薄壁焊接壳体内孔加工变形分析及工艺改进

鉴于焊接壳体组成内孔车削中出现的批量尺寸超差问题，对加工过程中的焊接应力时效和工艺方法不当等影响因素进行全面分析，通过对多种规格的焊接壳体组成采用不同的工艺改进措施，找出造成内孔超差的主要原因，解决了加工后变形的惯性质量问题。

---

1 序言

图1所示焊接壳体组成（以下简称壳体组成）是钩缓装置缓冲系统的重要部件之一。其内孔车削加工完成后，受结构焊接应力时效释放和加工工艺性等因素影响，出现了较大的内孔变形，导致尺寸超差的惯性质量问题。经过对各型号壳体组成的内孔变形原因的分析[1]，采用不同的工艺改进措施进行试验验证，基本查明了内孔产生变形的主要原因。

通过改进壳体组成加工工艺过程，完善加工操作细节，最终解决了加工后变形造成尺寸超差的惯性质量问题。

图1　焊接壳体组成

2 壳体组成结构

公司已有30余种不同型号的壳体组成，每年生产数量达4000多件。壳体组成主要由拉环（见图2）和壳体（见图3）两大零件经焊接组成。壳体外圆分布许多焊接金属子件，整体结构属于薄壁深孔类工件[2]。

图2　拉环

图3　壳体

3 原加工工艺分析

3.1 原加工工艺

壳体组成原加工工艺为：焊接→探伤→精车外圆工艺面→粗车内孔→放置72h释放应力→精车内孔各尺寸和内螺纹→铣、镗等加工壳体外形孔和槽。

3.2 存在的问题

图4为T997壳体组成结构尺寸。对按原工艺加工的7个零件（用于装配1列高铁）进行尺寸测量，结果见表1。

从表1中的测量结果看，凡外圆尺寸偏差大者，对应的内孔尺寸偏差也大，特别是尺寸偏差超过0.1mm的3个内孔超差的零件，均存在这个规律。

壳体内孔尺寸设计公差带为0.1mm，加工完成后内孔尺寸偏差均在0.07～0.33mm，超差现象明显，且数量占比近半，可以定性为惯性质量问题。

图4 T997壳体组成结构尺寸

表1　T997壳体组成尺寸测量结果

（单位：mm）

3.3 超差对产品的影响

壳体内孔超差后，会造成装配间隙超标，引发内部零件定位失效，从而导致装配不合格。经调查，因组装间隙不合格而返修的部件占比20%，造成大量工时浪费。此外， 壳体组成孔口端为M205×3-6H内螺纹，车削螺纹前内径变形大会造成与端螺母装配后，因间隙过大导致螺母有脱出的风险，是生产工艺中严格控制的关键项点。由于壳体组成内孔超差后无法通过重新加工来修复，所以选配大直径螺母作为解决措施，会导致产品失去互换性，势必给日后检修造成不便。如装配时出现漏检，大的螺纹内径与小的螺纹配合会产生严重的间隙超标，车钩长时间交互纵向受力后易形成螺纹预紧力失效，给钩缓装置的长期安全运用埋下了隐患。因此，壳体组成内孔加工变形问题涉及行车安全，应及时解决。

3.4 变形原因分析

根据对壳体组成加工全过程进行跟踪分析，找出造成壳体组成加工内孔超差的两个主要原因如下。

1）壳体组成焊接后存在焊接应力[3]，加工去除部分表面材料后，应力得到初步释放；从加工工装上取下工件后，再次形成时效变形，进一步加大了加工公差。

2）壳体外圆分布非对称接线端子及托台，易造成类似椭圆的大、小径现象。

4 改进措施

根据尺寸超差系焊接应力造成的这个原因，有针对性地进行工艺改进，提出两种改进方案。

4.1 改进方案A

针对焊接应力导致变形这一原因，增加去应力退火工艺[4]，以有效消除焊接应力。对一组T997壳体组成在卧式车床上加工内孔后，加温至300℃，保温12h，充分冷却后再分别精加工外圆和内孔。去应力退火后T997壳体组成尺寸测量结果见表2。

表2 去应力退火后T997壳体组成尺寸测量结果

（单位：mm）

4.2 改进方案B

针对加工工艺设计不合理的问题，进行加工工艺改进，把卧式车床原车削外圆再加工内孔的连续加工，改为先粗车内孔，然后从夹具中取下，放置24h以便充分释放内应力后，再精加工外圆。工艺改进后T997壳体组成尺寸测量结果见表3。

表3 工艺改进后T997壳体组成尺寸测量结果

（单位：mm）

4.3 两种改进方案对比

由表2、表3两组精加工后尺寸公差数据可发现如下特点。

1）表2中外圆加工公差控制在0.03mm以内，表3中外圆加工公差控制0.10mm以内。

2）表2中内孔加工公差控制在0.05mm以内，比表1中的数据缩小一半，内孔变形控制效果明显。表3中内孔加工公差控制在0.09mm以内，说明内孔变形得到有效控制。

数据对比再次说明，外圆工艺面的加工精度对内孔加工精度有很大的影响。外圆加工精度高，内孔尺寸变形量就小。主要原因是数控车床精加工内孔是以外圆工艺面支撑中心架作为定位，如果外圆变形大，加上壳体为深孔薄壁结构，就很容易引起工件跳动，出现内孔加工变形量大的问题。

