中车戚墅堰机车有限公司 江苏常州 213011
摘要：薄壁件产品在加工时，由于形状结构复杂，相对刚性较低，导致加工工艺性较差。在机械加工中，工件在压装、切削等过程中会产生一定的变形量，薄壁件的加工变形量尤其严重，主要分为以下三种：工件装夹变形、工件加工变形和加工后应力变形。针对精度要求较高的工件，为提高产品精度，在加工过程需要严格控制工件变形量。
关键词：薄壁件 加工 变形
1 背景
公司一种新产品，为减轻重量，设计为薄壁件，部分位置壁厚只有8-12mm。根据图纸进行分析，整体高度265mm,内部多个台阶孔，尺寸ø315-ø348mm，精度需要控制在0.06mm以内，上下孔同轴度要求0.05mm，产品尺寸要求和形位公差要求较高。相对于目前生产的其余产品，精度高、壁厚小，加工变形量较大，无成熟加工经验可以借鉴。
2 变形控制方案
2.1 加工应力释放
铸造毛坯内部残余内应力会使毛坯在加工过程中处在不稳定的状态中，铸造毛坯会向着恢复到没有内应力的状态不断变化，毛坯外形和尺寸变化越大，变化越大。切削加工时，表面层金属被去掉，原有的应力平衡状态被破坏，工件就会发生变形，使应力达到新的平衡状态。因此，在产品在加工时，首先通过划线，测量各面加工余量，合理分配加工余量。根据测量，内孔直径方向余量约为10mm,平面余量约为6mm,由于余量较多，需要将产品加工分为粗加工、半精加工和精加工，粗加工时，内孔和平面留约3mm余量，半精加工时，余量控制在0.5-1mm。在加工过程中，不断释放应力，以减少最后精加工时的变形量。
2.2 工件压装变形控制
2.2.1一工位压装变形控制
在一工位精加工前，在立加上根据立车加工的上平面为基准，将需要压装的区域平面铣平，铣平区域用于一工位精加工时产品快速校调。减少毛坯面校调基准不统一的问题，实现工件装夹时的快速校调。压紧位置为产品侧边缘，避开产品加工区域，底部设置有辅助支撑，减少产品在加工时由于刀具切削引起的变形量，保证产品的顺利加工。
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图1 一工位压板位置
一工位加工时需要精镗ø315mm、ø338mm、ø342mm内孔，精铣ø323.7mm槽。为保证产品加工精度，以上几个加工内容保证在同一次装夹下加工完成，避免二次校调引起的误差。减少产品装夹校调的时间，减少产品在压紧和顶起的时候受力不均引起工件变形。产品压装时，在压装位置，底部使用螺栓顶，上面采用压板压的方式压装，确保压的位置和顶的位置处于同一直线，避免因压装位置不同引起的工件变形。为控制变形量，压装时使用百分表“打表压装”的方式，具体操作方法为：将百分表打在压装位置处，先通过底部顶紧螺栓将工件顶起，然后使用压板将工件下压，下压时通过扭力扳手将螺栓拧紧，控制扭矩100N.m。
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图2 打表压装
该打表压装的方式，可以在顶起和下压的变形量上保持一致，使得工件恢复到自由状态的位置的同时处于顶紧螺栓和压板夹紧的状态，保证产品加工时的稳定性。
2.2.2二工位与数控立车精加工时压装位置的选择
二工位和数控立车加工后工装压装位置均选择一工位加工后的螺栓孔反刮面，一工位精铣后的平面和精镗的两个小孔作为定位基准，采用四点压装方法，用压板压紧或者螺栓压紧的方式。在产品装夹前，工装上所有支撑点区域在机床自铣平面，保证平面度。在压装后，使用0.03mm塞尺进行检查，确保压装面贴合，压装螺栓力矩控制80N.m。
2.3 加工变形控制
2.3.1切削变形控制
工件在切削时，为克服材料的弹性变形、塑性变形和刀具与工件之间摩擦力，大部分转化为热能，造成工件温度不均，产生变形。为控制工件变形量。在加工时，采用切削液进行冷却，控制工件和刀具温度，减小变形量。在刀具切削上，采用高速切削，切削时，切削热大部分由铁屑带走，控制工件温升，减少工件热变形。
合理使用刀具，减小切削力。在车床精车和一工位精镗的切削加工中要密切结合加工要求注意切削的角度，以便减少切削力。增大刀具的前角和主偏角，使刀锋锋利。比如，在对薄壁零件的车削中，如果前角过大，会使刀具的楔角变大，加快磨损速度，变形和摩擦力也会减小。在进刀时，刀具与产品的挤压会使产品发生微小的弹性变形，选择螺旋进刀，以减少产品开始切削时的变形。
2.3.2加工工步选择
在工位一加工时，为保证产品加工精度，先加工余量较多和产品精度要求不高的位置，然后加工内孔和下工序定位孔，减少产品精度要求较高区域的应力变形，以保证产品最终尺寸精度。在刀具切削时，采用小进给量、多次走刀的高速切削加工的方式，减少加工时的产品震动和变形。加工时，刀具采用切削液润滑和冷却，减少刀具磨损并对刀具进行冷却，控制变形量。将内孔通过数控立车加工，相对于卧加或者立加加工，具有一定的优势：（1）刀具简单，一把刀可以完成多台阶孔的加工，无需多把镗刀，（2）内孔锥度可在程序中调整，尺寸控制更加精准，（3）车刀可以通过程序，实现较大的倒角的加工，立加或卧加倒角刀具一般刃长不超过10mm，（4）数控立车加工时，由于是平面与工装大平面接触，接触面更大，放置方向右竖直放置变为水平放置，消除了重力影响。
2.3.3精车内孔变形控制
在数控立车精车内孔工序，由于立车精车时工件旋转，而工件为不规则形状，前后左右均不对称，在旋转时会产生离心力，导致工件变形。在加工时，为保证产品加工时离心力变形量，控制立车转速为60转/分钟。
为合理控制产品加工时的变形量，工件压装前后和加工前后均检测，确保变形量可控。一工位精加工后在压板松开之前对产品加工的孔进行测量，选择间隔45°的4个方向进行检测，确保产品的圆度。数控立车精车前，在机床上打表检测前工序加工孔的圆度。经过现场试验验证，工位一可以有效保证产品的加工变形量，工件内孔圆度可以控制在0.04mm以内。通过在数控立车加工后工装拆解前后测量数据反馈，数控立车可以有效保证产品的变形量，同轴度和圆柱度均得到有效的保证。
3 实施成果及意义
产品加工后，进行三坐标检测，各孔径尺寸符合图纸要求，圆度基本控制在Φ0.03mm以内，同轴度控制在Φ0.04mm以内，产品关键尺寸项点全部合格，有效解决了薄壁件产品的压装变形和加工变形问题。
4 推广应用
针对薄壁件，在工件加工时，合理选择压装位置、公家打表压装和刀具的合理选择有效控制薄壁件的变形，成功实现薄壁件加工变形的控制，精确控制孔径与大孔同轴度，在工件加工上，有较广的推广应用意义。
参考文献：
[1]宋玉红.薄壁零件的变形分析和加工精度控制[J].机床与液压，2014
[2]胡翔云.数控铣削工艺与编程[M].北京：人民邮电出版社，2013