淺談薄壁零件的加工方案

劉　凱

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

淺談薄壁零件的加工方案

劉凱

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

薄壁零件在加工過(guò)程中，加工工藝性差，在切削力、殘余應(yīng)力、切削熱、工藝剛性等因素的影響下，薄壁零件容易發(fā)生變形，不易控制加工精度和提高加工效率。本篇對(duì)薄壁零件的整個(gè)加工過(guò)程中引起變形的幾個(gè)因素進(jìn)行分析，并找到具體的加工方案，保證零件的加工精度。

薄壁零件；變形；切削應(yīng)力；殘余應(yīng)力；工藝剛性

金屬薄壁件重量輕、節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)緊湊、占空間位置小等優(yōu)點(diǎn)、非常適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)的輕工業(yè)機(jī)器中。主要以套類薄壁零件和環(huán)類薄壁零件最為難加工，對(duì)孔的圓柱度、同軸度、直線度、垂直度等精度都有嚴(yán)格的要求。在切削力、殘余應(yīng)力、切削熱、工藝系統(tǒng)的剛性等因素的影響下，零件容易發(fā)生變形，不易控制加工精度，不能保證零件的位置公差，導(dǎo)致零件使用精度不達(dá)標(biāo)。

1.各因素對(duì)薄壁件的影響

1.1切削力對(duì)薄壁零件的影響

切削力來(lái)自切削過(guò)程中擠壓力大于晶體發(fā)生剪切變形的極限強(qiáng)度。被加工材料的物理力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)等影響切削力的大小?；瘜W(xué)成分與熱處理狀態(tài)決定被加工材料的物理力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致硬度和強(qiáng)度的變化。被加工材料的強(qiáng)度越高，硬度越大，切削力就越大，造成零件在加工過(guò)程中抗力大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力并在材料內(nèi)部積累，無(wú)法有效地快速釋放。切削參數(shù)選擇直接影響切削力的大小，被吃刀量與進(jìn)給量增大都會(huì)使切削面積增大，從而使變形力增大，摩擦力變大，最終切削力隨之增大。切削速度與被加工零件本身的特性有關(guān)，切削力與切削速度正比。鋒利切削（前角與后角為正）刀具與被加工材料之間的接觸面積小，產(chǎn)生的切削力就小。若切削面積相等，增加走刀量比增加切削深度的切削力小。

金屬切削過(guò)程中在零件表面依次發(fā)生擠壓、塑性變形、剪切變形、摩擦加工硬化等現(xiàn)象。切削力來(lái)自克服被加工材料對(duì)彈性變形的抗力，克服被加工材料對(duì)塑性變形的抗力、克服刀具后角對(duì)過(guò)渡表面和已加工零件表面的摩擦力3個(gè)方面。

1.2殘余應(yīng)力對(duì)薄壁零件的影響

影響殘余應(yīng)力的因素較為復(fù)雜，主要有切削力和切削熱造成?？傮w上凡能減小塑性變形和降低切削溫度的因素都能使已加工表面的殘余應(yīng)力減小。

（1）機(jī)械應(yīng)力引起的塑性變形，導(dǎo)致晶粒分裂，產(chǎn)生拉應(yīng)力；后刀面對(duì)易加工面擠壓和摩擦導(dǎo)致塑性變形，內(nèi)層金屬對(duì)表層金屬的壓應(yīng)力。

（2）切削過(guò)程中產(chǎn)生切削熱，它向材料內(nèi)部傳導(dǎo)的速度與外部利用切削液冷卻的速度不一致，表面存在拉應(yīng)力，內(nèi)部存在壓應(yīng)力。

（3）相變引起的體積變化，馬氏體的比容比奧氏體大，溫差導(dǎo)致金相有奧氏體冷卻為馬氏體，體積變大，表層金屬膨脹，表層為壓應(yīng)力，里層拉應(yīng)力。

薄壁零件在加工完成后可滿足精度要求，但在加工之后的短期或一段時(shí)間內(nèi)因自然變形過(guò)大而失效，這是由于內(nèi)部材料的殘余應(yīng)力不合理分布導(dǎo)致了工件后續(xù)的二次變形［4］。所以，內(nèi)應(yīng)力應(yīng)在加工過(guò)程中去除，消除內(nèi)應(yīng)力對(duì)加工完成的零件有持續(xù)影響，既保持結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，又使零件在全生命周期內(nèi)都能夠避免內(nèi)應(yīng)力的影響。

