关于薄壁管状零件加工工装优化技术的研究

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　　摘  要：文章从阐释薄壁管状零件的结构特征入手，针对零件加工过程中的变形问题及其原因进行详细分析，在此基础上选用一种专用工装进行壳件的装夹与加工，并结合装夹过程中壳件的变形情况进行工装的优化设计及加工工艺调整，使得薄壁管状零件的装夹刚性、抗变形能力得到大幅提升。
　　关键词：薄壁管件;零件加工;专用工装
　　中图分类号：TH16 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）26-0098-04
　　Abstract： This paper explains the structure characteristic of the thin-walled tubular parts， and according to deformation in the process of parts processing problem and its reason makes an analysisin detail. On this basis， we choose a kind of special equipment and tooling for shell parts clamping and processing， and， by combining it with the deflection of the casing in the process of the clamping fixtures， makes optimized design and process adjustment， thus enhancing the clamping rigidity of the thin-walled tubular parts and the resistance to deformation.
　　Keywords： thin-walled tubular parts; parts processing; specialized equipment and tooling
　　引言
　　薄壁管狀零件是一种典型的难加工零件，装夹刚性较差，在加工过程中极易产生变形问题。以某工件为例，该工件采用304不锈钢作为原材料，外壁直径φ62mm、壁厚1.5mm、长度为194mm，冲击韧性、塑性与延伸率数值均较高，但装夹刚性较差，在车削加工环节极易出现扭转变形问题，增大圆度与平面度误差。
　　1 薄壁管件加工难点分析
　　1.1 工件变形原因
　　通过观察薄壁管件的结构特征可以发现，该零件具有外径大、壁厚小、管体长的特点，缺少法兰约束结构，极易在外部应力作用下改变椭圆度，导致工件扭曲变形。在选用材料方面，该工件主要采用304不锈钢材料制成，不锈钢的抗拉强度为742MPa、屈服强度为410MPa、延伸率为45%、断面收缩率  50%、弹性模量为206GPa，在延伸率、断面收缩率等性能的影响下，工件的加工塑性高，在车削过程中易因位错运动和增殖使零件产生塑性变形[1]。在加工工艺上，由于其形位公差要求，需一次装夹完成内、外型面的车削加工，在加工过程中会释放毛坯内部在制造时产生的残余应力，致使工件变形;同时，如果采用车床卡盘或简单的凹凸工装进行工件的装夹与粗车、半精车、精车，因工件悬伸较大、刚性较差，对于工装的夹紧力提出了较高要求，若以内孔为基准配车实心铝盘镶入孔内、配合外包套辅助装夹，仍无法避免零件的加工变形问题。
　　1.2 壳件变形原理
