薄壁零件加工中的超薄筒狀零件加工技術(shù)分析

蔡昊

摘 要：薄壁零件在工業(yè)領(lǐng)域主要是指壁厚在1mm以下的金屬材料零件，在許多工業(yè)部門中都有著非常廣泛的應(yīng)用，與一般的零件相比，具有重量輕、節(jié)約材料以及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。不過，在對(duì)薄壁零件進(jìn)行加工時(shí)，由于其自身的剛性差，強(qiáng)度不足，很容易出現(xiàn)變形問題，導(dǎo)致零件的形位誤差增大，影響加工質(zhì)量。因此，對(duì)薄壁零件的加工，始終是工藝人員研究的重點(diǎn)。該文結(jié)合薄壁零件加工中超薄筒狀零件加工的難點(diǎn)及影響因素，對(duì)其加工技術(shù)進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)鍵詞：薄壁零件 超薄筒狀零件 加工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TG5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（b）-0010-02

工業(yè)化進(jìn)程的加快，帶動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力水平的提高，也使得各類機(jī)械設(shè)備得到了快速發(fā)展，在工作效率、加工精度等方面提出了更高的要求。超薄筒狀零件屬于薄壁零件的一種，通常是指長徑比大、壁厚小、結(jié)構(gòu)剛性弱的零件，其在機(jī)械設(shè)備中往往都有著非常重要的作用，一旦出現(xiàn)問題，往往會(huì)造成嚴(yán)重后果。而從目前來看，雖然工藝技術(shù)人員對(duì)于薄壁零件加工的研究從未停止，但是對(duì)于超薄零件的研究卻并不多，在對(duì)超薄筒狀零件進(jìn)行加工時(shí)，如何保證其加工質(zhì)量，減少零件的變形，是一個(gè)亟待解決的問題。

1 超薄筒狀零件的加工難點(diǎn)

以某機(jī)械設(shè)備中的薄壁套筒為例，對(duì)超薄筒狀零件加工的難點(diǎn)進(jìn)行分析。為了方便分析，將零件的一些次要特征忽略，僅僅關(guān)注其主要特征。該零件全長1 400 mm，最大外圓直徑Φ120f6，形位公差要求如下：其一，內(nèi)孔中心線全長要求直線度Φ0.02、圓柱度0.02；其二，內(nèi)圓表面粗糙度要求Ra1.6，外圓表面粗糙度要求Ra3.2。

可以看出，與一般的零件相比，該工件的長度較大、筒壁薄，沒有較高的形位公差要求，如果缺乏合理有效的加工工藝，工件的質(zhì)量將難以保證[1]。

在對(duì)超薄筒狀零件進(jìn)行加工時(shí)，存在著幾個(gè)難點(diǎn)。

（1）容易變形。零件自身厚度較小，在加工過程中，如果裝夾方法不當(dāng)，就可能會(huì)出現(xiàn)變形。在傳統(tǒng)的工件加工中，通常都是首先對(duì)內(nèi)孔或者外圓進(jìn)行加工，然后利用夾具夾持內(nèi)孔加工外圓，或者夾持外圓加工內(nèi)孔。這樣雖然能夠?qū)⒐ぜ喂痰毓潭ㄔ跈C(jī)床上，但是很容易導(dǎo)致零件自身的彈性變形，影響其尺寸和形位公差，嚴(yán)重的甚至可能會(huì)導(dǎo)致零件的報(bào)廢。不僅如此，在對(duì)零件進(jìn)行測量時(shí)，同樣容易變形。按照一般工件的測量方法，會(huì)使用千分尺和內(nèi)徑千分表分別對(duì)外圓和內(nèi)孔進(jìn)行測量，但是這些測量工具在測量時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的力，從而導(dǎo)致零件的變形。

（2）剛性弱。零件自身的長徑比較大，剛性弱，尤其是在受到徑向切削力的影響時(shí)，容易出現(xiàn)振顫和變形，無法有效保證零件的同軸度和直線度。

（3）精度要求高。套筒的長度較大，而且內(nèi)部形位精度要求相對(duì)較高，采用一般的加工工藝處理起來非常困難，無論是對(duì)加工機(jī)床還是加工刀具的綜合性能，都有著比較嚴(yán)格的要求。

