薄壁半圆件加工变形与对策

薄壁半圆环形结构的零件属断续加工，由于零件的刚性差，容易变形，加工较为困难。为解决零件的变形问题，必须在工艺上采取一些措施。

图1 薄壁半圆件

一、薄壁半圆件加工中遇到的问题

图1所示为薄壁半圆件的零件。壁厚∶直径＝1∶26，零件材料为45钢，调质处理，精度要求较高。若单件加工，则比较困难。因为它不是一个整圆件，在车床上是断续切削，定位夹紧也很困难，需要复杂的夹具。而采用两件一起车削，即加工一个整圆，然后再分开的方法，可以解决断续车削及装夹的问题。根据这一方案，制定的工艺路线为：粗车整圆→热处理(调质)→半精车整圆→铣(切开)→磨(剖分面)。按照这种路线加工零件时发现，合格的整圆零件剖开分成两个薄壁半圆件后，在零件的两端口部向内缩，缩小量达0.5～1mm，如图2所示。因而在装配时，零件必须经过修锉，但修锉后的零件不符合图样要求。究其原因，是零件变形所致。

二、变形原因分析

产生这种误差的原因主要是零件的内应力所致。而内应力是热处理和车削造成的。在热处理中，零件经加热，升温至780℃左右，再经快速冷却(水冷)和 550～600℃高温回火，完成对零件的调质。由此可见，在调质过程中，热→冷→热→冷，零件受热膨胀，遇冷收缩。若零件结构不规则、厚薄不一，则受到的冷热程度、热胀冷缩的程度及受热和冷却速度不一。壁薄处热胀快，冷缩也快；壁厚处热胀慢，冷缩也慢。这种速度差，就会在零件的厚处与薄处的过渡区域内形成相互作用的内应力。内应力在整圆零件内部是相互平衡的。当零件被切开以后，内应力就要寻求新的平衡。这样，零件就会发生变形，而变形的大小，与其刚度有关。刚度大则变形小。对于薄壁件变形就比较大。该零件由于其中间有一段厚壁，在热处理冷却后，中间部分冷却速度慢，在其两端壁薄处，温度已降低了，而中间部分还在冷却收缩，则在两端壁薄处产生压应力，如图3所示。

图2 剖开件端口向内收缩

图3 薄壁筒受力状态

图4 两半圆环的焊接

精车和铣削也会产生内应力，是切削热引起的，相对来说较小，对零件变形影响不大。至于夹紧力，也会产生变形，但主要是圆度精度受影响，对零件开口影响不大。所以，当零件被铣开后，其压应力就在寻求新的平衡时，使零件开口处产生缩口现象。产生这种缩口变形误差的主要原因就是热处理产生的内应力。

三、解决问题的办法

要想解决这个问题，就要从消除内应力着手。一种办法是将工件在热处理后进行时效处理。另一种办法是先切开，再热处理，然后将两件点焊在一起加工。这两种办法，前一种工艺路线不变，只是加一道时效工序，由于时效处理内应力不可能完全被消除，故只能减少变形，但不能完全消除变形。后一种工艺路线要进行比较大的改变。但这种方法能更有效地消除变形误差。现详述后一种办法。工艺路线改为：整圆粗车(留有较多的余量)→铣(分开)→热处理→点焊(合并)→半精车→钳 (分开)→磨。这种改动关键在于先切开，再热处理。这样热处理时，工件可以充分变形。这是由于其形状是个半圆，而不是整圆，在这时内应力因零件已变形而会减少很多。而且，在后续加工时，只是将其余量去除，本身结构不作大的变动(不像原来整圆切开)，故其内应力的平衡也不会被打破，不会再因内应力而引起变形。热处理后，再将两件在自由状态下点焊在一起(合成一个圆)，如图4所示。在点焊后，焊接点处会有焊接应力。由于焊后都是收缩，故在焊点处存在有拉应力。而零件的两端薄壁部分还会存在一定的压应力，两者可以抵消一些，从而使焊接应力对零件不会有什么影响。焊好的零件经车削加工后，焊接处仅剩很少一点焊缝，零件用手一掰，即可分开，再将剖分面磨光，便可得到完全合格(开口处基本无变形)的零件。如果要更精细些，则可在点焊后再加一道时效工序，效果会更好。即：粗车整圆→铣→热处理→点焊→时效→半精车→钳→磨。

综上所述，对于该零件，在工艺上主要采用了两件合一和先分开后热处理的办法，解决了加工问题和变形问题。因此，解决薄壁件、半圆件的加工问题，需根据不同情况加以分析，都会找到一条合适的工艺路线的。当然，本文所介绍的工艺路线比较复杂一些，如果零件要求不高，就不妨采用时效工序，可以经济一些。

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