　　为解决薄壁管件的壳件变形问题，拟还原加工过程进行变形原理与规律的分析。壳件在车削加工环节受轴向切削力的作用出现扭转变形，其中轴向装夹方式是产生旋转扭矩的主要原因。基于此，本文拟建立壳件在轴向装夹条件下的受力状态模型（如图1所示），将轴向装夹的两侧约束端截面分别设为A、C，截面B位于A、C两截面之间，将AB、BC距离用a、b表示，分别围绕径向、轴向两种夹紧工况下进行壳件受力、变形情况的分析。
　　将壳件在点B处受到的旋转扭矩设为TB，在两约束端A、C处受到的扭矩依次为TA和TC，则依据静力平衡方程可计算出：
　　根据壳件在A、C两截面处的约束条件，得出截面A相对于C的扭转角为零，则依据材料力学原理计算出：
　　其中IP为极惯性矩，z为车削截面与主轴装夹端的间距，L为壳件总长度，P为主轴输出功率，n为转速。
　　在此基础上基于材料力学中的转动惯量可推出壳件环形截面的极惯性矩为：
　　同理，当壳件处于仅在主轴一端装夹的工况下时，依据扭转变形与能量原理得出壳件车削加工截面的扭转变形、轴向扭转位移分别表示为：
　　依据壳件在轴向装夹、径向装夹两种情况下的扭转变形情况可知（如图2所示），在壳件车削加工环节，壳件在径向装夹状态下受到的扭转变形大于轴向装夹。接下来针对壳件的轴向装夹工况进行分析，扭转变形的最大值出现在位于壳件中间部位的B截面附近，B截面处的扭转变形达到径向装夹工况下的1/2;而在壳件处于径向装夹工况下时，其扭转变形的最大值则出现在工件末端部位。将两种工况下零件所受的扭转变形条件进行比较，径向装夹的最大扭转变形量为轴向装夹的4倍。将本文选取工件的参数代入公式中，可计算出壳件的极惯性矩为2.66×10-8，轴向装夹、径向装夹工况下的最大扭转角分别为3.95×10-8rad和4.05×10-9rad，变形量分别为15.84×10-8m、16.22×10-9m。
　　在此基础上，针对壳件在两种装夹状态下的扭转变形情况进行有限元分析，分析结果表明在轴向装夹与径向装夹两种工况下，径向装夹约为轴向装夹的6倍，与计算结果基本保持一致。
　　2 专用工装优化设计与应用效果讨论 　　2.1 工装结构设计
　　考虑到常规车削与装夹方式将使零件产生较大的扭转变形，因此本文拟改变原有的三爪卡盘、辅助装夹的方式，采用专用工装对零件内、外型面的差别化加工与轴向装夹（如图3、4所示）。在内型面加工环节，选用4根轴向均布的拉杆用来固定壳件端面的环状压板，使其与止口端面接触，与外回转面之间留有微小间隙;在外型面加工环节，利用螺杆进行端面环状压板的紧固处理，使其与工件的端面实现良好接触，与内回转面之间留有微小间隙。将该工装应用于壳件内、外型面的加工过程中，在外型面与内型面加工工序的过渡环节，利用4根拉杆与环状压板进行壳件的装夹处理，再将螺杆、端面压板拆除并开始进行内型面的加工，借此既有助于保障工件加工精度的一致性、减少因工序转换产生的误差，同时还可避免多次装夹，使径向装夹力大幅减小，保障零件处于均匀受力状态下，克服扭转变形与装夹变形问题[2]。
　　2.2 装夹过程中的壳件变形情况
　　2.2.1 受力分析与评价指标选取
　　针对采用专用工装进行零件加工后零件的受力状态进行分析，在加工内型面时，选取4个拉杆沿环状压板进行轴向均布，将工件夹紧，并且保障其端面受力均匀。在将拉杆进行紧固处理时，将使零件端面受到不同扭矩的作用，致使其压紧力存在一定的偏差，并且体现在零件的变形程度上。考虑到此类问题，通常在实际工装时沿对角线方向进行拉杆的逐一循环紧固，完成4个拉杆的紧固处理，以此保障4个拉杆处产生的扭矩大小基本一致，实现均匀受力（如图5所示）。在将螺纹进行紧固处理时，可借助扭矩扳手进行扭矩值的调节，保障将其固定在约0.2Nm，利用接触面产生的摩擦力与切削力相抵消，最大限度减少装夹过程中产生的变形量，防止因车削产生的残余应力不一致导致零件加工形状产生较大误差。