（4）細(xì)節(jié)眾多：該工件內(nèi)孔表面需要進(jìn)行硬質(zhì)陽極化處理，厚度約為0.03～0.06 mm，因此對(duì)于硬質(zhì)陽極化處理前后的加工精度，要求都非常嚴(yán)格。同時(shí)，在經(jīng)過硬質(zhì)陽極化處理后，零件內(nèi)孔和外圓的硬度會(huì)出現(xiàn)比較顯著的變化，使得其無論是裝夾還是加工都變得相當(dāng)困難，無法有效保證零件的尺寸精度、表面粗糙度以及形位公差等[2]。

2 超薄筒狀零件加工精度的影響因素

在對(duì)超薄筒狀零件進(jìn)行加工時(shí)，原材料的特性、加工工藝等都會(huì)對(duì)工件的加工精度產(chǎn)生一定影響，需要得到足夠的重視，以保證零件加工的精度。

（1）原材料特性。該筒狀零件使用的原材料為變形鋁合金，硬度相對(duì)較低，線膨脹系數(shù)大，約為鋼鐵的2.4倍。因此，在加工過程中，鋁合金產(chǎn)生的熱變形要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼鐵，這也導(dǎo)致了工件形位公差的控制變得非常困難。同時(shí)，由于材料的硬度較低，在加工過程中稍不注意就可能出現(xiàn)劃傷，影響工件表面的粗糙度以及形位精度。另外，鋁合金材料具有良好的塑性、韌性和粘附性，在加工過程中，切下的碎屑會(huì)粘連在工件和刀具上，增大已加工表面的粗糙度。在加工時(shí)，鋼合金自身較差的剛性使得其非常容易發(fā)生變形，在與走刀垂直的方向上可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的切削震動(dòng)，一方面會(huì)影響零件自身的表面加工質(zhì)量，降低精度，另一方面也會(huì)縮短機(jī)床和刀具的使用壽命。

（2）工藝系統(tǒng)幾何誤差。工藝系統(tǒng)的幾何誤差，可分為加工原理上的誤差和機(jī)床自身的誤差。其中，加工原理誤差也稱理論誤差，主要是在對(duì)工件進(jìn)行加工的過程中，采用了近似的加工運(yùn)動(dòng)、近似的加工方法以及近似的刀具輪廓，進(jìn)而產(chǎn)生的原始誤差；機(jī)床誤差則包括了導(dǎo)軌誤差、傳動(dòng)鏈誤差以及主軸回轉(zhuǎn)誤差。在對(duì)零件進(jìn)行加工時(shí)，上述誤差可能會(huì)通過直接或者間接的途徑，傳遞給工件，對(duì)工件的加工精度產(chǎn)生影響[3]。

（3）工藝系統(tǒng)受力變形。零件在加工過程中，受切削力、慣性力、夾緊力以及重力等作用的影響，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)或者變形，破壞刀具與工件的相對(duì)位置，使得工件在切削加工中，容易出現(xiàn)波動(dòng)，產(chǎn)生各種各樣的誤差。尤其是對(duì)于弱剛性薄壁零件而言，切削力和夾緊力的影響特別顯著。一旦處理不當(dāng)，在零件的中間以及兩端夾持部位就可能出現(xiàn)變形。

（4）工藝系統(tǒng)受熱變形。在對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，受各類熱源的影響，工藝系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的變形，破壞刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生加工誤差。導(dǎo)致工件熱變形的熱源主要是切削熱，即工件在切削過程中，切削層的金屬彈性、塑性變形以及刀具與工件相互摩擦產(chǎn)生的熱量，這些熱量傳遞給工件后，會(huì)使得工件受熱變形，影響最終的加工精度。

（5）內(nèi)應(yīng)力。工件的加工中不僅會(huì)受到外部荷載的作用，在其內(nèi)部同時(shí)也存在有內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力同樣會(huì)對(duì)工件的加工精度造成影響，尤其是切削加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)于加工精度的影響非常明顯。在對(duì)工件進(jìn)行切削加工時(shí)，表面層在切削力以及切削熱的共同作用下，會(huì)對(duì)工件各部分產(chǎn)生不同程度的塑性變形，也可能會(huì)導(dǎo)致零件體積的變化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，該內(nèi)應(yīng)力屬于切削加工內(nèi)應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致工件喪失原有的加工精度。

3 超薄筒狀零件加工技術(shù)

