机械加工中工件变形的原因及预防措施探讨

2020-11-27王志国

商品与质量 2020年12期

王志国

玫德集团有限公司山东济南 250000

1 机械工件在加工过程中的变形成因

1.1 不同工件结构与材质引入

在实际加工过程中，材质不达标的工件无法有效抵抗外在压力，工件的变形风险加大，变形严重时会导致工件无法正常使用。另一方面，应首先确定合理的工件结构，对加工工件变形的影响力仅次于工件材质。其中横截面突变、壁厚不均匀、机加工工艺流程设计不合理等结构设计问题较为典型，工件加工后的应力集中现象突出，此时若外力撤去，便会导致工件变形[1]。

1.2 工件装夹与加工方式

工件加工前，首先要进行装夹定位，操作过程中如果工人没有严格按照装夹操作流程进行，便会存在夹紧点与定位面选择方式欠佳的风险，与科学性、合理性、有效性的装夹原则相背离，最终引发工件加工变形情况的出现，在正式加工前引入额外的工件变形。同时在实际加工过程中，切削表面与加工刀具表面之间会发生剧烈的摩擦现象，在这个过程中会产生大量的热量，这些热能会沿着工件表面扩散，这就是热应力的形成机理。由于工件自身强度的存在，在加工过程中会与刀具相互作用，形成一对作用力与反作用力。当工件强度足够大时，这种反作用力会增大工件的附加力，最终引发工件变形情况的发生。

1.3 残余应力与内应力作用

金属材质工件在外力作用下会发生变形，内部晶相组织相互作用产生内应力，对外力作用效果进行抵抗性再平衡，使工件形态维持原来的状态。内应力是可以消除的，常用手段有三种：①对加工完的工件进行高温热处理。②施加外在振动的时效处理。③自然环境下的时效处理。正常情况下，受外界环境影响，非稳定状态下的平衡是很难维持的。残余应力会自发地再平衡，引发变形现象发生，工件原有的加工精度受到影响。消除残余应力同样有三种方法：①对零部件实施热处理工艺。② 优化零件内部结构设计。③合理安排工艺流程[2]。

1.4 不同热处理方式引入的变形

热处理是一种常用的加工工艺，包括淬火、回火、退火等。为了获取特定的材料特性，部分加工过程中的零件需要进行热处理，部分零件在加工完成后实施热处理。一般而言，工件经过加热、保温、冷却处理后，会出现不同程度的变形。通过不同加工处理对比试验可知，各机加工因素对工件变形的影响程度是不同的。其中，以材质、工件装夹、加工过程的影响最大。

2 防止机械加工引发工件变形的有效措施

2.1 根据工件结构选用合适的加工材质

首先应考虑应用场景，如轴选用 45#钢调质，以增加韧性与刚度；机座宜选用铸铁，以获得足够硬度；对于重载、易变性的工件可以考虑选用合金钢材质，避免工件加工过程中的变形；对于轻载工况下的零件，出于成本考虑，不宜选用合金材质，可以通过表面喷丸、淬火等加工工艺，获得特定的材料特性。工件材质在影响其正常使用的同时，还会对使用寿命产生影响。加工变形的另一个主要影响因素是工件结构，合理的工件结构设计可有效避免变形的发生，例如避免结构尺寸发生突变，尽量设计成中心对称结构，避免出现过长或过薄的工件结构。同时，制定合理的工艺流程，同样材质、结构的工件，在不同工艺流程下，最终产品的差异性是明显的。因此，在优化工艺流程组合的同时，积极探索新的加工工艺，最大程度预防工件加工变形。

2.2 选用合理的固定结构

不同的装夹方式同样会对工件加工变形产生影响，定位面的选择尤为重要。依据基准重合设计原则，定位面一般应选定工件中接触面积最大的表面，以确保工件加工完成后的整体稳定性。定位面确定后，开始选择夹紧点，与定位支撑点一一对应，这种布局方式使夹紧力与支撑力相互抵消，获得适当的夹紧力，同时避免工件中出现内应力。夹紧力大小的确定受两个因素影响，一是保证夹持牢固可靠；二是避免工件出现变形，这两个因素是相互制约矛盾体的两个方面。实际加工过程中，夹持力的施加需严格遵循操作顺序，切勿错乱。

2.3 降低工件内部应力

工件在加工过程中，金属表面必然会承受挤压力与摩擦力，造成工件内部的各种应力。为了能够有效避免上述压力的产生，一般选用对称加工方式，来平衡机械加工过程中出现的应力变化。关于中心对称的两个平面作用反向作用力，实现工件整体的稳定状态。对于工件的重要加工部位，选定先粗后精的加工方式，合理确定切削三要素：切削速度、进给量、切削深度，粗、精加工阶段选用不同的切削要素。在加工非对称结构工件时，其毛坯制造可采用反变形手段，即在工件变形位置的反方向预留变形量，综合考虑工件变形的不同影响因素，将工件加工完成后的变形控制在合理范围内[3]。

2.4 降低切削力影响

切削力会引入工件变形，切削力大小与变形程度呈正比例关系，选用合适的刀具和切削用量，可以有效地减少切削力。机加工过程中，要确保工件的切削部位得到不间断的充分冷却、降低热传导性的同时，消除切削过程产生的热能。对于不同工件结构，应合理选择差异化的切削参数，粗加工阶段，宜选定较大的切削用量，降低切削进给量，以提高切削效率；精加工阶段，为了获得较高的表面加工质量，应减小吃刀量，增大切削速度。工件加工过程中的热量，主要来自于刀具与工件的摩擦，如果这些热量不能及时消除，势必会引发工件的加工变形。在高速切削情况下，不仅可以缩短加工时间，同时选用合理的冷却方式，有助于切削热量耗散。

2.5 其他措施

工件加工后的应力应该得到释放，可以使用一些强制性手段，其中以专用保护夹具、振动时效、矫正法应用最为广泛，实际可操作性强，将工件变形程度控制在最小范围。以振动时效设备为例，以新能源作为驱动源，近几年市场占有率呈现持续上升趋势，可以有效去除工件内部的残余应力，提高其抗疲劳强度，尤其适用于去除大型组焊结构件应力。