　　根据环形压板所受轴向力对于零件、压板变形产生的影响，以及具体的应力分布情况，可选取轴向力作用结果作为评价指标。通常对于环形压板施加的轴向力主要发挥两种作用，其一是利用轴向力将零件夹紧、固定，其二是依靠环形压板与零件端面的良好接觸产生摩擦力，来抵消径向切削力，防止零件端面与工装接触面产生相对滑移。
　　2.2.2 有限元分析结果
　　通过采用有限元分析软件针对壳件在装夹过程中产生的变形情况与应力分布状态进行分析（如图6所示），由于装夹时环形压板将对止口端面施加一定的压紧力，但该压紧力未能与胎具施加的作用力位于同一回转面内，由此产生了较大的弯矩，致使壳体局部弯曲。壳件在靠近胎具部位沿径向外凸，形成腰鼓状变形;在临近环形压板一侧产生的变形量较大，在环形压板施加的轴向力的影响下使其止口部位向外膨胀，且靠近止口处的回转面沿径向内凹，在此处产生了较大的内应力。
　　针对壳件在压板夹紧状态下的轴向受力情况、变形程度进行分析，拉杆对于压板施加的力F1与壳件止口端面所受的力并未处于同一平面，使压板产生较小的弯曲变形，进而使压板内侧面对于圆柱管止口外沿部位施加了作用力F2，该作用力与压板内侧面保持垂直关系，与壳件轴线间具有一定夹角，并且产生集中受力区。针对F2的构成进行分析，一方面来源于对外圆柱面沿垂直方向产生的作用力的径向分力，作用于壳件止口附近，使壳件产生内凹变形;另一方面来源于对壳件止口端面施加的轴向作用力，在与径向分力、摩擦力的共同作用下致使工件止口处产生外胀挤压变形。
　　2.3 工装优化调整方案
　　2.3.1 工艺调整
　　依据受力分析结果，需针对现有专用工装的设计方案进行调整，使环形压板对壳件止口端面仅施加轴向作用力，防止环形压板内侧面对壳件止口外沿处施加作用力，避免产生集中受力区与变形问题。基于此，拟选取压板内侧面拐角部位进行预开槽处理，实现对壳件止口处变形问题的有效调控，并且在壳件加工过程中合理调节夹紧力大小，针对其扭矩值进行精确计算，保障夹紧力恰好满足工件夹紧需求，防止产生切削变形问题。在壳件装夹环节，针对工装过程进行优化调控，改变原设计的采用三爪卡盘、一次性装夹方式，采用专用工装分别完成粗加工、半精加工与精加工三项工序流程，测得壳件的平面度小于0.02、圆度小于0.07，由此说明采用专用工装优化方案后能够有效减小壳件变形量、提高壳件加工精度。
　　2.3.2 其他工艺改进措施
　　首先从毛坯选择入手，结合零件用途与性能要求进行管材原料、规格尺寸的选取与设计，在下料后先通过加热进行扩口处理、留足加工余量，再依据技术条件要求完成零件的热处理，采用抽样检测的方式开展变形力试验，保障选取合格原料作为毛坯，进行后续加工处理。其次是车削刀具的选用，应明确前角、后角、主偏角等几何参数对于车削加工过程中热变形、切削力等指标的影响，在精加工环节确保刀柄具备足够的刚度，控制修光刃的长度，确保刀刃的锋利性。最后是把控好切削用量，明确内孔粗车、内孔精车、外圆粗车、外圆精车等环节的切削用量指标，合理调节目标板的凸度，配合专用夹具控制好切削力与夹紧力，保障工件加工质量与精度，解决工件变形问题[3]。
　　3 结束语
　　本文以薄壁管件在车削加工与装夹过程中产生的变形问题作为切入点，通过数值计算与有限元分析得出径向装夹、轴向装夹均会使零件产生扭转变形，结合计算分析结果构造出一种专用工装，通过工装结构的调整与优化设计减少零件车削与装夹过程中的变形量，便于提高薄壁管件的装夹刚性、保障零件加工精度。
　　参考文献：
　　[1]陈雪芳，崔凤有.薄壁类风筒工件的加工方法优化[J].制造技术与机床，2018（7）：108-109.
　　[2]陈禹至，陈蔚芳，施圣杰.一种薄壁件柔性多点加工工装布局优化技术[J].机械制造与自动化，2018（05）：67-69.
　　[3]杨维忠.薄壁零件拉伸套加工控制变形专用工装的制作[J].南方农机，2019（19）：13.
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