薄壁零件加工方法研究

錢萍

【摘 要】在實(shí)際生產(chǎn)加工中，薄壁零件由于其剛性差、易變形等特點(diǎn)，導(dǎo)致其尺寸精度、形位精度及表面質(zhì)量難以得到保證，給加工增加了不少難度。本文對(duì)切削加工中常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)方案加以解決改善，并對(duì)幾種新型的切削加工方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

【關(guān)鍵詞】薄壁零件；加工變形；工藝措施；誤差補(bǔ)償；高速切削

薄壁零件通常也叫薄殼零件，這類零件的壁厚和它的軸向或徑向尺寸比較相差很懸殊，一般認(rèn)為零件的壁厚與零件最大尺寸比值小于1/20時(shí)，就屬于薄壁零件。由于這類零件具有重量輕，節(jié)省材料，結(jié)構(gòu)緊湊，占空間位置少等特點(diǎn)，因此在機(jī)械、航空航天、船舶等很多領(lǐng)域中有較廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然這類零件的加工方法有多種，例如車削、沖壓、焊接、滾壓等，但對(duì)于一些截面比較復(fù)雜而尺寸精度和表面粗糙度要求又比較高的薄壁零件，經(jīng)常采用車削的方法來(lái)加工，因此車床上車削加工薄壁零件是一種很重要很普遍的加工方法。

在實(shí)際車削加工過(guò)程中，由于薄壁零件的毛坯剛性差、強(qiáng)度弱，所以容易發(fā)生變形，導(dǎo)致零件的幾何精度、位置精度、表面質(zhì)量等受到影響，易保證零件的加工質(zhì)量，給車削加工帶來(lái)一定的困難。因此如何提高薄壁零件的加工精度，減少加工變形，保證產(chǎn)品合格率是業(yè)界內(nèi)越來(lái)越關(guān)心的話題。因此對(duì)薄壁零件切削過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法作如下討論。

1.工件裝夾不當(dāng)產(chǎn)生變形

薄壁零件在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，影響工件的尺寸精度和形狀精度。車削時(shí)為了方便，常采用三爪自定心卡盤裝夾工件，如圖所示，用三爪自定心卡盤裝夾薄壁圓柱零件外圓加工內(nèi)孔時(shí)的示意圖。當(dāng)卡爪夾緊工件時(shí)，由于卡爪和工件外圓表面間的接觸面太小，導(dǎo)致夾緊力分布不均勻，在夾緊力的作用下，工件與卡爪接觸的部位產(chǎn)生彈性變形，使零件呈現(xiàn)出三棱形如圖1。三棱形內(nèi)孔經(jīng)過(guò)車削加工為圓柱孔后，不松開(kāi)卡爪測(cè)量孔的尺寸，完全能符合零件圖所規(guī)定的尺寸要求如圖2。但由于內(nèi)孔的加工是在工件已產(chǎn)生彈性變形的狀態(tài)下車出來(lái)的，加工完畢松開(kāi)卡爪后，卸下的工件外圓因彈性變形恢復(fù)成圓形，而已加工出的圓柱孔則變成三棱形，如圖3所示。

同理用一般三爪卡盤的卡爪漲緊薄壁件的內(nèi)孔加工外圓表面時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似的變形情況。

為避免出現(xiàn)這種情況，可用措施如下：

1.1采用開(kāi)口過(guò)渡環(huán)

根據(jù)工件的外徑做一個(gè)開(kāi)口過(guò)渡環(huán)，將其裝配在工件在外面，三爪卡盤直接和過(guò)渡環(huán)接觸夾緊，而工件則通過(guò)開(kāi)口過(guò)渡環(huán)來(lái)夾緊，這樣夾緊力也就均勻分布在極大的工件接觸面上，可避免工件的裝夾變形，如圖4所示。

1.2采用專用卡爪

專用卡爪也就是軟卡爪，采用軟金屬材料并加大接觸面，工件夾緊時(shí)夾緊力就能較均勻地分布在較大的工件接觸面上，可有效地避免裝夾變形。使用軟卡爪裝夾薄壁零件是一種即簡(jiǎn)便又行之有效的裝夾方法，軟卡爪可根據(jù)工件的實(shí)際情況做成不同的形狀。為提高定位精度，在使用卡爪前，應(yīng)使其在夾緊或漲緊狀態(tài)下，根據(jù)工件尺寸對(duì)其定位基面精車一刀，使它和工件定位基準(zhǔn)尺寸一致，如圖5所示。

