大直径薄壁件加工变形的控制技术

随着轨道交通、航空工业和新能源等大型制造业的兴起，一体式结构的大型工件加工也越来越普及。在加工过程中，薄壁件加工的变形规律并不明确，切削、装夹等工艺参数只能借鉴制造经验进行设定，在工艺提升上难有突破，工件易产生尺寸超差的问题，加剧了企业的不必要浪费。

本文从工件理论受力分析、有限元分析以及实物验证三方面入手，验证工装设计的可行性，并探索工装夹持的合理参数。

1. 工艺分析

（1）工艺难点分析。对于大直径薄壁件，以图1为例，其外径为576mm，总长为480mm，壁厚为10mm。该工件所用材料为Q345钢，加工精度等级为7级，表面粗糙度值要求为Ra=3.2μm。该工件内部与螺纹内水套装配，并在两端焊接法兰，构成电动机的水冷机座。考虑工件的刚度和热套工艺，该工件内圆圆柱度控制在0.5mm以内。

我有幸参演了剧中的女主角静宜，刻画了一个含羞内敛的女知青形象。与我搭档的是同事小韩，他扮演男知青杜少海。拍摄之前，我俩并不熟悉，通过拍摄微电影，我们成了特别好的朋友。记得第一次见到导演时，我怀着忐忑的心情上来就问：“导演，你觉得我行吗？我从来没有演过戏。”导演连声说道：“你们都是农场人，身处在农场的淳朴环境中，肯定行！”导演的话，使我心里的压力瞬间少了一半。

圆筒结构采用车削方式进行加工。在加工过程中，工件受到刀具施加的切削力以及工装的夹紧力。大直径薄壁件的径向薄壁面刚性较差，若工件利用车床配置的三爪自定心动力卡盘进行定位，薄壁件径向受力会产生较大变形，导致薄壁件内圆圆柱度超差；若装夹力较小，在车削过程中离心力极易引起工件振动，加工过程容易损伤刀具，同时表面粗糙度也难以达到要求，甚至有可能导致工件飞出。

反观中国，虽然外向型经济受到严峻挑战，持有的外汇储备及对外投资也受到影响，但在这种复杂形势下，中国政府审时度势，统筹兼顾，为了应对金融危机全面实施一揽子计划：一是实行积极的财政政策，开启四万亿投资计划拉动内需，在基建、民生等领域投资拉动作用显著；针对企业经营困难和外需萎缩，实施结构性减税，提高出口退税率，降低企业负担。二是实施积极的货币政策，增加货币供给，降低再贴现率，为市场提供流动性的同时，提高法定存款准备金率，提升防风险能力。

综上，大直径薄壁件不适宜直接用三爪自定心卡盘进行夹持。从圆筒薄壁件的结构来看，其轴向有更强的刚性，轴向装夹的受力面为端部圆环面，受力均匀，能够承载一定的压力。所以采用轴向装夹，可大大减小工件的弹性变形。

图1 典型薄壁外水套结构

（2）薄壁件装夹方式设计。将薄壁件车削加工时工件直接承受的径向装夹力转化为轴向装夹力。薄壁件通过两端法兰和拉紧螺杆实现轴向力锁紧装夹，详细结构如图2所示，工件由上下两块端板装夹，端板设计止口以限制工件自由度；利用6组双头螺柱和螺母将两块端板拉紧；工件装夹完后即可进行车削加工。

2017年夏，我们在庐山认识了李汝庆先生。他的祖父李祥卿，曾参与庐山别墅群的修建，他家的“李广记营造厂”比宋子文岳父的“张兴记”还要早得多。20世纪60年代，李汝庆先生还与赫赫有名的王震将军结下不解之缘。已经88岁高龄的李汝庆先生，头脑清醒，思路清晰，记忆力也很好。他告诉我们，他已连续8年从广州来到庐山度夏。在庐山，他领我们去寻访祖父当年留下的遗迹，看合面街他家的旧址，指点“李广记营造厂”当年建造的别墅。在他租住的屋内，李老连续数日讲述了李氏家族起伏跌宕的历史和他奇特的人生际遇。