3）比较两种改进方案的优劣，虽然方案A改善效果更好一些，但是壳体组成数量多，工件尺寸大，增加热处理过程后工件周转频繁，影响生产效率，成本增加较明显。方案B虽然加工精度比方案A略低，但也能达到技术要求，后续还可通过继续细化工艺和规范操作细节，不断提高加工精度。综合考虑，选择方案B作为控制壳体组成内孔加工变形的改进措施。

5 改进后的加工工艺

根据前述研究结论，对T997壳体组成按改进方案B加大了试生产批量，经过多批次的加工工艺验证，进一步实施工艺细化步骤，逐步完善加工工艺，最终内孔加工尺寸偏差可稳定地控制在0.08mm以内，大大降低了操作人员对内孔精度控制的难度。工艺改进主要是将原车削外圆工序改为分成两个工序实现，具体工艺步骤如下。

1）半精车内孔。车φ201

mm内孔至尺寸φ199mm，孔口倒角1.5mm×30°，从机床上拆下工件，放置24h。孔口倒角的目的是为下一工序精车外圆时，尾座顶针顶在壳体孔口倒角处，保证内孔与外圆同心。同样，在精车内孔时，顶正壳体保证外圆回转精度。放置24h，主要是由于内孔加工余量大，半精车后要进行应力释放，从而避免直接精车引起外圆变形大。

2）精车外圆工艺面（尺寸≥220mm），保证圆度公差在0.05mm以内。主要是为精加工内孔工序保证中心架的回转精度。

6 细化作业规范

采用新工艺生产一段时间后，仍有个别超差零件出现。通过分析，发现属操作环节暴露出的问题。为规范操作，更好地保证加工质量，特细化作业规范，强调如下几点。

1）尾座顶针顶紧壳体孔口倒角处，精车外圆后，在精车内孔工序发现内孔与外圆不同轴现象，经检查，发现是由卧式车床尾座轴线与主轴不同轴造成的，及时调整后加工质量稳定。可见，机床尾座定位精度差对加工精度有一定的影响，要求今后定期校正尾座精度。

2）修打拉环中心孔。拉环原中心孔是在其他工序完成的，通过焊接机器人装夹定位焊接壳体组成（见图5），拉环中心与壳体中心有不同轴的现象。还有个别中心孔加工质量差，造成工件跳动，都影响加工精度。通过重新修打拉环中心孔，保证精车外圆和内孔两工序加工回转精度一致；同时对一些壳体组成没有修打拉环中心孔工序的，要求增加修打拉环中心孔工序。

图5　通过焊接机器人装夹定位焊接壳体组成

3）精车内孔工序要求用百分表检测外圆工艺面跳动。目的是确保壳体组成上中心架处外圆回转精度，将导致变形的因素的影响降到最低程度。

7 工艺总结与推广应用

经过对壳体组成超差问题的原因分析，在找出焊接应力是根本原因的基础上，有针对性地进行了两种方案的工艺改进，均取得了圆满成功。在综合考虑成本和效率的基础上，以方案B为基础进行了多批次小批量试生产取得成功后，又针对加工中出现的个别现象细化了作业规范，使加工工艺最终得以全面完善。目前，T997壳体组成内孔加工变形量基本控制在0.05mm以内，比改进前实际加工公差缩小50%以上，获得了较好的工艺改进效果。

此外，运用新工艺对多种型号壳体组成进一步实施加工验证。由于每一种壳体组成的尺寸结构、加工余量和焊接子件位置结构不同，所以采取的工艺细化措施也应有所侧重。但修打拉环中心孔、精车外圆工艺面并严格控制圆度公差的工艺细节均需严格执行。

自实施“解决焊接壳体组成内孔加工变形惯性质量问题”攻关项目以来，共完成30余种型号的壳体组成内孔加工变形惯性质量工艺改进的验证，批量生产的加工变形量都能控制在0.02～0.08mm，达到壳体组成内孔尺寸精度有效控制的目标，现已作为定型工艺应用于批量生产。

8 结束语

质量攻关项目成果不仅切实解决了焊接壳体组成内孔加工变形惯性质量问题，同样的思路用于解决其他部件加工质量不稳定的尝试也已获得初步成功。因此，该项目成果具有较好的推广应用价值，为高铁及地铁钩缓产品运用的安全性和低成本等，从工艺方面提供了可靠保障。

参考文献：

[1] 蔡菲. 薄壁零件内孔加工变形问题与改进措施[J]. 工业加热，2019，48（6）：11-13.

[2] 祁海龙，苏建民. 大直径薄壁深孔类壳体的加工研究[J]. 内燃机与配件，2016（9）：60-61.

[3] 姜兰英，林和. 金属材料焊接应力与变形控制分析[J].甘肃科技纵横，2020，49（1）：31-33.

[4] 袁鸿志，冯晓宇.去应力退火工艺参数的研究[J]. 热处理技术与装备，2014，35（2）：48-50.

本文发表于《金属加工（冷加工）》