薄壁半圆件加工变形与对策

1、毕  业  论  文题目  薄壁半圆件加工变形与对策班    级   学生姓名               实习单位                         &#

2、160;指导老师          日    期      09-06-01                    薄壁半圆件加工变形与对策【摘 要】薄壁半圆环形结构的零件属断续加工，由于零件的刚性差，容易变形，加工较为困难。为解决零件的变形问题，必须在工艺上采取一些措

3、施。【关键词】半圆薄壁件 加工变形 内应力 工艺路线 一、薄壁半圆件加工中遇到的问题 图1所示为薄壁半圆件的零件。壁厚直径126，零件材料为45钢，调质处理，精度要求较高。若单件加工，则比较困难。因为它不是一个整圆件，在车床上是断续切削，定位夹紧也很困难，需要复杂的夹具。而采用两件一起车削，即加工一个整圆，然后再分开的方法，可以解决断续车削及装夹的问题。根据这一方案，制定的工艺路线为：粗车整圆热处理(调质)半精车整圆铣(切开)磨(剖分面)。按照这种路线加工零件时发现，合格的整圆零件剖开分成两个薄壁半圆件后，在零件的两端口部向内缩，缩小量达0.51mm，如图2所示。因而在装配时，零件必

4、须经过修锉，但修锉后的零件不符合图样要求。究其原因，是零件变形所致。图1所示为薄壁半圆件的零件。壁厚直径126，零件材料为45钢，调质处理，精度要求较高。若单件加工，则比较困难。因为它不是一个整圆件，在车床上是断续切削，定位夹紧也很困难，需要复杂的夹具。而采用两件一起车削，即加工一个整圆，然后再分开的方法，可以解决断续车削及装夹的问题。根据这一方案，制定的工艺路线为：粗车整圆热处理(调质)半精车整圆铣(切开)磨(剖分面)。按照这种路线加工零件时发现，合格的整圆零件剖开分成两个薄壁半圆件后，在零件的两端口部向内缩，缩小量达0.51mm，如图2所示。因而在装配时，零件必须经过修锉，但修锉后的零件不

5、符合图样要求。究其原因，是零件变形所致。图1 薄壁半圆件图2 剖开件端口向内收缩二、变形原因分析 产生这种误差的原因主要是零件的内应力所致。而内应力是热处理和车削造成的。在热处理中，零件经加热，升温至780左右，再经快速冷却(水冷)和550600高温回火，完成对零件的调质。由此可见，在调质过程中，热冷热冷，零件受热膨胀，遇冷收缩。若零件结构不规则、厚薄不一，则受到的冷热程度、热胀冷缩的程度及受热和冷却速度不一。壁薄处热胀快，冷缩也快；壁厚处热胀慢，冷缩也慢。这种速度差，就会在零件的厚处与薄处的过渡区域内形成相互作用的内应力。内应力在整圆零件内部是相互平衡的。当零件

6、被切开以后，内应力就要寻求新的平衡。这样，零件就会发生变形，而变形的大小，与其刚度有关。刚度大则变形小。对于薄壁件变形就比较大。该零件由于其中间有一段厚壁，在热处理冷却后，中间部分冷却速度慢，在其两端壁薄处，温度已降低了，而中间部分还在冷却收缩，则在两端壁薄处产生压应力，如图3所示。图3 薄壁筒受力状态精车和铣削也会产生内应力，是切削热引起的，相对来说较小，对零件变形影响不大。至于夹紧力，也会产生变形，但主要是圆度精度受影响，对零件开口影响不大。所以，当零件被铣开后，其压应力就在寻求新的平衡时，使零件开口处产生缩口现象。产生这种缩口变形误差的主要原因就是热处理产生的内应力。三、解决问

7、题的办法 要想解决这个问题，就要从消除内应力着手。一种办法是将工件在热处理后进行时效处理。另一种办法是先切开，再热处理，然后将两件点焊在一起加工。这两种办法，前一种工艺路线不变，只是加一道时效工序，由于时效处理内应力不可能完全被消除，故只能减少变形，但不能完全消除变形。后一种工艺路线要进行比较大的改变。但这种方法能更有效地消除变形误差。现详述后一种办法。工艺路线改为：整圆粗车(留有较多的余量)铣(分开)热处理点焊(合并)半精车钳(分开)磨。这种改动关键在于先切开，再热处理。这样热处理时，工件可以充分变形。这是由于其形状是个半圆，而不是整圆，在这时内应力因零件已变形而会减少很多。而且，

8、在后续加工时，只是将其余量去除，本身结构不作大的变动(不像原来整圆切开)，故其内应力的平衡也不会被打破，不会再因内应力而引起变形。热处理后，再将两件在自由状态下点焊在一起(合成一个圆)，如图4所示。在点焊后，焊接点处会有焊接应力。由于焊后都是收缩，故在焊点处存在有拉应力。而零件的两端薄壁部分还会存在一定的压应力，两者可以抵消一些，从而使焊接应力对零件不会有什么影响。焊好的零件经车削加工后，焊接处仅剩很少一点焊缝，零件用手一掰，即可分开，再将剖分面磨光，便可得到完全合格(开口处基本无变形)的零件。如果要更精细些，则可在点焊后再加一道时效工序，效果会更好。即：粗车整圆铣热处理点焊时效半精车钳磨。图

