非薄壁件变形问题

周升霞66

引言
  众所周知，中空或薄壁零件在冷加工过程中由于受到切削力、摩擦热、装夹力等作用容易变形，近年来一直是工艺研究的热门话题，这方面的参考资料很多，目前已形成比较成熟的工艺方法，通常采用粗加工、普通热处理、半精加工、高低温稳定处理（包括多次循环）、精加工等工艺路线，能大幅度减小工件变形量。
      对于整体支撑较好的工件，如高精度闸座、阀体等实体类零件，其变形问题往往被人们所忽视。但在实际加工中，此类工件因为变形导致的尺寸、形位公差不合格现象却是屡见不鲜，应该引起同行们的关注。
1 工艺分析
工艺人员考虑工件是否变形的依据是零件的结构、形状与材质，而实体类零件因其具有良好的刚性，兼具规则的外形，装夹方便，定位可靠，长期以来被认为不变形、易加工、工艺简单，故该类零件成形过            

图一
程中的变形问题很少引起人们的关注。
右图所示为一典型实体零件，材料是锻铝2A14，模锻毛坯。工件边界尺寸为180mmX100mmX80mm，两端伸出台阶的最小厚度是10mm，且所有根部为R2～R3的圆弧过渡。表象上看不存在薄弱环节，采用传统工艺方法即可实现。首先粗铣上下平面及180mm尺寸方向四个基准面，注意找正工件，均匀去除余量；考虑到底面两孔孔距公差要求为±0.02mm，故选用高精加工中心镗削两孔(预计实际尺寸可以控制在0.01mm以内)，为后续采用一面两销工艺定位提供基准；以孔

图2  工件示意图
定位数控铣外型（底面凹槽在本工序不加工），单边均匀留余量1mm；工序4设计为热处理时效工序，以消除加工应力，提高工件稳定性；     
鉴于图样有“底面两孔对底面的垂直度不大于0.02mm”的要求，工序5安排精镗两底孔、精铣底面及凹槽等加工内容，由加工中心一次装夹完成；以精镗后两底孔定位，精铣其余外形至成品尺寸。                                         
2 问题复现
针对该零件的结构特点，理论上按照上述工艺路线加工应该是没有问题的，但此工件在实际加工过程中却走了很多弯路，且有两批工件出现孔距超差现象。
根据以往的操作经验，对于数控加工的孔距尺寸，只要程序正确、公称尺寸不差，就认为孔距合格（高档设备更是如此）。因此在首件检验时，操作者与检验员均采用普通卡尺测量孔距，问题没有被及时发现。当第二批工件加工时，首件在三坐标测量机上测量时发现，两孔孔距超差，工艺要求±0.02mm，实际却为mm。反复测量上批次零件孔距尺寸，结果也是如此。
检查数控程序正确无误，工件又为刚性实体，所以怀疑机床有问题（此机床以前更换过光栅尺，孔的方向刚好与所换光栅方向相同）。经过激光检测，机床的几何精度、定位精度均在规定范围内，做标准试切件，也完全合格，则机床精度问题可以排除。问题出在哪儿？仔细观察工序4后的半成品，发现工件底面不平，中间高、四角低，放大后的示意图如图3所示。经测量，中间比四周高出0.2mm左右，两孔距离则比以前超大0.07mm左右。这种现象表明：加工应力与夹紧力使工件变形，加工后工件释放内应力，均影响到孔距精度。但精加工余量较小（单边1mm），凹槽深仅有4mm，  难道也存在类似问题？

     
图3  工件变形示意图

                              
3 工艺改进
                           
原工序5采用虎钳夹持工件两端面，装夹方式如图4所示，先精镗两孔，然后加工4mm深凹槽，最后精铣顶面（去除量仅为0.5mm）。按此顺序加工完成后，不卸工件，直接用机床的测量头测量，两个孔距-0.025mm；取下工件重新测量（三坐标测量机），则为-0.035mm，孔距依然超差。
经过反复摸索与试验，在原工艺路线不变的情况下，尝试改变本工序的加工次序，即先加工凹槽，再加工顶面，均留余量0.2mm，然后松开虎钳，重新用适当的力量夹紧，再精加工凹槽及顶面至要求尺寸，最后镗孔。取下零件后经反复测量，

图4工件装夹示意图

孔距在±0.007mm之间，完全满足工艺要求。
4 举一反三

我们在加工另一实体零件时也遇到变形问题。图5所示零件材料为0Cr18Ni12Mo2Ti，采用棒料毛坯进行加工。图样要求，零件上所有定位销孔与连接螺孔的位置基准均为Φ38H8孔，故工艺路线安排为：1固溶处理→2车削两端面，精镗孔Φ38H8→3精铣四方→4精磨设计及工艺基准面→5数控加工与Φ38H8正交的一组台阶孔→6以Φ38H8孔定位，加工中心完成其余加工内容→7线切割精切刀具通槽30H8。






工序6采用心轴定位加工时，Φ38H8孔与心轴Φ38f7配合正常，未出现任何问题，本工序顺利完成。此时，该零件局部结构发生设计更改，为检查装配关系的正确性需进行试装。在试装过程中发现与Φ38H8孔配合的闸栓（尺寸与心轴相同，为Φ38f7）不能装配到位。之前用塞规测量且经心轴定位验证，Φ38H8孔孔径及圆度均合格。经查，①同批次多个工件都存在类似问题；②复测Φ38H8孔，孔径局部超小0.025mm，各截面圆度处于0.02~0.04mm范围。由此可见，零件在工序6后发生明显变形。



针对上述问题，工艺方法略作调整：

工序2：车削两端面，镗孔Φ37.8H10，给精加工留出余量                     
工序6：以精磨两面定位，找正工序5已加工台阶孔，由加工中心完成其余加工内容，同时要求，将Φ38H8孔的精镗安排在该工序的最后一个工步进行。按完善后方法加工的零件经成品批次性综合计量全部合格。
上述零件装配孔的变形带有较强的普遍性，对此开展了一系列工艺试验，采用产品常见材料铝合金按图6进行试加工。如图所示，4-d1孔的位置基准是大孔D，通常的加工顺序都是先精镗大孔D至尺寸，再钻其周边均布的小孔d1。但从试验结果来看，此时大孔D的圆度会受到影响。由此可得，对于精度要求在IT7以上的安装定位孔，最好先预留0.1mm的加工余量，待其周边的加工内容全部完成后，再精镗至成品尺寸，确保产品装配性能要求。

4 结论
实体类零件因为变形而影响到孔径、孔圆度及孔距尺寸，以前几乎没有注意过，即使想到，也意识不到有这么严重。可见，对于精度要求较高的零件必须考虑零件变形问题。合理地编排工艺路线，适当地调整加工次序，必要时松开夹具，或自然放松，多次装夹。使工件恢复而释放应力是解决此类零件变形的好方法。