2. 力学模型的建立与受力分析

（1）工件切削力分析。在实际生产中，工件切削过程受到刀具的切削力作用，为便于分析切削力对工件的切削原理，将切削力分解为相互垂直的三组切削分力，即轴向切削分力Ff、径向切削分力Fp以及圆周切削分力Fc，如图3所示，O点为刀具的切削位置。

切削分力的计算大多采用切削力的经验公式，该公式通过大量试验进行验证，参考机械设计手册，根据工件及刀具材料，经验公式为：

图2 薄壁件装夹定位工装

1.下端板 2.拉紧螺杆 3.支撑螺母4.上端板 5.锁紧螺母

图3 薄壁件切削过程的受力分析

式中，ap为被吃刀量，单位为mm；f为每转进给量，单位为m m；vc为切削速度，单位为m/min；Kp=KmpKKrpKγoKλspKrp，为刀具几何参数的系数。

（2）工件装夹力分析。工装通过6组双头螺杆拧紧，在对称位置给予端板轴向拉紧力，其合力即为通过圆心的轴向压紧力。根据套类零件轴向夹紧的夹紧形式进行分析，其实际所需夹紧力的计算公式可查机床夹具设计手册，其受力分析如图4所示。

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根据机床夹具设计手册，可得夹紧力计算公式：

式中，Wk为实际所需夹紧力，单位为N；K为安全系数；M为切削扭矩，单位为N·m；F为轴向切削力，单位为N；μ为工件与夹具之间的摩擦系数；R为薄壁件的受力半径。

图4 工件轴向夹持的受力分析

3. 大直径薄壁件加工的有限元分析模拟

（1）车削过程的有限元模拟。根据薄壁件加工经验，并参照机械加工工艺手册中对薄壁件的切削用量和实际工况，选择一组相对科学的试验范围：刀具材料为硬质合金YT15；工件材料为Q345；刀具主偏角κr=45°～90°，前角γo=15°～20°，刃倾角λs=-5°～+5°，刀尖圆弧半径rε=0.2～1.0mm。切削三要素按照精加工要求取值：背吃刀量ap=0.1～0.2mm，每转进给量f=0.08～0.14mm/r，转速n=60～80r/min。

根据切削力经验公式，在上述给予的切削参数范围内，当背吃刀量ap取0.2mm、转速n取60r/min时，工件所受的切削力相对较大。切削过程的有限元模拟如图5所示，在该切削条件下，工件发生的变形较小，其最大变形量Umax=0.04mm。

（2）大直径薄壁件夹持过程的有限元模拟。根据切削参数、切削力计算的经验公式求解出切削力分力的取值范围分别为：Fc=9.2～80.9N，Fp=7.1～31.9N，Ff=5.7～45.3N，则夹持力Wk=54～484N。

首先，从《试点办法》第5条第2款的规定来看，值班律师的工作场所是法院和看守所。长此以往，值班律师同法院和看守所的工作人员可能会形成一种一荣俱荣、一损俱损的利益共同体关系。在这样一种休戚与共的环境之中，如果不将值班律师定位为犯罪嫌疑人、被告人利益的维护者(辩护人)，那么值班律师很有可能将自己视为为国家服务的“国家法律工作者”，从而尽力去配合公安司法机关对认罪认罚案件的处理，这时的值班律师实际上充当了办案人员说客的角色。如果这样，就会对本处于弱势一方的被告人的诉讼地位更加不利。

图5 薄壁件切削过程的应力云图

采用500N的夹持力对工件进行分析。模型建立及网格划分如图6所示，将工装简化为上下两块携带止口的的端板，对上端板缓慢施加装夹力至500N。查看工件变形状况。

完成工件的夹持过程仿真模拟后，得到了工件夹持变形的等效位移云图。如图7所示，工装上端板位置处的工件变形最严重，至工件底部变形依次减小。其最大变形量Umax=0.045mm。