9、4 两半圆环的焊接四、 加工过程中刀具、切削用量、切削液、装夹方式的要求4.1刀具精加工时要求刀具锋利，一方面可减少刀具与工件的摩擦，另一方面可提高刀具切削工件时的散热能力，从而减少工件上残余的内应力。例如在铣削薄壁类零件的大平面时，我们使用了单刃铣削法，刀具参数选取了较大的主偏角Kr=75°-93°和较大的前角o30°，目的就是为了减少切削抗力Fy的作用。由于这种刀具切削轻快，减少了薄壁类零件的变形，在车间得到广泛的应用。在薄壁零件的车削中，合理的刀具角度对车削时切削力的大小，车削中产生的热变形、工件表面的微观质量都是至关重要的。刀具前角大小，决定着切

10、削变形与刀具前角的锋利程度。前角大，切削变形和摩擦力减小，但前角太大，会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱，刀具散热情况差，磨损加快。所以，一般车削钢件材料的薄壁零件时，用高速刀具，前角取6°30°，用硬质合金刀具，前角取5°20°。刀具的后角大，摩擦力小，切削力也相应减小，但后角过大也会使刀具强度减弱。在车削薄壁零件时，用高速钢车刀，刀具后角取6°12°，用硬质合金刀具，后角取4°12°，精车时取较大的后角，粗车时取较小的后角。车薄壁零件的内外圆时，取大的主偏角。4.2切削用量采用合理的切削用量是保证零件精度的关键因

11、素。在加工精度要求较高的薄壁类零件时，一般采取对称加工，使相对的两面产生的应力均衡，达到一个稳定状态，加工后工件平整。但当某一工序采取较大的吃刀量时，由于拉应力、压应力失去平衡，工件便会产生变形。薄壁零件车削时变形是多方面的，装夹工件时的夹紧力，切削工件时切削力，工件阻碍刀具切削时产生的弹性变形和塑性变形，使切削区温度升高而产生热变形。所以，我们要在粗加工时，背吃刀量和进给量可以取大些；精加工时，刀量一般在0.20.5mm，进给量一般在0.10.2mm/r，甚至更小，切削速度6120m/min，精车时用尽量高的切削速度，但不易过为高。如上述所说的，合理选择好切削用量，从而到达减少零件变形的目的

12、4.3切削液的要求切削液主要用来减少切削过程中的摩擦和降低切削温度。合理使用切削液对提高刀具的耐用度和加工表面质量、加工精度具有重要作用。因此，在加工中为防止零件变形必须合理使用充分的切削液。 4.4装夹的要求由于薄壁类零件的形状和结构的多样性以及本身具有刚度低的特点，装夹时施力的作用点不同，产生的变形就不同。大量实践证明，增大工件与夹具的接触面积或轴向夹紧，可有效降低零件装夹时的变形。如在铣削加工薄壁件时，大量使用弹性压板，目的就是增加接触零件的受力面积；在车削薄壁套的内径及外圆时，无论是采用简单的开口过渡环，还是使用弹性芯轴、液体塑料夹具等，均采用的是增大工件装夹时的接触面积。这种方法有利

13、于承载夹紧力，从而避免零件的变形。轴向夹紧工装由于制造简单，在实践中被广泛使用。在切削加工时，刀具、切削用量、切削液和正确的装夹方式需同时兼顾，才能杜绝或减少薄壁类零件的变形。优化夹具设计，由于工件壁薄，刚性较差，如果采用常规方法装夹，工件将会受到轴向切削力和热变形的影响出现弯曲变形，很难达到技术要求。为解决此问题，我们设计出了一套适合上面零件的加工的专用夹具，五、辅助加工手段5.1冷校直冷校直简单易行，适用于精度要求不高的零件。冷校直是在与变形相反的方向施加作用力，使工件反方向弯曲产生塑性变形，从而达到校直的目的。但由于工件内部应力很不稳定，故经过一段时间后，随着应力的释放，变形还会恢复。对

14、于精度要求较高的细长轴（如丝杠），一般不允许冷校直，而是依靠增大加工余量，通过加工者的多次切削或磨削来修正细长轴的弯曲。5.2热校直热校直的方法是把需要校直的工件叠成一定高度，采用一定工装压紧成平直状态，然后把工装和工件一起放入加热炉中，根据零件材料的不同，选择不同的加热温度和加热时间。热校直后，工件内部组织稳定。此时，工件不仅得到了较高的直线度，而且加工硬化现象得到消除，更便于零件的进一步精加工。 5.3低温技术在机加工方面的应用提高薄壁零件的强度，形成线形形状、产生防止磨损的介质、确定表面清洁度、监控表面粗糙度，对零件的可靠性进行快速试验等。不同类型的低温材料加工，例如水压制，可以导致材料

