸套類零件機加工變形因素與應對措施

蔡 楊

（浙江永成機械有限公司，紹興 311835）

軸套類零件大部分都是薄壁零件，結構并不復雜，精度要求標準高，在設備產品中具有精確的支撐、導向和保護主軸的作用，并承受相應的徑向力和軸向力。制造和加工質量是否良好，直接危害產品功能及其使用期限。所有產品都含有軸套類零件。在整個加工過程中，相對嚴重的變形通常會損害產品規格和外觀精度。為了解決這個問題，有必要分析變形的原因，并運用合理的加工技術進行處理，以確保加工零件的精度。薄壁套類銅合金鑄件在實際加工中，因為該材料的熱膨脹系數大、抗壓強度低且極易變形，加之在切削熱作用下變形非常大，從而對零件的精度造成了一定影響，且加工難度系數也很大。因此，本文將分析此類零件變形要素的加工技術對策。

1 軸套類零件加工特點

軸套類零件毛坯的形式有鑄件、鍛件和棒料3種[1]。它的產品特性是精度高、壁薄、極易變形。它的加工結構主要有軸頸、軸肩、鍵槽、螺紋、內孔、倒角以及圓角等。因為零件尺寸公差要求非常高，主要參數指標值不允許產生較大的差異。它的內腔加工也具有很高的公差要求，但零件整體厚度很薄，因此極易出現扭曲或變形情況，造成加工過程出現相應的缺陷。

2 軸套類薄壁零件發生變形的因素

在實際生產過程中，導致薄壁類零件變形的因素有多種，主要可分成兩類。一類是內應力塑性變形。薄壁類零件在鑄造時，由于金屬材料組成的不均勻或熱處理過程中加熱和冷卻的不均勻都會引起內應力，在塑性條件下會形成內應力塑性變形。根據內應力形成的原理以及特性差異，可分成熱應力和組織應力兩種塑性變形。另一類是人為錯誤造成的失真。在對薄壁類零件加工的整個過程中，有許多因人為錯誤而變形的元素。工裝方式不合理、裝夾零件夾緊力不均衡、壓緊力支點不等、零件被隨意敲打、切削量大、零件的加工振動或溫度差異等，均歸因于人為錯誤引起的變形。

3 軸套類零件加工變形控制的有效措施

3.1 選擇適當的淬火和回火處理方法，控制熱應力和變形的機會

軸套類零件最常用的材料是青銅和黃銅。離心鑄造或砂型鑄造的零件毛坯，由于零件內部存在氣孔、縮孔、晶粒粗大等缺陷，相對降低了工件的拉伸強度Rm、斷后伸長率A、規定塑性延伸強度Rp0.2和下屈服強度ReL。零件在加工前必須開展應力失效處理，目的在于消除零件內應力，以便金屬材料分子結構能夠有序整齊排列，減少由于加工后應力釋放不足引起的零件變形。通常使用的方法包括自然時效法、振動時效法以及熱時效法等[2]。

自然時效法。將零件毛坯長時間露天存放，因為自然溫度變化和環境條件變化讓零件內應力逐漸得到釋放，尺寸漸趨穩定。此種方式通常需要超過半年的時間，并不利于提升經濟效益。

振動時效法。經過對零件施加周期性振動，促使零件應力在共振頻率下出現振動。此種振動應力持續促進金屬自身的金屬分子移位和晶格滑移，進行松弛與均化內應力。通常運用大型激振器，其原理是運用激振器外界振動力讓其和鑄件產生共振，進而得到一定的振動能量。共振過程中，交變初應力和剩余應力進行疊加，促使零件發生較大的振動，使內部移位與晶界形成微觀滑移。由此可知，剩余應力的不穩定性導致應力發生松弛和重新分布，導致零件出現永久的塑性變形。

熱時效處理。當前通常使用的方法是對零件展開熱時效處理——回火，也稱去應力退火。針對一般的銅合金類零件，不斷的加工試驗顯示，把零件在箱式回火爐內加熱至260～300 ℃，保溫3～10 h后冷卻到100～150 ℃，然后出爐進行自然冷卻，零件內應力會充分釋放，加工后更趨穩定。通過對比試驗，在之后加工采用同種工藝條件下，有回火處理的零件變形量基本會下降0.04～0.06 mm。為充分優化工藝性價比，消除零件應力，零件開展熱時效的最佳時機是在粗車加工后半精車之前，順序為粗加工到回火再到精加工。對于精度、抗拉、硬度等相關性能具有很高標準的零件，在半精車后再進行固溶處理。把零件逐漸加熱至適宜溫度，保溫一定時間（參考上述回火溫度），之后快速水冷卻到自然溫度。第二相均勻析出彌散分布，明顯提升了零件強度和硬度。