（1）加工工藝優(yōu)化。在對(duì)該套筒零件進(jìn)行加工時(shí)，應(yīng)該結(jié)合工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)加工工藝流程進(jìn)行合理安排。對(duì)于技術(shù)人員而言，在對(duì)工藝流程進(jìn)行安排時(shí)，需要考慮各方面的影響因素，如加工方法、裝夾方式、加工基準(zhǔn)、刀具選擇、工序銜接等。具體的加工工藝為：粗加工、熱加工、半精加工、時(shí)效處理以及最終的精加工。

（2）機(jī)床誤差排除。車床是對(duì)超薄筒狀零件進(jìn)行加工的主要設(shè)備，而由于零件并非大批量生產(chǎn)，因此在加工過程中，為了提高效率，一般采用的是粗車機(jī)床與精車機(jī)床同時(shí)加工的方式。在加工前，應(yīng)該使用檢驗(yàn)棒檢測機(jī)床的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，同時(shí)對(duì)誤差超出允許范圍的指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，保證機(jī)床精度，降低加工過程中的誤差，保證零件的加工質(zhì)量[4]。

（3）系統(tǒng)剛性強(qiáng)化。一是對(duì)中心架進(jìn)行改造。為了保證零件表面的加工質(zhì)量，對(duì)工藝系統(tǒng)的剛性進(jìn)行強(qiáng)化，需要對(duì)設(shè)備配套的中心架進(jìn)行改造。在原本的加工設(shè)備中，中心架采用的是硬點(diǎn)接觸，支撐面相對(duì)較小，剛性差，在工件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，較大的摩擦力會(huì)導(dǎo)致工件溫度升高，影響工件表面的粗糙度。而為了對(duì)接觸條件進(jìn)行改善，提升加工質(zhì)量，在中心架的接觸點(diǎn)上設(shè)置三個(gè)滾動(dòng)軸承，將原本的滑動(dòng)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)接觸，在增大接觸面積的同時(shí)，減少工件之間的摩擦力，改善工件的受力情況。二是對(duì)刀桿的改造。由于該零件的長度較大，在對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行加工時(shí)，考慮到加工精度和加工質(zhì)量，應(yīng)該盡可能提升刀桿的剛性，以減少加工震動(dòng)。因此，需要對(duì)刀桿進(jìn)行改造，設(shè)置兩套不同直徑、不同剛性的刀桿，分別用于粗加工和細(xì)加工。

（4）合理設(shè)置參數(shù)。從零件使用的原材料特性考慮，選擇硬度高、散熱快、切削力小的硬質(zhì)合金刀具，根據(jù)粗細(xì)加工的具體要求，對(duì)刀具的角度參數(shù)和切削用量進(jìn)行合理設(shè)置，保證零件的加工質(zhì)量。

（5）裝夾方式選擇。在對(duì)超薄筒狀零件進(jìn)行加工時(shí)，為了避免卡爪在加緊工件時(shí)導(dǎo)致的端部變形，應(yīng)該合理選擇裝夾方式。在精加工的過程中，可以制備具備良好彈性的開縫套筒，將零件嵌入套筒中進(jìn)行固定，將原本三爪卡盤的三點(diǎn)接觸變?yōu)檎麍A抱緊，這樣，不僅能夠?qū)A緊力進(jìn)行改善，還能夠有效減少工件端部的變形。

（6）冷卻方式改良。為了盡可能減少切削發(fā)熱對(duì)于工件精度的影響，在對(duì)該工件進(jìn)行加工的過程中，選擇專用的鋁合金冷卻液，提升冷卻效果，減少工件加工過程中的熱變形，確保加工精度和加工質(zhì)量[5]。

4 結(jié)語

總之，薄壁零件的加工是零件加工中一個(gè)非常關(guān)鍵的內(nèi)容，工件的尺寸不同，使用的材料不同，對(duì)于加工技術(shù)的要求也不同。在超薄筒狀零件加工中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該結(jié)合工件自身的特點(diǎn)，明確加工中的難點(diǎn)問題，對(duì)可能影響加工精度的因素進(jìn)行分析，采取切實(shí)有效的措施，保證零件的加工精度，確保零件性能的有效發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

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[5] 朱春江.防止薄壁套筒加工變形的加工工藝[J].金屬加工：冷加工，2010（14）：27-28.