华越国际：易形变工件精密加工中的无变形夹紧技术

变形问题本是制造加工中的一大难题，通俗的说，夹具就是六个点（3+2+1：三点定面、两点定线、一点固定），而机加工需要解决变形。常见的铝零件加工变形的原因很多，与材质、零件形状、生产条件等都有关系。主要有几个方面：毛坯内应力引起的变形，切削力、切削热引起的变形，夹紧力引起的变形。

解决方案：

1、降低毛坯内应力

采用自然或人工时效以及振动处理，均可部分消除毛坯的内应力。预先加工也是行之有效的工艺方法。对较大的毛坯，由于余量大，故加工后变形也大。若预先加工掉毛坯的多余部分，缩小各部分的余量，不仅可以减少以后工序的加工变形，而且预先加工后放置一段时间，还可以释放一部分内应力。

例如图1所示为大梁零件，毛坯形状如图双点划线所示重60kg，而零件仅重3kg。若按图中虚线所示一次性加工成形，平面度误差可高达14mm，若按图中实线进行预加工，自然时效一段时间后再加工成形为所需要的零件，则平面度误差可以减小到3mm。

图2为某型号穿盖器零件，局部最小厚度仅为3mm，加工前的毛坯厚度为20mm。可以上加工中心用压板换压的方法将零件直接加工到尺寸，但是从工作台上取下来时，零件底部两端会向上翘起，造成尺寸严重超差甚至报废。

所以在加工之前，先在毛坯上开一个应力释放槽，如图3实线位置所示，再从工作台上取下，自然时效1～2h，让变形尽量在此时全部发生。之后，增加一个钳工校平工序将零件校平，则零件在后续加工中变形量会大幅度地降低。

2、改善刀具的切削能力

刀具的材料、几何参数对切削力、切削热有重要的影响，正确选择刀具，对减少零件加工变形至关重要。

（1）合理选择刀具几何参数。

①前角：在保持刀刃强度的条件下，前角适当选择大一些，一方面可以磨出锋利的刃口，另外可以减少切削变形，使排屑顺利，进而降低切削力和切削温度。切忌使用负前角刀具。

②后角：后角大小对后刀面磨损及加工表面质量有直接的影响。切削厚度是选择后角的重要条件。粗铣时，由于进给量大，切削负荷重，发热量大，要求刀具散热条件好，因此，后角应选择小一些。精铣时，要求刃口锋利，减轻后刀面与加工表面的摩擦，减小弹性变形，因此，后角应选择大一些。

③螺旋角：为使铣削平稳，降低铣削力，螺旋角应尽可能选择大一些。

④主偏角：适当减小主偏角可以改善散热条件，使加工区的平均温度下降。

（2）改善刀具结构。

①减少铣刀齿数，加大容屑空间。由于铝件材料塑性较大，加工中切削变形较大，需要较大的容屑空间，因此容屑槽底半径应该较大、铣刀齿数较少为好。

②精磨刀齿。刀齿切削刃部的粗糙度值要小于Ra=0.4um。在使用新刀之前，应该用细油石在刀齿前、后面轻轻磨几下，以消除刃磨刀齿时残留的毛刺及轻微的锯齿纹。这样，不但可以降低切削热而且切削变形也比较小。

③严格控制刀具的磨损标准。刀具磨损后，工件表面粗糙度值增加，切削温度上升，工件变形随之增加。因此，除选用耐磨性好的刀具材料外，刀具磨损标准不应该大于0.2mm，否则容易产生积屑瘤。切削时，工件的温度一般不要超过100℃，以防止变形。

3、改善工件的装夹方法

对于刚性较差的薄壁铝件工件，可以采用以下的装夹方法，以减少变形：

（1）对于薄壁衬套类零件，如果用三爪自定心卡盘或弹簧夹头从径向夹紧，加工后一旦松开，工件必然发生变形。此时，应该利用刚性较好的轴向端面压紧的方法。以零件内孔定位，自制一个带螺纹的穿心轴，套入零件的内孔，其上用一个盖板压紧端面再用螺帽背紧。加工外圆时就可避免夹紧变形，从而得到满意的加工精度。

（2）对薄壁薄板工件进行加工时，最好选用真空吸盘，以获得分布均匀的夹紧力，再以较小的切削用量来加工，可以很好地防止工件变形。

（3）使用填塞法。为增加薄壁工件的工艺刚性，可在工件内部填充介质，以减少装夹和切削过程中工件达变形。例如，向工件内灌入含3%～6%硝酸钾的尿素熔融物，加工以后，将工件浸入水或酒精中，就可以将该填充物溶解倒出。

4、合理安排工序

高速切削时，由于加工余量大以及断续切削，因此铣削过程往往产生振动，影响加工精度和表面粗糙度。所以，数控高速切削加工工艺过程一般可分为：粗加工-半精加工-清角加工-精加工等工序。对于精度要求高的零件，有时需要进行二次半精加工，然后再进行精加工。粗加工之后，零件可以自然冷却，消除粗加工产生的内应力，减小变形。粗加工之后留下的余量应大于变形量，一般为1～2mm。精加工时，零件精加工表面要保持均匀的加工余量，一般以0.2～0.5mm为宜，使刀具在加工过程中处于平稳的状态，可以大大减少切削变形，获得良好的表面加工质量，保证产品的精度。