（3）对于双重管桩，其浆液的压力与比重分别为20～40MPa、1.30～1.50，在喷浆时所用喷嘴的直径按2～3mm控制，每分钟浆液的流量控制在80～100L范围内，当采用压缩空气时，应将压力控制在0.7～0.8MPa范围内。

抽取工件相互垂直的两个方向的位移云图，X方向如图8所示，Z方向如图9所示，可发现其变形位置主要靠近上端板，两个方向的最大变形量分别为Uxmax=0.022mm，Uzmax=0.023mm。根据工件几何公差要求，圆柱度要求为0.5mm，工件总的变形量及多个方向的最大变形量均远小于该值。

图6 工件及夹持工装的网格模型

图7 工件装夹下的位移云图

图8 工件X方向位移云图

图9 工件Z方向位移云图

图10 卧车加工验证

图11 立车加工验证

4. 试验验证

为验证上述计算及仿真分析的有效性，利用改进工装装夹大直径薄壁圆筒件，完成两套工件的车削作业，并检测工件两端的内径大小。

工装的装夹力由双头螺杆和螺母提供，参考机械设计手册，螺母拧紧力矩的计算公式为：

式中，K为扭矩系数；D为螺纹中径，单位为mm；N为螺杆数。

通过以上计算和分析，设定装夹力大小为500N，计算出螺母的拧紧力矩T为33N·m。图10、图11分别为薄壁件的卧式车削加工和立式车削加工。加工完成后测量圆筒内径大小以及加工表面的圆跳动，测量数据如表1、表2所示。

根据表1、表2数据显示，在工装轴向夹持作用下加工的两个工件均达到设计精度要求。对比工装装夹下和卸载后工件的尺寸变化，卸载后工件存在一定的回弹变形，从圆度检测显示，最大变形量控制在0.5mm以内，满足工件与内水套热套的技术要求。

对于可压缩湍流, Euler方程和Navier-Stokes方程的离散格式能否既可捕捉激波又可分辨小尺度波状解是一个长期存在的问题, 具有广泛的应用背景[1-2]. Adams等[3]提出了一个高分辨率激波捕捉格式与类谱紧致有限差分方法的耦合形式. 不同于它们的原有形式[4], 通过耦合, 由这些紧致格式的一种迎风组合引入一些适量耗散是必要的. 后来, Pirozzoli[5]指出, 适度的耗散能够抑制以不正确的速度传播的高波数波. 问题的难点在于确定耗散的大小, 使之足以消除伪高波数波, 又不影响物理上相关的可分辨波数范围.

表1 外水套内径尺寸（卧车加工） 单位：mm

序号 0° 45° 90° 135° 平均值 圆度 表跳动 备注1A端 556.03 556.04 556.02 556.025 556.029 0.02 0.03 装夹下556.08 556.03 555.95 556.000 556.015 0.13 - 拆卸下1B端 556.02 556.25 556.02 556.030 images/BZ_124_1731_3169_1734_3170.png556.024 0.01 0.02 装夹下556.18 556.01 555.95 555.970 556.025 0.23 - 拆卸下

5.结语

综合上述对薄壁圆筒件加工过程的理论计算、有限元模拟以及加工试验的验证，得出如下几点结论：

（1）采用轴向装夹取代径向装夹的方案设计，可以有效解决装夹力引起的大直径薄壁件加工变形的难题。

（2）通过理论计算和仿真分析，可以确定轴向装夹力和螺栓锁紧扭矩的大小，有效控制了大型薄壁件的加工变形。

（3）采用有限元分析和试验验证相结合的方法，为工程技术研究开拓了新思路。

参考文献：

[1] 沈健，晋华升. 薄壁零件夹持变形的计算与分析[J]. 机械工程师，2011（5）：6-8.

[2] 闻邦椿. 机械设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2015.