1.3工藝系統(tǒng)剛性對(duì)薄壁零件的影響

工藝系統(tǒng)剛性是工藝系統(tǒng)抵抗受力變形的能力。由于加工中受到的應(yīng)力是多向的，從影響精度的角度出發(fā)，應(yīng)該對(duì)加工精度影響大的方向（即誤差敏感方向）進(jìn)行受力和變形問(wèn)題進(jìn)行分析，以增加整個(gè)工藝系統(tǒng)的剛性。工藝系統(tǒng)的剛度主要分為靜剛度和動(dòng)剛度。靜剛度鞏固工藝系統(tǒng)的理論剛性，主要是夾緊力、重力、塑性變形抗力等，應(yīng)該從理論方面進(jìn)行計(jì)算、改進(jìn)消除誤差；動(dòng)剛度解決加工過(guò)程中出現(xiàn)的波動(dòng)切削力、傳動(dòng)扭力、慣性力、彈性變形抗力。自身的振動(dòng)頻率應(yīng)與加工過(guò)程中的切削參數(shù)設(shè)定的外部激勵(lì)頻率不在一個(gè)區(qū)間，避免零件在加工過(guò)程中振幅量過(guò)大，從而影響零件的加工精度。

薄壁類零件工裝的設(shè)計(jì)應(yīng)最大限度地保證零件在加工過(guò)程中在最敏感方向的剛性。薄壁零件都有自身獨(dú)特的設(shè)計(jì)要求，針對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)該有不同的工裝設(shè)計(jì)要求。譬如，同軸孔應(yīng)設(shè)計(jì)外部防止裝夾變形的環(huán)筒類工裝；內(nèi)外同軸的薄壁零件應(yīng)設(shè)計(jì)軸類配合的工裝，并加工排氣槽，穿軸磨外圓，等等；

隨著科技的快速發(fā)展，新型材料刀具在不斷增加，新型機(jī)床也得到廣泛應(yīng)用，較高的轉(zhuǎn)速、鋒利的刀具、精確的定位等都能有效的保證加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)敏感方向的剛性，減少加工時(shí)在切削力作用下的讓刀變形，防止加工零件的不對(duì)稱增加沖擊力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)整個(gè)工藝進(jìn)行細(xì)化，每一個(gè)工序解決的問(wèn)題有重點(diǎn)，特別是最終保證精度的道序經(jīng)常會(huì)要求一次裝夾，保證整個(gè)零件的所有精度。應(yīng)避免道序集中，這樣會(huì)提高操作人員的加工勞動(dòng)強(qiáng)度，增加零件的報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)。最后提高零件的精度，并優(yōu)化整個(gè)工藝的合理性。

1.4轉(zhuǎn)運(yùn)等外部偶然因素

零件的加工質(zhì)量包括加工精度和被加工表面的表面質(zhì)量?jī)纱蟛糠?。精度是零件加工之后的幾何參?shù)與理想零件的幾何參數(shù)的符合程度。加工完成的零件，只能算是制造規(guī)范的開(kāi)始，真正使用到機(jī)器上，這中間的精度變化就不能不引起我們的重視。輕拿輕放，嚴(yán)密包裝，制作適應(yīng)零件結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)運(yùn)工裝，支撐內(nèi)壁，保護(hù)外壁。通過(guò)增加薄壁件的靜剛性，防止零件的變形，并提高抵抗轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中遇到的不可預(yù)知因素的能力。

2.加工薄壁零件的加工工藝原則

結(jié)合薄壁零件結(jié)構(gòu)弱剛性、易變形、材料去除率大等特點(diǎn)，工藝原則上應(yīng)按照以下順序安排：

（1）粗加工：優(yōu)先提高切削速度，其次分別為切寬、切深和進(jìn)給量。優(yōu)先選用“高速度、大切寬、大進(jìn)給量、小切深”的組合，可使用普通夾具夾緊定位，增大材料去除率，切深選用大于前道工序加工亞表面殘余應(yīng)力趨于平緩的深度。選材大小也應(yīng)以有一定加工余量的管材最合適。不僅減少粗加工對(duì)刀具的浪費(fèi)，也能減少多次進(jìn)刀對(duì)工件的沖擊。

（2）熱處理人工時(shí)效，調(diào)整硬度，便于切削；消除殘余內(nèi)應(yīng)力，防止變形；細(xì)化晶粒，提高力學(xué)性能。在粗加工之后進(jìn)行去應(yīng)力處理，能夠最快最大限度的消除在粗加工過(guò)程中積累的應(yīng)力，保證零件后續(xù)加工中內(nèi)應(yīng)力引起的變形。