3.2 選用適當夾緊方法，消除夾緊力引起的變形

在裝夾過程中，薄壁類銅套鑄件由于薄壁鑄件剛性不高，夾緊著力點如未能合理選擇，導致產生額外附加應力，且夾緊的延性變形會影響規格和工件的外觀精度。運用普通自定心卡盤固定的鑄件內孔加工后的變化過程，如圖1所示。例如，零件是圓形I，裝夾后形成三菱形Ⅱ，加工完成后孔是圓形Ⅲ，但卡盤松開后，因為零件彈性恢復使得內孔轉變成三菱形Ⅳ。為降低變形，有必要讓夾緊力分布更加均勻。一般的操作方法包括以下幾種類型[3]：（1）應用專用車床卡盤；（2）應用壓板方式；（3）應用增大裝夾接觸面積（加開縫套筒）；（4）運用彈性脹緊式芯軸；（5）在毛坯零件上預留相應夾持長度，在工件一次裝夾中完成內、外圓的加工后，將工件切下；（6）應用軸向夾緊模式；（7）應用工藝肋。在五軸聯動數控車床實際加工中，采用普通自定心卡盤加持的薄壁工件，加工完成后普遍變形量可控制在0.04～0.06 mm，改用壓板變形量可以控制在0.01～0.02 mm，符合成品圖紙要求。所以，采用合適的裝夾方式可有效降低薄壁工件的變形量。

圖1 運用普通自定心卡盤固定的鑄件內孔加工后的變化過程

3.3 選擇適度的切削量，減少零件在整個加工過程中的變形

切削用量是切削速度、背吃刀量以及進給量的統稱。它是機加工過程中用于調整工具以及工件之間的相對運動及其相對位置的主要參數。

工件在切削過程中承受車床刀具的切削摩擦阻力，且在相反方向上產生摩擦阻力。由于車床刀具強度高于工件的強度，因此工件發生彈性變形。如果刀具使用時間過長，鋒利的邊緣會變鈍，與鑄件之間的摩擦所引起的摩擦阻力會持續增加，且鑄件所引起的延性變形也會增加。因此，無論是粗加工還是精加工，都需要鋒利的刀具。這不僅可以提高切削速度和光澤度，而且可以減少整個切削過程中刀具產生的熱量，并延長刀具壽命。

在加工過程中，使用適量的切削用量，切削零件的深度和進給量。粗車取深度ap=2～6 mm，精車取深度ap=0.1～0.3 mm；進給量粗車取進給量f=0.2～0.3 mm·r-1，精車取進給量f=0.1～0.16 mm·r-1；切削速度粗車取切削速度Vc=100 m·min-1，精車取切削速度Vc=300 m·min-1。選擇時，要充分考慮CNC機床、夾具、刀具以及鑄件的剛性。剛性良好取高值，剛性較差要適當降低。有效利用切削用量，可合理減少零件變形量。

在薄壁零件切削的整個過程中，有效調整刀具角度，對切削力大小、熱變形以及鑄件表層微觀質量至關重要。刀具前角大小直接影響零件車削變形和刀具的鋒利度。前角首先影響切削位置變形程度，其次影響切削刀頭強度、散熱等，再次影響切削形狀和斷屑效果，最后影響零件表面質量。需要注意，前角過大或過小都會縮短刀具的使用時間。此外，增大刀具后角可以降低后刀面和過渡表層的摩擦力，降低刀具磨損度，減低切削刃鈍圓半徑，使刀具更鋒利，從而發揮刀具的最佳性能，降低零件表面粗糙程度。在采用硬質合金車刀對銅合金鑄件加工時，

后角合理參考范圍粗車在6°～8°，精車8°～10°[4]。

3.4 合理選擇切削液種類及澆注方式，減少切削熱變形

切削金屬在刀具作用下，接觸面會耗功而產生高溫，同時零件會出現彈性和塑性變形而耗功發熱，這是切削熱的根源。切削刃與零件之間的摩擦會產生高熱，因此在整個切削過程中，切削部位、切削刃和零件接觸部位、切削刃后緣和連接面接觸部位3個部位都是高溫。這會使刀具磨損更快，零件出現尺寸和形狀誤差。為減少切削熱造成的零件與刀具變形，需要注意諸多方面：適當選用切削用量和刀具參數；提供充足的冷卻和潤滑，選擇合理的切削液使溫度迅速下降，從而降低切削熱和切削溫度。應根據特定條件選擇切削液，如刀具材料、零件材料、工藝方法以及標準等。在粗加工過程中選擇切削液，宜選用3%～5%的乳化液[5]。因為粗加工需要的切削用量和加工余量較高，特別是應用高速鋼刀具進行加工時，會形成一定的切削熱。要使用切削液澆注切削端面，目的是降溫、減少刀具磨損程度。在運用硬質合金刀具進行切削加工時，通常不需要切削液。如果要使用切削液，必須連續大量澆注切削液，以避免在高溫標準下硬質合金刀尖上產生大量的熱應力而出現裂紋。在精加工過程中選擇切削液，宜選用高濃度乳化液或是含有極壓添加劑切削液，如15%～20%得乳化液[6]。精加工時，使用潤滑性更好的切削液可使零件表面更加平整光滑，提高零件表面質量。但應特別注意，切削銅合金等有色金屬零件，通常不應使用含有硫化橡膠添加劑的切削液，以防止工件表面腐蝕。

4 結語

綜上所述，軸套類零件幾乎是薄壁零件，結構相對簡單，可是精度要求極高。它的加工質量對產品的使用功能和使用期限具有直接影響。本文經過實例研究分析熱處理消除應力，提出改變夾持方式、選擇切削力主要參數、選擇切削液等加工技術對策。一般將上述對策組合使用，以確保加工的薄壁零件符合圖紙要求，并合理提高零件的合格率。這種加工技術的對策可以普遍適用于解決其他類似零件的加工變形問題。