机械加工零件误差成因分析及对策研究

　　摘要：薄壁零件在机械加工过程中，容易产生形位误差。笔者结合多年的实践工作经验，通过试验，总结出了一套零件加工办法，能有效消除这种误差。
　　关键词：薄壁零件、机械加工、形位误差、对策
　　
　　
　　1引文
　　通常，薄壁零件的加工，加工零件容易产生变形，并且引起零件加工后形状误差超差甚至报废，其主要原因在于刚性不足。产生形状误差，一般有两个方面的原因，一是在装夹过程中，由于工件夹紧力造成工件变形；二是由于机械切削过程中工件产生变形，而这两种变形都是由于工件弹性变形引起的。工件在外力作用下会产生弹性变形，当外力撤除时，原本正确形状会会恢复弹性变形，这样以来，加工的工件就产生了形位误差。为了有效避免形位误差的发生，技术人员在工装设计、夹紧力大小及作用点、刀具的几何角度等方面进行了大量的试验与研究，并掌握了一定的规律，为一般薄壁件的加工奠定了基础。但这些经验对于超薄壁件(壁厚小于1mm)的零件加工，并不完全适用。我们在生产中遇到了这种超薄壁厚的零件，通过加工实践，发现了一些特殊现象，掌握了超薄壁件加工的一些规律。
　　2试验研究分析
　　工件为薄壁桶形，毛坯冲压制成，材质为1Cr18Ni9Ti,由于冲压毛坯精度达不到设计要求，要进行机械加工。但由于其壁太薄，给工装设计提出了特殊的要求:工件夹紧后变形不能大;切削过程中不能引起工件变形。为此我们设计了如图1所示的工装。
　　工装是在普通三爪自定心卡盘的基础上设计制造而成，在原来卡爪上焊接加长爪，形成一个专用的加长三爪自定心卡盘，卡爪工作部分外径的尺寸比工件内径小0.05~0.07mm，间隙太小不易装卸，间隙太大夹紧后工件会变形，成为三棱形，如图2所示。
　　工装的定位直径为Φ2，如果工装定位直径尺寸加工到和工件的孔径相近，则工件夹紧后变形不大。如果工装定位尺寸加工后比工件的孔径小很多，如图2中尺寸Φ1，夹紧后，由于工件壁很薄，工件将随着工装的形状而变化，变成如图中虚线所示的形状，其圆度误差值如图中尺寸C所示，大约为工件孔径与工装定位直尺寸之差的一半。
　　
　　                               
　　
　                                                                                  　图2
　　三个卡爪之间的间隙(如图1所示尺寸a)也不能太大，由于工件壁薄，在切削力的挤压下会引起局部塑性变形，使加工后工件的已加表面上产生一道棱线。工装卡爪之间的间隙a值大小，除了与工装的制造方法有关之外，还与工装定位尺寸的大小有关，如图2所示。如果工装定位尺寸加工到Φ1，此时三个卡爪之间的制造间隙为a，当卡爪撑紧工件后，间隙变为b，显然b大于a，在工装制作时，要充分考虑到这一变化。一般情况下，三个卡爪之间的间隙在夹紧后要控制在0.5mm左右。
　　我们采用的工装制造工艺是：先将毛坯料卡在三爪自定心卡盘上粗车，中间钻孔，孔的大小与使用关系不大，然后将粗车好的坯料和卡盘三个爪焊牢，用线切割机将坯料等分切割成三个，便形成了专用三爪自定心卡盘的雏形。然后安装到车床上，精车到要求的尺寸便可使用。
　　切割位置最好在三个卡爪的中间，以保证三个卡爪在工作状态或外圆修正后始终间隙相等。需要注意的是，此专用三爪工装精车后不可安装到其他车床上使用，否则要重新精车。
　　工装的卡爪工作部分的长度要大于工件的长度，保证在切削时工件的任何地方都能顶实。
　　用这种工装加工，可使工件的尺寸和形状误差控制在要求的范围之内。但通过检验，却发现工件没有加工的尺寸发生了变化。在零件图中，尺寸mm是由冲压毛坯保证的，其两个端面都不加工。按一般的经验，这个尺寸不应该有变化，但经过车削外圆庐Φ61.410.02mm之后再测量此尺寸发现，此尺寸变化了，而且增长量较大。本来合格的零件毛坯通过加工后变成了不合格。为了找到变形的原因和规律，我们进一步做了试验。试验在数控车床上分为两组进行，每组各10件。第一组用新刀片加工，第二组用旧刀片加工，刀片的刀尖角有半径为0.2mm，背吃刀量为0.3mm，进给量0.08mm/r，转速为560r/min。
