异形零件加工工艺及变形控制方案

中国铁道科学研究院机车车辆研究所 (北京 100081) 王立超 张 磊 张海军 王 欣 陈 剑

机械设计与制造中具有特殊用途的异形零件越来越多，这些零件结构刚性差，形状不规则。因此在加工过程中，与外形规则的零件加工之间有很大区别。首先，异形件很难用常用的工装进行装夹，必须设计专用的工装夹具。其次，异形件在加工过程中，容易发生变形。因此，必须要根据具体零件的尺寸、热处理等技术要求的不同，来采取相应、有效的工艺路线及变形控制方案，以满足图样要求。

下面以一个异形件为例，进行详细说明。主要对16 mm×110 mm深长槽加工过程变形工艺控制方案进行论述。零件如图1所示。

图1

1.零件加工难点分析

该零件毛坯为铸钢件，从产品零件图分析，加工过程存在以下几个难点:

(1)零件加工时，尺寸为36 mm×33 mm的两长方形支脚的所有面都需要加工，两支脚刚性较差，装夹困难，必须有专用工装来完成。

(2)图样中两处形位公差要求较高，尺寸为16 mm×110 mm×33 mm的长槽加工时，变形控制是该件能否顺利进行的关键点。长槽的变形量对φ16 mm孔的同轴度、公共轴线对槽中心的垂直度及两只脚的对称度产生极为重要的影响，变形超差会直接造成产品报废。

2.加工工艺方案的初步确定

根据上述零件加工难点的分析，初步确定零件的机加工艺方案为:车φ175 mm外圆及端面作为加工基准→粗加工两支脚 (去除大的加工余量)→半精加工两支脚→精加工两支脚→定总长→线切割长槽封口处。

加工基准是为了粗、精加工两支脚时便于装夹定位，为保证装夹可靠稳定，同时又防止夹紧力对零件加工变形产生较大的影响，夹具设计时采用从两支脚上端垂直压紧的方式。粗加工、半精加工及精加工两支脚加工的内容虽然不同，但定位基准一致均采用φ175 mm外圆及其端面定位 (外圆和端留有适当的精加工余量)，所以采用一套夹具来完成两支脚所有面的加工 (压紧面除外)，专用夹具如图2所示。

图2

为解决16 mm长槽加工变形的问题，所有粗、半精加工、精加工工序16 mm长槽均不开通，并留有后道工序所需余量。工艺如此安排是为了解决16 mm长槽加工的刚性问题，显然封闭槽的刚性要远大于开口槽。另外，考虑到只有在16 mm长槽封闭的状态下，加工2个φ16 mm孔时，才能有效保证其同轴度和垂直度的形位公差要求。如果在16 mm槽开口状态下加工2个φ16 mm孔，加工过程中产生的垂直于长槽侧壁的切削力，必然导致开口槽较大的变形，从而使加工无法进行。而且16 mm长槽在封闭的状态下也利于工件的装夹，可以施加比开口槽时较大的垂直压紧力，而不会造成零件的夹紧变形，精加工后零件的示意图如图3所示。

图3

精加工两支脚并定长后，在数控车床上完成φ152 mm外圆、端面及SR24 mm球面的精车，精车夹具如图4a所示。最终在线切割机床上完成16 mm槽的开槽工。

选用电加工方式完成封闭开口加工而不用铣削加工的方式，首要目的还是要防止切削力对槽变形的影响。夹具实物照片如图4b所示。

图4

3.初次方案在实施过程中存在的问题

尽管加工方案中充分考虑到了零件刚性、装夹方式、切削力对加工的影响，但在实施过程中仍然存在以下2个问题:①虽然对零件加工安排时，粗精分开，但切削加工应力的影响仍然很大，造成线切割开口后16 mm尺寸上部超差严重，2个φ16 mm孔的同轴度和垂直度达不到设计要求。②由于变形的存在线切割16 mm槽开口处时，造成机加工成形尺寸和线切割后尺寸不一致，同时在槽壁处形成较大的切割痕，不能满足产品的要求。

4.工艺方案的改进

根据加工过程中的实际情况，为更好地控制切削加工应力，对粗加工两支脚后的零件增加一道人工时效热处理工序，以减少切削加工应力释放对16 mm槽变形的影响。此外，线切割工序改变走刀方式，首先以16 mm槽中间走刀将槽封闭处切开一条窄缝，进一步释放应力，然后再从槽壁一侧圆弧进刀，按产品成形尺寸16 mm将槽全部切开。该方案实施后彻底解决了16 mm长槽加工变形的技术难题，保证了该件批量生产的顺利进行。

最终工艺方案为:车加工基准→粗加工两支脚→去应力→半精加工两支脚→精加工两支脚→定长→精车外圆及SR24球面→线切割槽开口→球面淬火→表面处理。

5.结语

(1)长槽加工过程中以封闭的形式提高零件的刚性，解决了切削抗力对长槽变形的问题，同时封闭加工也利于施加较大的夹紧力。

(2)中间增加去应力工序，是为更好地解决切削加工应力释放对16 mm槽变形的影响。

(3)选用线切割方案最终开口，以及线切割走刀方式的改进均是为达到减少切削变形的目的。

(4)粗、精加工工序分开是减少变形和切削应力的有效措施之一。