15、组织发生新的变化，有效地改善了在常温条件下不可避免的变形效果。同样，通过对零件的辊压、展平和冲击强化方法，可提高显微硬度3-3.5倍，提高疲劳强度1.3-1.7倍。六、使用先进的加工方法在减少切削热、防止零件变形方面出现了多种先进的加工方法，如线切割、高速加工等。6.1线切割加工数挖线切割机床加工解决了很多传统加工难以解决的难题，尤其是在锐角、小R及锥度切割的产品加工过程具优势。如包装机烟库某薄壁零件，该零件的内表面和外表面的锥度方向一致，如采用固定锥度，不能一次将轮廊全部加工出来，若采用上下异形的变锥度法进行编程，产生的程序量很大，为此笔者结合固定锥度的编程方法，将内表面和外表面采用锥度换向

16、的方法在一个程序中同时完成内外表面的加工，在保证了产品质量的同时提高了加工的效率。6.2高速加工高速加工技术是近年发展起来的高效、优质低耗的制造技术。在高速切削加工中，由于切屑在较短时间内被切除，绝大部分切削热被切屑带走，减少了工件的热变形；其次，在高速加工中，由于切削层材料软化部分的减少，也可减少零件加工的变形，有利于保证零件的尺寸、形状精度。使用高速加工薄壁类零件，是今后机械加工发展的一个重要趋势。七、提高薄壁半圆零件加工质量和加工效率的方法如下：71刀具偏摆数控补偿方案刀具偏摆数控补偿技术，即是在有限元分析基础上，根据模拟分析加工变形的大小，在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附

17、加连续偏摆，补偿因变形而产生的让刀量。通过刀具偏摆数控补偿，可以将让刀残余材料切除，一次走刀即可保证薄壁件壁厚精度，从而达到高效、经济、优质加工薄壁零件的目的。其基本想即通过建立受力模型、变形模型及数控补偿模型得到数控补偿方案，从而保证薄壁件加工精度要求。因此，切削力模型和变形模型是精确实现刀具偏摆数控补偿技术的基础，而精确的变形分析又依赖于准确的载荷模型。因此必须通过切削力实验，建立准确的铣削力模型；然后，在精确迭代分析加工变形的基础上，实施有效的刀具偏摆数控补偿加工。 (1)切削力的计算 在实施刀具偏摆数控补偿加工之前，首先要知道零件的加工变形量，即利用有限元技术对工件进行加工变形分析；而

18、精确的变形分析又依赖于准确的载荷模型(切削力、装夹力、定位约束等)，其中关键是切削力的计算。不同的刀具及加工方法，有不同的切削力计算方法。在航空薄壁零件的加工中，以螺旋立铣刀加工居多。而对于螺旋立铣刀的受力模型，以沿着刀具螺旋线作空间状态分布的铣削力模型为最佳(如图1)。 在加工薄壁零件过程中，通过理论分析及实验检验，薄壁零件的加工变形主要由径向切削力引起。本文采用前述文献中的切削力模型来模拟计算铣削力大小及分布状况。由此，可得到如图2所示的瞬时径向切削力空间分布图。 图2 瞬时径向切削力空间分布图图3 刀具和工件的有限元模型图4 工件沿刀具轴线方向各节点变形(a)刀具不倾斜时图6 试件沿刀具

19、轴线方向加工误差曲线(b)刀具倾斜时图5 刀具铣削示意图(2)加工变形模拟分析 选择如图3所示的薄壁结构作为研究试件。工件材料为7075-T6，杨氏模量E=77Gpa,泊松比g=0.33；刀具型号为F1832E.W.16.Z3.26.45.W 对于加工变形的精确计算，需要综合考虑工件和刀具在切削过程中的加工变形大小。在建模过程中，可以将工件简化为一个底端带有固定约束的直侧壁来进行分析；而将刀具简化为一个悬臂梁。加载人切削力、约束以及输人材料特性参数，并根据加工精度要求划分单元网格(如图3)。 在 ANSYS中对其模拟分析加工变形情况，理论计算结果与实际加工测量结果如图4所示。显然，理论分析计算结果与实验结果基本吻合。1. 刀具偏摆数控补偿 通过加工变形模拟分析，得到的工件在加工过程中的变形分布状况和趋势。由于加工变形产生让刀误差，其结果必然产生一定的尺寸误差(如图5(a)。为了有效补偿这种因上件刚性不足而产生的加工变形，可以让刀具偏摆一定的角度(如图5(b)。刀具偏摆数控补偿，即是根据模拟分析加工变形的大小，在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加连续偏摆，补偿因变形而产生的让刀量。通过刀具偏摆数控补偿