　　为了进一步验证，我们将第二组工件外圆又加工了一刀，背吃刀量为0.20mm，进给量和切削速度没有变化，加工外圆。
　　结果表明，用新刀片平均增长0.064mm，用旧刀片平均增长0.166mm，壁厚变薄后进行第二次加工，平均增长0.195mm。
　　尺寸变化的原因分析：
　　在切削过程中，车刀对工件产生挤压，由于工件壁薄，材质又为塑性较大的奥氏体不锈钢，于是工件整个壁厚都产生塑性变形。在轴向上，由于工件的结构对轴向变形没有约束，所以可以自由伸长。壁厚的工件在加工中，也同样会发生塑性变形，但这种变形只是在工件的表层，相当于工件壁厚的一小部分上，虽然也使工件有伸长的趋势，但在其他没有产生塑性变形部分的牵制下，无法自由伸长，只能形成加工应力，见图3。
　　                              
　　                                                                      图3
　　从图3中可以看出，车刀对工件产生挤压只在已加表面的表层发生塑性变形，发生塑性变形的深度为t，当工件的厚度小于t时，工件的尺寸不会发生变化，只能形成表层的加工应力;当工件的厚度小于c时，工件的尺寸就会发生变化。
　　挤压产生塑性变形的深度与刀具的锋利程度有关，刀刃越锋利，挤压力越小，所产生的塑性变性也越小，尺寸的变化也越小，反之则相反。
　　在加工过的表面，还经常出现不规则的凸起条纹，凸纹有长有短，成曲线状宽度有2~3mm。不同于由于工装三个卡爪之间的间隙d过大而产生的凸纹(此凸纹宽度等于三个卡爪之间的间隙d且成直线形)。
　　如何解释这种想象呢?在切削中由于刀具对工件的挤压而产生塑性变形，这种变形不仅体现在轴向，而且在径向上也有。由于此工件在轴向上没有约束，可以自由伸长，因而尺寸变化明显，但在径向上则不然。由于工件两端不加工，没有增大的趋势，中间部分直径尺寸的增大受到两端结构的约束，因而无法自由增大，只能从加工表面中的某一强度较薄弱的地方产生突变，释放其内部能量。这种突变从切人端的某一地方开始，到加工末端的某一地方结束。开始和结束点是变形能量和工件强度较量的焦点。当变形能量大于工件局部强度时，凸变开始;当工件局部强度大于变形能量时，凸变结束。如果工件强度较均匀，没有明显薄弱的地方，工件的加工表面就会变成腰鼓形，即加工后的外圆中间粗，两端较细，但相差不大，一般直径只相差0.01~0.015mm。
　　3结束语
　　从以上的一系列现象和测试结果分析，可以得出如下的结论:①在切削过程中，刀具对超薄壁件的挤压能引起工件整体的塑性变性，这种变形能使工件的相关尺寸产生变化。②切削过程中，刀具对超薄壁件的挤压力大小与刀具的几何角度有关，刀具越锋利，刀尖角越小，挤压力也越小，工件的变形也越小，反之则相反。③切削过程中，刀具对超薄壁件的挤压力引起工件尺寸变化的大小与工件材料有关，材料塑性越大，尺寸变化也越大。④工件产生尺寸变化的大小与工件的壁厚有关，壁厚越小，尺寸变化越大。
　　
　　参考文献：
　　[1]余俊.中国机械设计大典[M].江西:江西科学技术出版社，2001.
　　[2]宾鸿赞，增庆福．机械制造工艺学[M]．北京：机械工业出版社，1994．
　　[3]王先逵．机械制造工艺学(上册)[M]．北京：清华大学出版社，20o0．
　　[4]李华．机械制造技术[M]．北京：高等教育出版社，2000．
　　[5]郭晓剑，李林，关建新薄壁类零件加工中圆度误差超差问题探讨新疆农机化2006(4).