变形筒状工件中心找正方法

胡炜，李向阳，陈永峰，李恒菊

航宇救生装备有限公司 湖北襄阳 441007

1 序言

机械加工中，为降低成本、提高效率，对一些结构件进行粗加工焊接后，再进行精加工，而在焊接时零件局部急剧加热，变形更加明显。筒状工件变形后再进行机械加工时，由于坐标难以确定，以及基准找正繁琐，导致后续精加工部分表面余量不足，造成尺寸超差甚至产品报废。为此，变形工件在机械加工中的基准找正非常重要。

2 焊接件变形问题分析

图1所示为某变形量较大的焊接组件，材料为铝合金，导热率是碳素钢和低合金钢的2倍多，是奥氏体不锈钢的十几倍。焊接采用熔焊，为防止产生冷裂纹，焊接时进行预热，热量迅速传导至金属内部，熔池形成困难，为此采用能量集中、功率大的能源，实现局部迅速加热。材料快速受热不均匀，造成变形量较大。焊接后进行精密加工，保证关键尺寸，受变形影响，产品合格率较低。初步原因分析，考虑精加工余量、精加工技术要求和精加工基准等因素[1]，特别是基准目标系统、相关联的尺寸公差、几何公差及关键尺寸余量等。

图1 某变形量较大的焊接组件

2.1 变形件技术分析

工件由3个零部件焊接而成，主要控制尺寸φ42+0.02+0mm和φ43+0.02+0mm，在焊接后精加工，壁厚要求≥1.3mm，兼顾孔心距（30±0.05）mm，外圆φ46.5+0.1+0mm在焊接前保证尺寸。由于焊接后精加工余量较少，受焊接时加热不均匀产生的变形影响，故出现局部加工不到位的问题，同时难以保证最小壁厚。工件焊接前后对比如图2所示，工件缺陷如图3所示。

图2 工件焊接前后对比

图3 工件缺陷

由有色金属焊接工艺分析可知，工件焊接变形大小可通过焊接温度等手段进行控制，但焊接变形是无法避免的，并且如果被焊接件小且薄，则焊接温度更难控制，变形会更加明显，甚至会出现因被焊接件薄而被熔化的现象，致使焊接后工件基准的确定成为精加工的关键。

2.2 生产过程中存在的问题

工件为铝合金焊接件，焊后加工余量由工艺指定，工艺人员结合实际情况进行工艺验证，精加工余量过大，去除材料产生的应力变形会影响工件精度。经过多次试加工，变形情况未见好转，为此，采用较小的余量进行精密加工，但出现被加工表面余量不均、局部未能完整加工的缺陷，必须设法解决。

2.3 加工方案

先加工底座5个φ4mm孔及端面局部，再以孔定位和端面定位，加工φ42+0.02+0mm和φ43+0.02+0mm台阶孔，为此在加工5个φ4mm孔和端面时，对基准的确定尤为重要。其中技术要求中的工序尺寸相互关联，内孔壁厚余量为0.6mm，而且单边受壁厚≥1.3mm制约以及存在焊接位置误差，难以保证工件加工质量。受焊接变形及余量的影响，间接确定中心坐标，对内圆柱面无法控制，当产生质量问题时，后续无法弥补。

3 加工方案改进

为了提高焊接件的机械加工合格率，在控制焊接质量后，分析工件结构，由工件结构确定基准，其中尽量遵循基准重合原则，优先保证重要表面，使加工余量均匀且误差最小。

3.1 基准的选择

按照工艺技术要求，工件加工余量小，尺寸基准为φ42+0.02+0mm和φ43+0.02+0mm内孔轴线，所有尺寸均是由该基准推出。结合工件结构，加工过程中反复装夹，需要从基准转换、定位基准的选择、工装夹具、加工设备和加工方法等方面入手进行分析，制定合理的解决方案。