1.3變徑向夾緊為軸向夾緊

由于薄壁零件徑向剛性比軸向差，為減少夾緊力引起的變形，當(dāng)工件結(jié)構(gòu)允許時(shí)，可采用軸向夾緊的夾具，以改變夾緊力的方向，如圖6所示。

1.4增加套類薄壁件毛坯剛性

在零件的夾持部分增設(shè)幾根工藝?yán)呋蛲惯?，使夾緊力作用在剛性較好的部位以減少變形，等加工終了時(shí)再將肋或凸邊切去，如圖7所示。

2.切削力引起變形

當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜD壓被切削金屬時(shí)，材料內(nèi)部晶粒變形，分子之間產(chǎn)生滑移，形成材料與晶粒之間的內(nèi)摩擦。當(dāng)切屑形成后，它又沿著刀具前面排出，切屑和刀具前面之間、刀具后面和工件加工表面之間形成外摩擦。內(nèi)、外摩擦力在切削過(guò)程中作用在刀具上，阻止刀具進(jìn)行切削，形成切削抗力即切削力。它是由幾個(gè)分力組成的空間力，為便于分析計(jì)算，一般將其分解為相互垂直的三個(gè)力：主切削力、徑向切削力和軸向切削力。

徑向（軸向）切削力使刀具在切削過(guò)程中產(chǎn)生徑向（軸向）反作用力，使工件產(chǎn)生彈性變形和振動(dòng)。若工件不同部位剛度不同，則在切削加工時(shí)產(chǎn)生的彈性變形也不同，使刀具實(shí)際切去的材料厚度不同，最終導(dǎo)致工件產(chǎn)生變形。

例如工件兩端剛度好，越靠近中間剛度越差，則在徑向切削力的作用下，越靠近中間產(chǎn)生的彈性變形越大，即“讓刀”越嚴(yán)重，致使刀具在兩端切去的金屬多，中間切去的金屬少，則加工的工件呈現(xiàn)中間厚，兩端逐漸減薄的曲面形狀。

軸向切削力同樣由于工件從中心到外徑處剛度的不一致，產(chǎn)生不同的彈性變形，最終導(dǎo)致工件端面不再是一個(gè)平面而呈現(xiàn)一個(gè)凹心面或凸肚形狀。

在實(shí)際切削加工過(guò)程中，切削力是必然存在不可消除的，但可以采取有效措施來(lái)改變切削力的大小，從而減小工件因切削力而產(chǎn)生的變形量，提高加工質(zhì)量。對(duì)切削力有影響的因素有很多，主要?dú)w納為幾下幾方面：

2.1刀具的幾何參數(shù)

2.1.1前角

在一定范圍內(nèi)，切削力隨前角增大而減小。因?yàn)榍敖堑拇笮?，決定著切屑變形情況和切屑與刀具前面的摩擦情況，若前角增大會(huì)使切屑變形和摩擦均減小，切削力減小。但前角不能太大，否則會(huì)使刀具的楔角減小，刀具強(qiáng)度減弱，刀具散熱情況差，磨損加快，所以，一般車削鋼件材料的薄壁零件時(shí)，用硬質(zhì)合金刀具，前角取 5～20°，粗車時(shí)取小值，精車時(shí)取大值。

2.1.2后角

一般情況下，切削力會(huì)刀具后角的增大而減小，因?yàn)楹蠼菦Q定著刀具后面與工件切削表面之間的摩擦力大小，后角大，摩擦力小，則切削力減小。但后角也不能太大，否則會(huì)引起刀具強(qiáng)度減弱等不良后果。在車削鋼類薄壁件時(shí)，硬質(zhì)合金刀具后角取2～12°，粗車時(shí)取小值，精車時(shí)取大值。

2.1.3主偏角

刀具主偏角 在30～60°時(shí)，主切削力隨主偏角的增大而減小；主偏角在75 ～90°時(shí)，主切削力隨主偏角的增大而增大；通常主偏角在60～75°時(shí)，主切削力較小。此外，主偏角的增大，使軸向切削力增大，徑向切削力減小。車削套筒類薄壁零件的外圓表面時(shí)，取大的主偏角。