案例：

为生产乘用车变速箱阀壳，一家大型德国汽车制造商订购了一条生产线，该生产线包括四个加工站，其中包括明德海姆格劳博公司的相关设备。如果使用标准部件的常规夹持，工件会变形；在严格的公差范围内进行足够精确的处理是不可能的。

解决方案是根据应用精确调整位置灵活的夹紧元件：

“传统的刀具夹持在三个固定架上加上垂直于待加工表面的附加支撑不起作用，因为部件的自动稳定性不足”，总部位于德国的夹持技术专家公司 ROEMHELD 的大客户经理 Dietmar Wahl黑森州的劳巴赫回顾了最初的情况。仅通过支架的垂直作用，工件就会严重变形。一个可选的解决方案是通过位置灵活的夹紧元件对精密工件区域进行额外的横向夹紧。标准位置灵活的夹持元件已经可以确保工件在夹持过程中发生非常轻微的移动，但无法确保所需的加工能力。

“这就是为什么我们必须开发针对特定应用的特殊解决方案。”

在自动化生产线中，由阀体和相关盖板组成的铝铸件在四个不同生产应用的工位中进行加工。

阀体长400mm，厚21mm，集成了多通道控制齿轮油；盖子尺寸为 350 毫米和 24 毫米。前三个工位旨在擦洗组件侧面并在其中钻孔。

第四站的最后一步是在格劳博加工中心 G320 的单主轴专用机床上进行表面精加工，该机床具有四个轴和一个特别坚固的十字滑台。

该机床配备 20 kW 主轴驱动，X/Y/Z 加工距离为 615/655/630 mm，专为同时加工两个工件而设计。每年总共将生产大约 480,000 个这些具有挑战性的组件。

沿整个工件长度的 0.05 mm 公差：

桥梁在水平位置自动装载和卸载。出于加工目的，它垂直旋转 90 度。随后，阀体和阀盖的表面在两个循环中总共加工 0.2 毫米——第一个循环为 0.17 毫米，精加工循环为 0.03 毫米。使用直径为440毫米的专用铣刀；它在大约一分钟内完成了两个处理阶段。一个集成的测量传感器检查工件表面的指定参考点的加工精度。

“整个工件长度上的平整度公差为 0.05 毫米；长度为 100 毫米的指定平整度要求为 0.03 毫米”，明德海姆格劳博夹具设计师 Sebastian Dichmann 描述了对部件精度的要求。这些紧密的公差代表了一个特殊的挑战。该工具的基础是先前项目中现有的夹紧概念。这个概念必须由这位 28 岁的机械工程师根据新组件进行调整，并从湿法加工改为干法加工。

浮动和无翘曲夹紧

大约两周或工作后，Dichmann hat 于 2014 年初完成了修改后的设计。工件将分别夹紧在客户指定的三个点上。使用的夹紧元件是在活塞杆端带有叉头的旋转夹具。夹具转动后，工件以每个夹紧点 2.25 kN 的预定义夹紧力夹紧。

为了实现可靠的夹紧而不会翘曲，使用了另外六个位置灵活的夹紧元件 – 两个在阀体上，四个在阀盖上。这些元件是带有两个移动滑块的小夹子，由一个联合液压连接激活。这样，无论工件在夹持范围内的位置如何，都像钳子一样以浮动方式夹持工件。

“位置灵活的夹紧元件主要用于支撑和夹紧精密工件区域，而无需施加剪切力，因此不会发生翘曲。因为它们适应夹紧点的位置而不会变形。同时，它们具有减振效果并吸收来自各个方向的加工力”，来自 ROEMHELD 产品管理部门的 Benjamin Nagel 描述了夹紧元件的用途。

在密切合作中，ROEMHELD 和 Sebastian Dichmann 的夹持技术专家寻找解决方案 – 并很快找到了解决方案。“带有经过特殊调整的滑块的位置灵活的夹紧元件应该可以解决这种情况。” 该夹紧元件在劳巴赫高速制造，因为加工中心的验收程序迫在眉睫。夹紧专家面临的挑战是提供优化的滑块，尽管齿隙减小，但仍具有足够的操作简便性和灵敏度。否则，两个模具可能移动不均，这可能会导致单侧移动力的行程差异和夹紧过程中的翘曲。自开始生产以来，这家德国高档汽车制造商已订购了另外两条阀体和阀盖生产线。

关于ROEMHELD ：

ROEMHELD – 一个强大的集团

与夹紧技术专家 HILMA 和 STARK 一起，ROEMHELD 组成了一个公司集团，在生产技术的夹紧技术领域提供全面的产品系列。该产品系列还补充了众多用于一般工业用途的液压元件以及装配和驱动技术组件和系统。

由于其产品的多样性和长期的经验，ROEMHELD 集团能够为整个公司开发和提供客户特定的解决方案。

来源：上海华越国际