在机械加工中，回转体的定位基准通常选择其内（外）表面，其基本方法是：利用百分表的针头（或光电感应器的触头等），沿十字形测出4个点的中心线位置。寻找不规则圆心一般采用平均法，找正方法如图4所示，即X1和X2向、Y1和Y2向分别取平均值，或采用杠杆表确定虚拟圆心[2]。此方法效率低，误差较大，当焊点局部变形量过大时影响会更大。

图4 找正方法

3.2 确定基准的方法

通过对该工件结构及加工顺序进行分析，从基准的确定入手，选择合理的定位方法，由原来采用分中法改为自定位定心法，改单件找正为浮动定位，制作专用固定圆锥销、锥形胀套及浮动锥形销，工装夹具如图5所示。

图5 工装夹具

用固定圆锥销确定工件坐标最终位置，锥形胀套随着浮动锥销的压紧而膨胀，自动贴合工件内壁，同时产生向下的轴向力，使工件随锥形胀套移动，贴合底面后完成定位。锥形胀套对工件定位孔的精度没有太高的要求，在锥形胀套允许的膨胀范围内即可[3]，可减少因焊接变形而产生的基准误差，在保证工件定位精度的同时夹紧工件。

3.3 夹具定位原理及计算

由图1可知φ42+0.02+0mm为最终保证的尺寸，其单边余量为0.6mm，采用锥形胀套为定位面，计算锥形胀套的定位误差及基本偏差。该工件焊接前内孔直径为41-0-0.10mm，锥形胀套外径为40.7-0-0.03mm，固定圆锥销与锥形胀套贴合，其目的是安装时不受焊接工件变形影响，且满足变形量＞0.3mm。锥形胀套在浮动锥销的作用下不断膨胀，按照锥形胀套12°锥度计算，浮动锥销移动量L＝X/tan6°，其中X为锥形胀套半径变化量。即当浮动锥销向下移动1mm时，锥形胀套直径增大0.21mm。按照设计，膨胀锥套与工件的间隙为0.3mm，则浮动锥销移动1.5mm即能满足夹紧需求。浮动锥销向下移动的同时带动工件向下移动，同时固定圆锥销对锥形胀套作用，使锥形胀套上下同时均匀受力，上下端及内壁同时膨胀，使之紧密贴紧工件内壁。在贴合内壁的同时，浮动锥销锥面对工件向下作用力，使工件下端面与固定圆锥销台阶贴合紧密，从而使工件精准控制在固定圆锥销位置，避免位置出现偏差，同时上下作用力夹紧工件。工件夹紧前后状态对比如图6所示。

图6 工件夹紧前后状态对比

4 加工方案改进效果

采用该锥形胀套工装装夹工件，具有装卸迅速、定位精准的优点，免去了工件的杠杆表找正工步，加工出5个φ4mm小孔，后面工序采用该夹具，加工效率大幅度提升。选用φ4mm内孔及已加工面为第二步定位基准，以加工面及内孔为基准反推，精加工前一工序粗基准，直接保证φ42+0.02+0mm和φ43+0.02+0mm内孔尺寸。由于前工序采用内孔定位，所以在精加工内孔时余量均匀，未发生内壁余量不足的缺陷。采用上述方法加工后，工件壁厚均匀，无明显偏差，且易于控制尺寸公差，最终加工出合格的产品。工件安装如图7所示。

图7 工件安装

采用锥形胀套装夹方法，确定工件加工方案，工件尺寸均控制在技术要求范围内。经多批次加工验证，工件一次加工合格率达到99.9%。实践证明，采用锥形胀套定位，对选择最终保证最小尺寸为粗定位基准方法有效。

5 结束语

在复杂零件的加工过程中，定位方法和基准选择非常重要。利用变形筒状工件的轮廓定位，并设定为浮动基准，合理运用工装夹具，解决了生产过程中因基准转换不合理而引起的质量问题，不仅工件加工尺寸、表面粗糙度和几何公差均达到技术要求，而且对产品质量的稳定及加工效率的提高起到了积极作用，尤其是中心线找正方法的扩展应用，为此类产品的定位方法和基准选择提供了参考。