2.1.4刃傾角

刃傾角的變化，對(duì)主切削力的變化不大，但對(duì)軸向、徑向切削力的影響卻很大。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)刃傾角增大時(shí)，使軸向切削力增大，徑向切削力減小。

2.2切削用量的選擇

車削過(guò)程中，背吃刀量和進(jìn)給量增大時(shí)，切削面積將增大，導(dǎo)致切削力增大。但當(dāng)切削面積相同時(shí)，增大進(jìn)給量比增大背吃刀量對(duì)切削力增大的影響要小。所以，粗加工時(shí)，背吃刀量和進(jìn)給量可以取大些，背 吃 刀 量 一 般 在 0.2～2mm，進(jìn) 給 量 一 般 在0.2～0.35mm/r：精加工時(shí)，背 吃 刀 量 一 般 在 0.2～0.5mm，進(jìn) 給 量 一 般 在0.1～0.2mm/r 甚至更小。

當(dāng)切削速度大于50m/min時(shí)，隨著切削速度的增加，前刀面上的摩擦系數(shù)減少，剪切角增大，變形系數(shù)減小，切削力將減小。因此粗車時(shí)要選用50～80m/min，精車時(shí)用盡量高的切削速度，可選用60～120m/min，但不易過(guò)高。因此在切削加工時(shí)，需合理選用三要素才能有效減少切削力，從而減少變形。

3.切削熱引起變形

在車削過(guò)程中，由于切屑變形和切屑、刀具、工件間的摩擦，產(chǎn)生大量的熱，它傳到刀具上使刀具的硬度降低，加速刀具的磨損，使工件加工表面光潔度降低，它傳到工件上，使工件產(chǎn)生熱變形。使用切削液能夠吸收并帶走切削區(qū)域大量的熱量，減小工件因熱變形產(chǎn)生的誤差，切削液還能滲透到工件和刀具之間，減小摩擦并沖走吸附在刀具和工件上的細(xì)小切屑。因此合理地使用切削液能減小切削力，提高刀具耐用度，提高加工表面質(zhì)量，使工件不受切削熱的影響而產(chǎn)生變形，保證加工精度要求。車削鋼類薄壁零件時(shí)，一般建議使用乳化液，而工件表面質(zhì)量要求高時(shí)使用礦物油較好。

4.振動(dòng)影響精度

車削薄壁工件時(shí)，變形與振動(dòng)相互影響，使工件變形加劇，影響工件加工精度。雖然振動(dòng)不可能完全消除，但采取必要的措施可以減少振動(dòng)。

（1）調(diào)整車床的主軸、刀架、床鞍等運(yùn)動(dòng)部件的間隙，使其處于最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，加強(qiáng)工藝系統(tǒng)自身的剛度。

（2）使用吸振材料。

用軟橡膠片、橡膠軟管、泡沫塑料等吸振材料，填充或包裹工件后進(jìn)行車削，有減振甚至消振的作用。薄壁工件內(nèi)孔精加工完畢后，精車外圓前可將預(yù)先準(zhǔn)備好的軟橡膠片卷成筒狀，塞入工件孔內(nèi)，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下橡膠片將緊貼孔壁，能阻尼減振并防止振動(dòng)的傳播，若薄壁工件的外圓已完成精車，需繼續(xù)精加工內(nèi)孔時(shí)，可將軟橡膠膠管均勻地繞在工件外圓上，也能獲得較少振動(dòng)的效果。

（3）遠(yuǎn)離振源。

車削中途發(fā)生振動(dòng)應(yīng)立刻停止，先用降低主軸轉(zhuǎn)速、減小背吃刀量、增大進(jìn)給量的方法消除振紋。然后對(duì)刀具幾何角度是否合格，工藝系統(tǒng)剛度的好壞等進(jìn)行仔細(xì)檢查，無(wú)誤后重新開(kāi)始車削。

5.工藝路線的擬定

薄壁零件由于本身剛度差，易變形，因此其工藝過(guò)程可劃分為粗車、半精車和精車三個(gè)階段來(lái)擬定工藝路線。在粗車中產(chǎn)生的誤差和變形可以通過(guò)半精車和精車給予修正，并逐步提高零件的精度和表面質(zhì)量，得到合格產(chǎn)品。

