避免大直径薄板类回转体环形件加工变形的方法研究

◎李晓斌

一、产品介绍

本文所介绍的预埋件垫板是我公司生产制造的实验反应堆中预埋件部分中的一个工件。其主要作用是在预埋件支承面与压力容器支承面中间，通过螺栓将他们把合后，起到调节及支承作用。

二、加工难点分析

该项目预埋件部分中的垫板厚度尺寸为10mm，内孔为φ2360mm、外圆φ2820mm；材质为Q235A 的大直径薄板类回转体环形件，上、下两端面全平面加工后平行度要求0.8mm 以内，粗糙度要求Ra1.6 以内，其加工难点为：

1.由于工件的结构特征，导致常规的薄板类工件加工用机床（刨床及磨床）无法满足其加工要求。

2.由于垫板毛坯是由2 块半圆弧板拼焊而成，且厚度较薄，所以工件在转运，翻身过程中焊缝处极易变形。

3.由于垫板厚度比较薄，刚性较差，加工过程中受切削残余应力、切削热、夹紧力等因素的影响，工件极易产生局部或整体塑性变形。

4.垫板上、下两端面要求工件需要在一次装夹状态下完成一个端面的加工，对工件的装夹及加工方式提出严格要求。

三、加工方法研究

（一）切削残余应力对变形的影响

1.残余应力的产生。

（1）热塑变形效应。在切削过后产生的切削热是表层收缩多，里层收缩少。表层的收缩受里层的牵制，因而表层存在张应力，里层存在压应力。（2）里层金属弹性的恢复。已加工表面形成之后，因刀具的作用力消失。弹性变形趋向复原，但受到表层金属的牵制，因而在表层造成应力状态。

2.减小残余应力对变形影响的措施。

（1）粗、精车工序要分开，必要时应在粗车后进行时效处理。（2）可以采用对称加工方法，使上、下端面加工时受力均匀。（3）在刀具方面。在刀具耐用度允许的情况下，选用较大的刀具前角和主偏角。（4）切削三要素的影响。加工时可以优先需用大的切削深度，适当的进给量，小的切削速度来减小残余应力。并保证切削为连续进给，避免刀具在工件的某一位置停留，以防止工件局部过热，产生较大的残余应力。

3.实际案例。

垫板由2 块180°的圆环板拼料组焊而成，最终精加工完成后保证其平面度及平行度在0.8mm。由于组焊后，焊接应力集中和杂乱无章，导致端面变形不规则且平面高低点差值较大。所以，在粗加工时，将两端交替均匀见光见平即可，内孔及外圆暂不加工，保证最大实体，为后续半精、精加工留有适当的余量，进行时效将残余应力释放。

（二）切削热对变形及加工精度的影响

1.切削热的产生。

（1）单位时间内，在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形所转化的热能。（2）单位时间内，刀具前、后刀面与切屑底部摩擦后产生的热能。（3）切削速度对切削热的影响最为显著。随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。

2.减小切削热对变形及加工精度影响的措施。

（1）选择工作稳定性好的机床，缩短加工时间。（2）改善主轴的润滑及冷却条件。（3）减少切削热，可采用在切削速度不变的情况下，适度加大走刀量，以及选用前角及主偏角大的刀具来减少。（4）进给量对切削热也有一定影响。进给速度很高时，切削区的热量来不及传递给工件，所以绝大部分热量留在切屑内，有切屑带走，工件不受切屑热的影响，因而防止了热变形。（5）增加外部冷却，以减少切削热。

3.实际案例。

（1）加工垫板我们所选用的机床为5.3米数控立式车床，其稳定性和精度均满足工件精加工要求。（2）垫板在5.3 米数控立车加工时选用的冷却方式为喷雾冷却法。喷雾冷却是切削液被压缩空气通过喷雾装置雾化，并被高速喷射到切削区。喷雾冷却优点有：冷却速度可调范围广，可从风冷到全水冷；冷却比较均匀；可节省冷却水。

（三）夹紧力对变形的影响（包括加工中工件震动对变形的影响）

1.夹紧力的产生。

夹紧力产生在工件与夹具的接触区域上。理想的夹具不应该产生任何的变形，但是在许多情况下，由于夹具的制造或设计不合理，工件在夹紧力的作用下发生变形。

2.减小夹紧变形的影响措施。

（1）增加辅助支撑和辅助加紧点。（2）合理的装夹方式，分散着力点和增加压紧接触面积。（3）选择适当的加紧点。尽可能使夹紧点和支撑点对应，使夹紧力作用在支撑上。（4）粗、精加工时，选用不同的夹紧力。

3.实际案例。

在立车加工过程中，由于垫板直径大，厚度薄刚度很弱，所以在装夹过程中将工件至于等高垫铁上，用压板均匀地顶在工件周围。顶紧力不要过大，保证定位端面与垫铁紧密接触，在夹紧点附近用百分表检验工件是否产生了夹紧力变形，以保证自然状态下夹紧。

（四）热处理对变形的影响

1.热处理变形的产生。

（1）金属在热处理过程中发生相变。高温时的奥氏体，冷却后变为体积比奥氏体大的马氏体。因而表层金属膨胀。但受到里层金属的牵制。结果，是表层出现压应力，而里层存在拉应力。（2）在组焊过程中，焊缝中留有残余应力。热处理将焊缝处残余应力释放，导致工件变形。

2.应对热处理变形的措施。

（1）工件在热处理前应留有适当的加工余量，保证变形后加工中能满足尺寸要求。（2）尽量减少热处理次数。

3.实际案例。

在生产制造过程中，考虑焊接、热处理变形等因素，根据以往制造经验垫板单边留有5mm 的加工余量比较合理，能够满足精加工的需要。

（五）吊装运输对变形的影响

1.吊装及运输过程中变形的产生。

（1）吊装及运输中由于起吊和翻转时吊点选择不合理，导致工件受力不均匀。（2）吊运中钢丝绳选择不合理，导致工件被钢丝绳夹变形。（3）运输过程中，工件固定不劳，导致磕碰变形。

2.应对吊装及运输过程中变形的措施。

（1）制作专用辅具，确保在起吊、翻转及运输中防止工件变形。（2）选择适当长度的钢丝绳。（3）减少起吊、翻转及运输次数。

四、结束语

通过以上对大直径薄板类回转体环形工件加工中容易引起变形的各种因素的分析和在垫板加工中实践的应用，有效地保证了零件的加工质量，使垫板的尺寸公差及形位公差得到有效的控制，并且最终的装配精度也得到了很好的保证，完全满足了产品技术条件和图纸的要求。由于目前我公司内部已经有成功案例，效果理想，所以该工艺方法和防变形措施可以推广应用到相关类型的大型薄壁筒节零件和焊接件上。