机械零件变形成因分析及应对措施

赵学文

摘 要：零件变形是机械加工中经常遇到的问题。明确零件变形的成因，掌握防止零件变形的措施，对于提高零件的加工质量十分重要。

关键词：零件 变形 内应力 加工工艺

变形是机械零件在加工过程中普遍存在的现象，它会使零件的加工质量和性能发生改变，从而影响零件的精度和寿命，零件的加工中必须有效防止零件变形。笔者根据多年实践和体会，就机械加工中零件变形成因及应对措施阐述如下。

一、机械加工中零件变形的成因

就变形的成因来讲，零件的变形是各种力作用的结果。产生变形的作用力可分为两类。一类是加工过程中产生的外力。它来源于零件加工过程中的各种夹紧力、切削力、冲击力等，引起零件在刚性较差的方向产生弹性形变，出现让刀现象，加工结束后弹性恢复，使其达不到加工精度。另一类是零件内部产生的内应力，它来源于零件内部。因加工条件改变，引起零件材料内部组织变化，产生内应力，如铸造应力、锻造应力、焊接应力、淬火应力等。

在零件加工过程中，零件因所受作用力的性质不同，产生不同的变形效果，并且会在加工的不同阶段产生不同的变形。

外力引起的变形大多發生在零件机械加工的冷加工中。零件在装夹时，夹持方式不当、夹紧力各要素选择不当会引起夹紧变形，如薄壁零件、悬臂零件的装夹。在切削加工时，刀具角度不合理、切削要素不合理，会造成切削抗力增大，从而引起零件的弹性变形，如在细长轴车削时产生的腰鼓变形。

内应力引起的变形大多发生在零件的热加工及其后续的切削加工中。一是在热加工中，零件在加热、受力、冷却等条件改变时内部组织结构发生变化，产生内应力，发生变形。如在铸造加工中，零件壁厚不均、冷却速度过快等会产生铸造内应力，引起铸造变形；在锻造加工中，产生锻造内应力，引起锻造形变；在焊接加工中，产生焊接应力，引起焊接变形。二是零件经热加工后，其内应力得不到充分的释放和消除，仍然留在零件内部形成残余应力。零件处于一种不稳定状态，很容易在外部环境影响下失去原有的状态，内部残余应力再分配造成零件加工后出现新的变形。如经过气割下料的长条料在矫正调直、刨削加工后，仍会出现新的较大的变形；经过淬火热处理的薄片零件在磨削后，出现草帽形弯曲变形……这些变形都是零件内应力作用的结果。

外力和内应力共同作用引起的变形，多发生在零件具有冷热加工工序或加工时间较长、工艺复杂的零件时。这类变形有时是以内应力产生的变形为主，有时是以外力产生的变形为主，或是二者产生的变形的合成。分析时应根据零件的具体加工工艺和条件，仔细分析出各种力产生的变形大小和方向，综合分析各变形的作用效果以及它们合成的结果，找出具体的原因。

二、加工时防止和控制零件变形的措施

由于导致零件变形的原因的多样性和复杂性，分析判断时一定要根据零件具体结构、材料、加工工艺、装夹方式等各方面情况，综合分析各因素对变形的影响，找出产生变形的具体原因，采用合理有效的工艺措施，防止、控制和削除变形的发生。

1.减小夹紧力对零件形状的影响

夹紧的位置应选在零件刚性较强的部位，对于刚性差的零件，可以通过增设辅助支承来提高零件刚性。选择合理的夹紧方向，增加夹紧点数量和与零件接触的面积，采用合理的夹持方式。如长轴类零件尽量采用两端定位夹紧方式，薄壁套类零件应采用弹性心轴装夹。

2.减小切削力对零件形状的影响

切削加工时，应根据零件的具体加工要求，合理选择切削刀具的角度，尽量增大刀具的主偏角和前角，使刀具锋利，以减小切削力。合理地选择切削要素和切削液，将粗、细加工分开，力求降低切削力和切削温度对零件形状的影响。

3.减小内应力对零件形状的影响

在零件热加工中，应合理选择各工艺参数和工艺方法。铸造时，合理设置浇口、冒口的位置和数量，降低冷却速度等；锻造时，尽量提高终止锻造温度，锻造后对零件进行保温和缓慢冷却等；焊接时，采用先点焊后对称焊接的方式，降低焊后的冷却速度等。

4.减小不合理加工工艺对零件形状的影响

在零件的加工过程中，合理安排各工序的顺序，根据零件内应力产生的情况，在零件加工工艺路线的关节点处设置相应的去应力热处理。热加工之后，要安排去应力退火和时效处理，在易产生应力的加工工序后，采用振动、矫正等工艺，减小变形对后续工序的影响。

总之，防止零件加工变形是一项综合性、技术性和实践性较强的课题。应从零件的具体结构、加工手段、切削刀具、定位装夹、切削参数、机床状态和加工工艺等方面全面考虑，正确分析出变形的原因，抓住变形的关键，从重点入手，反复实践，在实践中不断摸索和积累经验，从而提升解决变形问题的技能。

（作者单位：山东省济宁市技师学院）