有关机械工件加工变形的分析

有关机械工件加工变形的分析

摘要：针对变形和机械加工中的话题展开论述，用实例介绍了它涉及到的各个方面，如设备选择、夹具设计、刀具选择、热处理方式直至产品设计和工艺设计等，以提高产品精度、保证产品质量。

关键词：机械零件；变形；措施

变形是指机械零件在加工过程中形状的不受控变化，具体则是指机械零件在加工过程中其尺寸、形状及位置要素发生不可控变化。机械零件加工过程中会产生各种变形，这些变形的机理千差万别，也决定了其解决和预防的办法多种多样。机械零件加工中对这些变形的应对措施得当与否，直接决定了这个零件加工质量的高低，这也极大反映了一个机械工艺水平的高低。

一、变形的种类和机理

1. 由外力引起的零件弹性变形

由外力引起的零件弹性变形大致可以分为3类。其中一类是零件在切削过程中由于受到切削力的作用，零件产生向着受力方向的弹性形变，这就是俗称的让刀现象。这类变形的机理是零件本身或某些部分刚性不足，在切削过程中由于受到切削力的作用，零件向着受力方向产生较大的弹性变形，从而使刀具无法按照设定参数从原零件表面切除部分材料，待切削完成后，由于零件做弹性恢复，被切削零件则不能达到预先的形位要求，甚至出现废品。这些零件之中最典型的零件类型有细长轴类、薄片类、组合类。

（1）长径比较大的零件外圆加工

工艺上采用一端由三爪夹紧的方式，这种方式符合悬臂梁模型，所以在假定切削力恒定，那么零件受指向刀具另一侧方向的力则恒定不变，非夹紧一侧则变形最大，所以去除材料最少。去除材料多少则从夹紧一侧至自由一侧成倒梯形分布。虚线为刀尖轨迹，那么车削完毕后零件则形成离夹紧端越远直径越大的倒锥型

（2）长径比特别小的薄片类零件端面加工

工艺上采用电磁吸盘从底面吸紧的夹紧方式，然后磨上面。由于零件在加工前平面度很差，因此吸紧时零件发生变形而使其平面度

较好，这样夹紧引起的变形（夹紧变形）使得刀具无法切去在零件自由状态下应该去除的中间鼓起的材料，所以不管怎样翻面，在未去除夹紧力之前测量其平面度都是合格的，而在自由状态下零件的弹性会恢复到以前的状态，所以平面度很难达到要求。

（3）零件（或部分）结构中含有悬臂和薄片两种特征之一的情况零件中的L2部分具有悬臂和薄片的两种特征，所以如果定位、夹紧不当，会使L2部分因刚性不足出现让刀现象，或是夹紧变形，铣B面后，达不到图纸要求的平面度。

2. 加工后（包括热处理后）的变形

长径比较大的零件，热处理或加工完毕放置一段时间后，会发生弯曲，即检测后会发现其直线度相对以前变大；长径比特别小的薄片类零件热处理或加工完毕放置一段时间后，会发生草帽型弯曲，即一端中间相对四周会鼓出，其形状像一顶草帽，检测后会发现其平面相对以前变大；铸铁件类零件加工完毕放置一段时间后，会发现平面相对以前变大；拨叉类零件热处理或加工完毕放置一段时间后，叉脚会发生翘曲，即检测后会发现其垂直度相对以前变大等。这些情况的出现主要是由于零件内部本身存在内应力，这些内应力的分布本身应该是一种相对平衡的状态，所以零件的外形相对稳定。但是当加工完毕去除一些材料或热处理完毕后，其内应力发生变化，需要重新分布于一种新的平衡状态，所以致使零件外形发生变化。

3. 力对工件加工精度的影响

零件在车床加工时,一般采用四爪卡盘卡紧,零件受径向力作用。为了在加工过程中不使零件松动,夹紧力必须大于切削力,当切削力增大时,夹紧力也必须增加,如此车出的零件在卡爪松开后,零件的几何形状已完全不同于在机床上加工时的形状,而呈椭圆形甚至多边形。虽然粗加工产生的变形及应力可通过对零件的热处理来消除,但因为精车时的零件装卡方式仍然与粗加工相同,所以精车时零件的加工变形仍然要留到精加工、磨削加工。磨削加工时是以精车后变形的基准面为基准,另外在磨削加工过程中还会产生新的变形,这样等到镗床加工内孔时又以磨削的基准面作定位,最终精镗出内孔。可想而知,这样的加工方法使得零件根本无法满足图纸的几何精度和尺寸精度的要求。改变零件原始的装卡方式。从热处理后的精车开始,就设法在以后每道工序的装卡时使零件尽可能地不承受径向力。为此为每道工序设计了专用的胎具,将以前靠径向力卡紧工件的方式,改为径向力卡紧胎具,同时垂直轴向拉紧工件,这样工件在加工过程中就不再承受径向力,从而解决了由装卡引起的工件变形问题。

二、应对措施

零件的形式和变形情况多种多样，但是应对外力引起的零件弹性变形的实质则只有一条，那就是尽可能增加零件的刚性，且绝对不能够发生预先的夹紧变形。长径比较大的零件在加工时尽量不要采用一

端夹紧、一端悬空的悬臂梁方式，而是采用两端用顶尖顶紧、前端驱动的定位夹紧方式，这样其受力模型就变成了简支梁模型，刚性极大提高，切削力引起的变形会大大减少。长径比特别小的薄片类零件，为减小其电磁吸盘吸紧时引起夹紧变形，采用在磨削第一面时在零件和工作台之间垫几层布或厚纸的方式可有

效减小变形。铸铁件类零件则必须在夹具设计上下功夫。夹具设计的原则就是有效增加悬臂部分的刚性，一般采用在悬臂部分底部增加浮动支承和边沿夹紧的方式，特别是近年来液压夹具的发展很好地解决了这种零件加工中由于夹紧变形带来的加工质量问题。加工后（包括热处理后）变形的根本应对措施则是，提高毛坯质量，对铸件必须做好时效处理，尽量消除其内部的残余应力；其次是采用变形后再加工的方式，即零件加工完毕后尽量使其自然变形，然后再用以上的方法进行再加工。还有防止零件变形大而采用的限型热处理方式，其目的也是增加零件刚性，使其变形受限。