基于某壳体零件的薄壁环形件工艺方法研究

徐德凯

摘 要：本文针对某型号壳体零件在加工中出现的变形量大、同轴度难以保证等问题，对该零件结构特征、技术要求等进行研究。对已有工艺方法进行改进，合理调整加工过程中的装夹方式及切削参数，并在零件精加工前增加人工时效减小内应力以控制零件变形。经实际加工，验证了改进后工艺方法的有效性。

关键词：薄壁环形件;機械加工;工艺方法

薄壁环形零件其自身刚性不足，在装夹和加工过程中由于受力不均匀，易产生变形，导致最终尺寸超差、影响使用甚至产生报废。[1]本文针对某壳体在加工中存在的此类问题，对薄壁环形零件的工艺方法进行研究，以提高此该零件的合格率。

1 工艺方法设计及存在问题分析

1.1 零件特点分析及工艺方法制定

1.1.1 零件特点分析

如下图所示为某壳体二维图。该零件长185±0.1mm，外径最大处Φ1700-0.3mm、最小处Φ1440-0.2mm，零件最薄处单边厚度为30-0.2mm，外径与壁厚之比约为62，远大于25，故该零件为典型的薄壁环形零件。

某壳体二维图

该零件毛坯外径Φ175mm单边厚度50mm。毛坯料外径最小和多单边去除余量分别为2.5mm和15.5mm，去除量较小。而内径最小单边去除余量29.3mm，最多单边去除余量44.5mm。即内径去除余量程度约为外径的2倍以上，内外余量分配不均匀必将导致加工时内外应力分布的不均匀，应力分布不均将使零件加工完成后存在变形的可能。同时，去除余量程度较大，远大于零件壁厚，故该零件存在变形的可能性进一步增加。

为避免零件在加工过程中产生变形较大，需在加工过程中尽量减小切削力，同时减小进给量、多次进给，减小加工过程中产生的应力不均。

1.1.2 工艺路线制定

本文初步制定以下加工工艺方法，如表1所示：

表1 原工艺路线

车床卡盘具有自定心能力，为保障各段同轴度，装夹方式首先考虑到使用卡盘装夹。5工序为后序装夹首先加工出一个精度较高的基准，由于该零件长度较长，故悬出量较长，为保证零件装夹后的刚度，故5工序加工出的基准台阶长度较长，约为30mm。10工序加工时以5工序加工好的台阶为基准，粗车零件内外圆轮廓。掉头后15工序以10工序加工好的外圆为基准，粗车外圆。

20工序以15工序中加工过的台阶为基准，按设计尺寸要求精车内外圆。掉头后25工序以20精车后的外圆为基准，按设计尺寸要求精车外元轮廓。25工序装夹后数铣加工沉头孔及螺纹孔。

1.2 加工中存在的问题及分析

1.2.1 存在问题

零件加工完成后发现零件存在变形，同时该零件要求所有直径同轴度Φ0.1，检验发现同轴度部分超差，尤其是Φ133.6+0.20mm、Φ144.40-0.2mm、Φ150.40-0.2mm等直径较小处变形较大，精度难以保障。

1.2.2 原因分析

分析零件产生变形的部位后发现，零件变形可能由于零件厚度太薄，使用卡盘装夹时虽然能保证零件中心轴与机床回转轴一致，但该装夹方式属于点接触，受力面积较小，受力部位压强较大，不均匀受力使该零件易产生变形。加工结束后，卸下零件、夹紧力消失，零件变形恢复，导致加工后零件变形量较大。

同时，零件在夹持时悬出量较长，夹持部分需预留较长尺寸，25工序数车加工零件小半径部分时，需将余量全部去除，导致该工序去除余量程度最大，去除厚度至少为16mm，产生的加工应力较大，故该过程零件易产生变形。

2 工艺方法改进及效果

2.1 改进后工艺方法

从1.2.2节中可知，零件变形量大的主要原因是装夹方式不合理和余量分布不均匀，基于以上两点，本文对该零件工艺方法进行改进，改进后工艺路线如下表2所示：

表2 改进后工艺路线

改进后的工艺路线从15工序开始改变，15工序将10工序夹紧台阶车去12mm厚度，使25工序中余量直接减少12mm。台阶减小后该零件在后序加工过程中无法使用卡盘装夹，故采用压板压紧代替卡盘夹紧。

压板压紧时，为保证后序加工中零件中心轴与机床回转轴重合，与机床贴合大面要与零件中心轴垂直，且对大面的平面度要求较高，为防止变形，在15工序后增加17工序人工时效，使零件内部应力尽量释放。

人工时效后对定位面进行研磨，保证定位面精度。20工序数车加工时，首先用卡盘装夹工装，调整工装回转中心，然后使用压板将零件固定在工装上、加工零件内圆轮廓。工装中心为一个与零件研磨面相配合的圆形凹槽，以研磨面和研磨面外圆面进行定位，间接保证零件中心轴与车床回转轴的同轴度。

25工序使用卡盘夹零件大端外圆，精加工零件小端外圆。由于15工序已去除大部分余量，25工序去除余量为5.1mm，仅为改进前的三分之一。

2.2 改进后效果验证

本文使用改进后的方法对该零件进行加工。结果显示本文改进后的工艺方法能有效减少零件的变形量，保证零件的加工精度。但改进后的工艺路线由于增加热处理和钳工工序，加工时间增加较多，效率有所减小。

3 结论

针对某壳体零件在加工中出现零件易变形，各段同轴度精度难以保证的问题，本文对工艺方法进行研究，在此基础上对原有零件加工时的装夹方式和工艺路线进行改进，有效解决了零件变形变形量大和各段同轴度较低的问题，提高了产品合格率。

参考文献：

[1]季明浩，孙达章.环形薄型零件加工工艺[J].上海海事大学学报，2008，29（1）：49-53.