在考慮工藝路線時(shí)還應(yīng)重視熱處理的安排。在毛坯形成后，粗車前之前應(yīng)安排人工時(shí)效處理，這可消除毛坯制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，為粗車減少變形量。在粗車后，精車前，必須再安排 一次或多次時(shí)效處理，以消除粗加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。對(duì)于提高工件表面硬度、改善工件表面力學(xué)性能的淬火、滲碳淬火等熱處理通常安排在半精加工和精加工之間。

6.薄壁零件新型加工方法

6.1誤差補(bǔ)償技術(shù)

薄壁零件的數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代制造企業(yè)的核心技術(shù)，誤差補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于薄壁零件加工是通過(guò)分析各種不同的誤差來(lái)源及變化規(guī)律，建立適當(dāng)?shù)恼`差模型進(jìn)而有效克服切削力變形、熱變形等數(shù)控機(jī)床加工誤差因素的影響，提高零件加工精度。其中南京航空航天大學(xué)何寧教授提出的刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償工藝，基本思想是通過(guò)建立受力模型、變形模型及數(shù)控補(bǔ)償模型得到數(shù)控補(bǔ)償方案，是使用有限元分析法，模擬分析切削加工時(shí)變形的大小，在數(shù)控編程時(shí)通過(guò)刀具偏擺，讓刀具在原運(yùn)動(dòng)軌跡基礎(chǔ)上按變形程度附加連續(xù)偏擺，補(bǔ)償因變形而產(chǎn)生的讓刀量，實(shí)現(xiàn)一次清除讓刀殘余材料，使薄壁零件壁厚精度得以保證。從而保證加工精度。數(shù)控補(bǔ)償工藝需配備高精度五軸數(shù)控機(jī)床，適用于高端制造行業(yè)，如航天航空加工中。

6.2高速切削加工技術(shù)

高速切削是當(dāng)今制造業(yè)中一項(xiàng)快速發(fā)展的新技術(shù)，一般認(rèn)為應(yīng)是常規(guī)切削速度的5～10倍。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，高速切削正成為一種新的切削加工理念。切削溫度、切削力通常隨切削速度升高而升高，但超過(guò)一定范圍后，反而隨切削速度的升高而下降，如圖8所示。所以高速切削薄壁零件具有以下優(yōu)越性：

（1）高速切削時(shí)，由于采用極小的切削深度和很窄的切削寬度，因此和常規(guī)切削狀態(tài)下的切削力相比至少可減小30%，所以在加工薄壁、薄板類零件時(shí)可減小加工變形，易于保證零件的尺寸精度和形位精度。

（2）高速切削時(shí)由于切削熱的95%將被切屑帶走，工件溫度升不高，工件的熱變形小，這對(duì)于減小薄壁、薄板類零件的變形非常有利。

（3）由于工件的表面粗糙度對(duì)低階頻率最為敏感，而高速切削時(shí)，刀具切削的激振頻率很高，遠(yuǎn)離了零件結(jié)構(gòu)工藝系統(tǒng)的低振頻率范圍，不會(huì)造成工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，從而避免切削振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切削降低了表面粗糙度，使加工表面非常光潔，可達(dá)到磨削的水平。

（4）高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5-10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3-6倍，加工效率得到很大提高。

圖8 高速切削區(qū)概念

超高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超高速切削的前提條件和關(guān)鍵因素，因此機(jī)床制造難度大，刀具和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)生產(chǎn)軟件等技術(shù)含量高，價(jià)格昂貴，投資很大，目前國(guó)內(nèi)的高速切削水平和國(guó)外相比還有較大的差距。

本文介紹薄壁零件常見(jiàn)種類及特點(diǎn)，分析了薄壁零件在加工中較易出現(xiàn)的一些問(wèn)題并提出了相應(yīng)解決方法，希望在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中能有一定的借鑒性。另外對(duì)薄壁零件高精度、高效率加工的幾種新型方法作了簡(jiǎn)單的闡述，雖然這些技術(shù)在國(guó)內(nèi)加工水平還不夠成熟，但只要我們緊跟世界各種先進(jìn)切削技術(shù)發(fā)展步伐，加強(qiáng)對(duì)薄壁零件加工方法及工藝技術(shù)的研究，肯定會(huì)縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的制造能力上的差距，使各種先進(jìn)制造技術(shù)得以推廣發(fā)展。

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