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非薄壁件变形问题

UG帝国2019-01-10 14:11:43

转自【五轴智造】

引言

  众所周知,中空或薄壁零件在冷加工过程中由于受到切削力、摩擦热、装夹力等作用容易变形,近年来一直是工艺研究的热门话题,这方面的参考资料很多,目前已形成比较成熟的工艺方法,通常采用粗加工、普通热处理、半精加工、高低温稳定处理(包括多次循环)、精加工等工艺路线,能大幅度减小工件变形量。

      对于整体支撑较好的工件,如高精度闸座、阀体等实体类零件,其变形问题往往被人们所忽视。但在实际加工中,此类工件因为变形导致的尺寸、形位公差不合格现象却是屡见不鲜,应该引起同行们的关注。

工艺分析

工艺人员考虑工件是否变形的依据是零件的结构、形状与材质,而实体类零件因其具有良好的刚性,兼具规则的外形,装夹方便,定位可靠,长期以来被认为不变形、易加工、工艺简单,故该类零件成形过             

图一

程中的变形问题很少引起人们的关注。 

右图所示为一典型实体零件,材料是锻铝2A14,模锻毛坯。工件边界尺寸为180mmX100mmX80mm,两端伸出台阶的最小厚度是10mm,且所有根部为R2~R3的圆弧过渡。表象上看不存在薄弱环节,采用传统工艺方法即可实现。首先粗铣上下平面及180mm尺寸方向四个基准面,注意找正工件,均匀去除余量;考虑到底面两孔孔距公差要求为±0.02mm,故选用高精加工中心镗削两孔(预计实际尺寸可以控制在0.01mm以内),为后续采用一面两销工艺定位提供基准;以孔

图2  工件示意图

定位数控铣外型(底面凹槽在本工序不加工),单边均匀留余量1mm;工序4设计为热处理时效工序,以消除加工应力,提高工件稳定性;     

鉴于图样有“底面两孔对底面的垂直度不大于0.02mm”的要求,工序5安排精镗两底孔、精铣底面及凹槽等加工内容,由加工中心一次装夹完成;以精镗后两底孔定位,精铣其余外形至成品尺寸。                                         

问题复现

针对该零件的结构特点,理论上按照上述工艺路线加工应该是没有问题的,但此工件在实际加工过程中却走了很多弯路,且有两批工件出现孔距超差现象。

根据以往的操作经验,对于数控加工的孔距尺寸,只要程序正确、公称尺寸不差,就认为孔距合格(高档设备更是如此)。因此在首件检验时,操作者与检验员均采用普通卡尺测量孔距,问题没有被及时发现。当第二批工件加工时,首件在三坐标测量机上测量时发现,两孔孔距超差,工艺要求±0.02mm,实际却为mm。反复测量上批次零件孔距尺寸,结果也是如此。

检查数控程序正确无误,工件又为刚性实体,所以怀疑机床有问题(此机床以前更换过光栅尺,孔的方向刚好与所换光栅方向相同)。经过激光检测,机床的几何精度、定位精度均在规定范围内,做标准试切件,也完全合格,则机床精度问题可以排除。问题出在哪儿?仔细观察工序4后的半成品,发现工件底面不平,中间高、四角低,放大后的示意图如图3所示。经测量,中间比四周高出0.2mm左右,两孔距离则比以前超大0.07mm左右。这种现象表明:加工应力与夹紧力使工件变形,加工后工件释放内应力,均影响到孔距精度。但精加工余量较小(单边1mm),凹槽深仅有4mm,  难道也存在类似问题? 

 

      
图3  工件变形示意图 

 

                              

工艺改进 

                           

原工序5采用虎钳夹持工件两端面,装夹方式如图4所示,先精镗两孔,然后加工4mm深凹槽,最后精铣顶面(去除量仅为0.5mm)。按此顺序加工完成后,不卸工件,直接用机床的测量头测量,两个孔距-0.025mm;取下工件重新测量(三坐标测量机),则为-0.035mm,孔距依然超差。

经过反复摸索与试验,在原工艺路线不变的情况下,尝试改变本工序的加工次序,即先加工凹槽,再加工顶面,均留余量0.2mm,然后松开虎钳,重新用适当的力量夹紧,再精加工凹槽及顶面至要求尺寸,最后镗孔。取下零件后经反复测量,


图4工件装夹示意图 


孔距在±0.007mm之间,完全满足工艺要求。

举一反三


我们在加工另一实体零件时也遇到变形问题。图5所示零件材料为0Cr18Ni12Mo2Ti,采用棒料毛坯进行加工。图样要求,零件上所有定位销孔与连接螺孔的位置基准均为Φ38H8孔,故工艺路线安排为:1固溶处理→2车削两端面,精镗孔Φ38H8→3精铣四方→4精磨设计及工艺基准面→5数控加工与Φ38H8正交的一组台阶孔→6以Φ38H8孔定位,加工中心完成其余加工内容→7线切割精切刀具通槽30H8。





工序6采用心轴定位加工时,Φ38H8孔与心轴Φ38f7配合正常,未出现任何问题,本工序顺利完成。此时,该零件局部结构发生设计更改,为检查装配关系的正确性需进行试装。在试装过程中发现与Φ38H8孔配合的闸栓(尺寸与心轴相同,为Φ38f7)不能装配到位。之前用塞规测量且经心轴定位验证,Φ38H8孔孔径及圆度均合格。经查,①同批次多个工件都存在类似问题;②复测Φ38H8孔,孔径局部超小0.025mm,各截面圆度处于0.02~0.04mm范围。由此可见,零件在工序6后发生明显变形。




针对上述问题,工艺方法略作调整:


工序2:车削两端面,镗孔Φ37.8H10,给精加工留出余量                     

工序6:以精磨两面定位,找正工序5已加工台阶孔,由加工中心完成其余加工内容,同时要求,将Φ38H8孔的精镗安排在该工序的最后一个工步进行。按完善后方法加工的零件经成品批次性综合计量全部合格。

上述零件装配孔的变形带有较强的普遍性,对此开展了一系列工艺试验,采用产品常见材料铝合金按图6进行试加工。如图所示,4-d1孔的位置基准是大孔D,通常的加工顺序都是先精镗大孔D至尺寸,再钻其周边均布的小孔d1。但从试验结果来看,此时大孔D的圆度会受到影响。由此可得,对于精度要求在IT7以上的安装定位孔,最好先预留0.1mm的加工余量,待其周边的加工内容全部完成后,再精镗至成品尺寸,确保产品装配性能要求。


结论

实体类零件因为变形而影响到孔径、孔圆度及孔距尺寸,以前几乎没有注意过,即使想到,也意识不到有这么严重。可见,对于精度要求较高的零件必须考虑零件变形问题。合理地编排工艺路线,适当地调整加工次序,必要时松开夹具,或自然放松,多次装夹。使工件恢复而释放应力是解决此类零件变形的好方法。