薄壁半圆件加工变形与对策[1]

第 1 页 共 16 页 技师论文 题目 薄壁半圆件加工变形与对策薄壁半圆件加工变形与对策 班 级 数控技师 091 学生姓名 兰宏伟 实习单位 指导老师 甘卫华 日 期 10 06 01 第 2 页 共 16 页 薄壁半圆件加工变形与对策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 1 26 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 5 1mm 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 1 26 零件材料为 45 钢 调质处理 精度要求较高 若单件加工 第 3 页 共 16 页 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 5 1mm 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 变形原因分析二 变形原因分析 第 4 页 共 16 页 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 550 600 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 第 5 页 共 16 页 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 解决问题的办法三 解决问题的办法 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 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 第 6 页 共 16 页 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 4 两半圆环的焊接 四 四 加工过程中刀具 切削用量 切削液 装夹方式的加工过程中刀具 切削用量 切削液 装夹方式的 要求要求 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 第 7 页 共 16 页 偏角 Kr 75 93 和较大的前角 o 30 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 第 8 页 共 16 页 时 刀量一般在 0 2 0 5mm 进给量一般在 0 1 0 2mm r 甚至更小 切削速度 6 120m 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 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 第 9 页 共 16 页 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 第 10 页 共 16 页 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 第 11 页 共 16 页 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七 提高薄壁半圆零件加工质量和加工效率的方法如下 7 7 1 1 刀具偏摆数控补偿方案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 1 切削力的计算切削力的计算 第 12 页 共 16 页 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 第 13 页 共 16 页 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 第 14 页 共 16 页 1 刀具偏摆数控补偿刀具偏摆数控补偿 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 可以将让刀残余材料基本切 除 一次走刀即可保证薄壁件壁厚精度 7 7 2 2 加工实例与结果加工实例与结果 为了验证刀