（3）半精加工：先選定切削速度，減小其他工藝參數(shù)的優(yōu)先順序，分別切深、進(jìn)給量、切寬。優(yōu)先選用“進(jìn)給量適中，大切寬和小切深”的組合，采用專用工裝進(jìn)行裝夾、減少材料去除率。切深需選擇應(yīng)小于上道工序加工亞表面最大殘余壓應(yīng)力值所在的深度，可以使薄壁加工變形減小。

（4）穩(wěn)定處理，解決半精加工造成的應(yīng)力。這里進(jìn)行的低溫處理或者自然時(shí)效。集中解決的半精加工過(guò)程中，刀具與零件之間的摩擦所引起的加工壓應(yīng)力，由于半精加工的加工量小，該部分的應(yīng)力不能直接導(dǎo)致零件的變形。為了提高薄壁零件的全生命周期質(zhì)量，應(yīng)該進(jìn)行必要的穩(wěn)定處理。

（5）精加工保證零件的精度，利用磨床的加工精度高，線速度高、切削量小、自身有自銳性、切削寬度對(duì)整個(gè)零件的最終形位公差精度和表面粗糙度均可達(dá)到較高的要求。對(duì)于零件精度要求特別嚴(yán)格的零件，也可以從磨削余量上進(jìn)行精細(xì)劃分為粗磨（根據(jù)零件的精密等級(jí)合理選擇）、半精磨、精磨。機(jī)床、工裝、工件、刀具等組成的工藝系統(tǒng)抵抗應(yīng)力變形的剛性，對(duì)整個(gè)加工方案的能否成功實(shí)施有決定性影響。機(jī)床與刀具的剛性在加工過(guò)程能夠進(jìn)行控制，剩下對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)剛性影響最大的就是工件與工裝。設(shè)計(jì)合理的工裝有利于提高整個(gè)工藝系統(tǒng)的剛性。精加工過(guò)程要對(duì)精度劃分，不可一概而論，精度是最重要的也是最后保證薄壁零件使用價(jià)值的。如果將整個(gè)零件的所有尺寸精度、形狀精度、位置精度都放置在最后的磨削進(jìn)行加工，造成加工效率低下，加工成本居高不下。只有合理的工藝規(guī)劃，才能降低加工成本，提高加工效率。

粗、精加工之間可安排一次或數(shù)次半精加工，一次或數(shù)次時(shí)效處理工序，目的在于消除切削力、夾緊力產(chǎn)生的應(yīng)力和零件本身的殘余應(yīng)力，使變形發(fā)生在最后精加工之前。精加工薄壁零件時(shí)，一般應(yīng)采用降低和控制切削用量，增加切削次數(shù)，勻速切削，以便有利于減小切削力和切削熱。合理使用切削液減少刀具的磨損、改善加工表面質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

薄壁零件的加工工藝應(yīng)與所加工的零件精度嚴(yán)格掛鉤，靈活使用整個(gè)流程，才能讓零件在加工過(guò)程

3.加工完畢薄壁零件的變形防護(hù)

零件在存放、搬運(yùn)、裝配、調(diào)試過(guò)程中由于零件的殘余應(yīng)力及使用環(huán)境如溫度、振動(dòng)、加速度等原因產(chǎn)生變形。避免零件在溫差大的環(huán)境中進(jìn)行不必要的移動(dòng)；配備專用的轉(zhuǎn)運(yùn)工裝，避免在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程以及放置存放過(guò)程中遇到的偶然因素；在進(jìn)入裝配現(xiàn)場(chǎng)之前，應(yīng)該設(shè)計(jì)專用的定制工裝，防止造成的零件意外變形。

結(jié)語(yǔ)

薄壁零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差在加工過(guò)程中不容易保證，影響的因素比較多，本文主要從切削力、殘余應(yīng)力、工藝系統(tǒng)剛性、偶然因素等4個(gè)方面進(jìn)行分析總結(jié)，同時(shí)從薄壁零件的特點(diǎn)進(jìn)行分析，制定工藝原則。本文沒(méi)有對(duì)具體零件進(jìn)行具體分析，提出方案的原則是以保證零件的設(shè)計(jì)應(yīng)用要求為著力點(diǎn)，規(guī)范工藝流程，完善加工內(nèi)容。希望本文對(duì)大家制定薄壁零件加工工藝有所幫助。

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