大型薄壁件車加工變形控制

摘 要：文章介紹了根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，通過優(yōu)化加工刀具、優(yōu)化工藝路線、優(yōu)化切削參數(shù)、優(yōu)化裝夾方案等積累的一些大型薄壁零件的車加工變形控制方法和經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：薄壁零件；變形控制；方法

引言

零件毛坯在鑄造、鍛壓、焊接等過程中，由于受熱、冷卻的作用，在零件內(nèi)部產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致工件處于特別不穩(wěn)定狀態(tài)，降低了工件的尺寸精度，使工件在工作過程中產(chǎn)生應(yīng)力變形，因此加工變形是薄壁弱剛性構(gòu)件普遍存在的問題。

大型薄壁殼體零件，存在兩個加工弊端，一是受零件形狀和鍛造工藝限制，毛料余量大；二是受零件材料的影響，一般大型薄壁零件均采用高溫合金、鈦合金等難加工材料，零件的切削性能差，這樣就給變形控制帶來一定的難度。下面就從以下幾方面介紹大型薄壁零件的車加工變形控制。

1 合理安排加工路線

對于毛料余量很大的零件，車加工路線分為：粗加工、半精加工、精加工，同時要合理分配各工序加工余量，在粗加工后安排去應(yīng)力熱處理工序，這樣可以消除毛料中的殘余應(yīng)力；在半精加工后進(jìn)行自然時效或振動時效等方法消除加工應(yīng)力，減少零件變形。半精車后一定要求安排車基準(zhǔn)工序，保證加工基準(zhǔn)面的平面度要求，提高加工質(zhì)量。

振動時效消除零件殘余應(yīng)力的方法比自然時效需要的時間短，可以縮短零件的加工周期，這種方法將是未來的發(fā)展方向。

2 通過夾具、輔助支撐等方式增強(qiáng)零件的系統(tǒng)剛性

由于薄壁零件的外型多樣，零件自身剛性差，在裝夾時壓緊位置的受力不同，所產(chǎn)生的變形量就會不同。實(shí)踐證明，增大零件與夾具的受力接觸面，減少零件的共振現(xiàn)象，可有效的降低零件的變形。

某大型薄壁機(jī)匣（直徑在1.3米，高0.46米），在粗車內(nèi)外圓時，通過袋裝砂礫子放置在零件內(nèi)圓，橡膠帶纏繞在外圓的方法，增到阻尼，有效減震，控制零件的加工變形。精加工時夾具采用內(nèi)外分級輔助支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)圓均布8點(diǎn)兩級輔助支撐，外圓均布12點(diǎn)3級輔助支撐。加工中采用打表的方式進(jìn)行支撐，避免支撐力過大，加工中產(chǎn)生彈性變形。該種裝夾方式，有效地增強(qiáng)了大型薄壁零件的切削剛性，減小零件加工過程中產(chǎn)生的振動、應(yīng)力變形和讓刀現(xiàn)象，保證零件的表面加工質(zhì)量。

組合夾具也同樣可以達(dá)到增加系統(tǒng)剛性的目的，成本較低，更有利于單件加工，需要注意的是輔助支撐最好采用面接觸的方式，這樣使承力面受力更均勻。另外值得注意的是，隨著零件車加工過程中壁厚尺寸的減小，零件剛性就會越來越差，所以零件各個工序加工時，要采用未加工部分作為加工部分的支撐，這樣可以增強(qiáng)加工位置的剛性。

3 規(guī)劃能夠減小零件變形切削路徑

科學(xué)合理地安排薄壁件的切削走刀路徑，是減少零件加工變形量的有效手段。在車加工過程中，要依據(jù)零件具體結(jié)構(gòu)、毛料余量，正確安排零件各個型面的加工先后順序和刀具走刀路線。

某大型薄壁零件在加工中變形較大，所以對零件的加工路線進(jìn)行了改進(jìn)。該零件在進(jìn)行車加工時，采用對稱加工的方式，均勻留余量，保證每道工序加工余量均勻，這樣可以均勻的釋放零件的內(nèi)部應(yīng)力，減少加工變形。同時每道車加工工序都進(jìn)行粗精加工工步，首先粗加工后，單邊留0.5余量，松開壓板，釋放應(yīng)力，然后重新裝夾找正零件，再進(jìn)行精加工；在零件精車工序，零件壁厚小，剛性差，因此采用內(nèi)外對稱分級交替的方式加工，即內(nèi)圓加工上部，進(jìn)行外圓對稱部位的加工，然后加工內(nèi)圓中部，進(jìn)行外圓對稱部位加工，以此類推，交替加工。經(jīng)過試驗(yàn)，該方法可以有效地減少加工應(yīng)力變形，保證加工精度。

4 合理的選擇刀具

加工中，刀具受到來自工件和機(jī)床的作用，產(chǎn)生一定量的變形，對工件的加工質(zhì)量有影響，根據(jù)刀具變形產(chǎn)生的原因，可分為受熱變形和彈力變形。選擇合理的刀具主要是在刀具本身強(qiáng)度、鋒利程度、耐磨程度等方面做出合理的選擇。根據(jù)零件材料選擇合適的刀具材料，根據(jù)加工部位選擇合理的刀具角度，根據(jù)不同嘗試，確定最優(yōu)的選刀方案。

4.1 高溫合金材料的加工

大型薄壁件大多采用高溫合金材料，故要求刀具鋒利，一般情況下宜選取較小正前角，較大后角，較大工作主偏角。加工鎳基高溫合金的刀具應(yīng)該選用耐磨性和穩(wěn)定性好的材料，主要為硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷刀具等，其中陶瓷刀具適合余量大的粗加工工序。精加工應(yīng)該選用硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金刀具。車削時刀具的幾何參數(shù)：前角γ0=5°～10°，后角α0=10°～15°，刀尖圓弧半徑R=0.4～0.8mm，刀頭前刃面應(yīng)作斷屑槽或采用可轉(zhuǎn)位刀片。

4.2 鈦合金材料的加工

車削鈦合金時，應(yīng)盡可能使用硬質(zhì)合金刀具，以提高生產(chǎn)率，應(yīng)該選用與鈦合金親和力小，熱導(dǎo)性能良好的高強(qiáng)度細(xì)晶粒鎢鈷類（YG類）硬質(zhì)合金。為提高切削刃強(qiáng)度和散熱能力，刀具應(yīng)采用較小的前角（5°～10°）和較大的后角（6°～15°）。刀尖采用圓弧過渡刃，刀刃上避免有尖角出現(xiàn)。刀刃上避免有尖角出現(xiàn)。刀刃的粗糙度應(yīng)盡可能小，以保證排屑流暢和避免蹦刀。

4.3 加工中的具體應(yīng)用

粗加工刀具的選擇：粗加工時選擇耐磨刀具，W6R0.4切刀片以及R1.2的方刀片進(jìn)行加工，這樣可以大大提高加工效率；半精加工選擇W4R0.4和DNMG型偏刀進(jìn)行加工，加工切削力小，減少零件的應(yīng)力變形。精加工刀具的選擇：加工時，一般單邊余量在1mm，使用半精加工刀具加工時，產(chǎn)生很大的振動，變形較大。經(jīng)過試驗(yàn)加工，選用VB型偏刀加工型面效果較好，但是在加工長斜面時，產(chǎn)生嚴(yán)重的讓刀，多次光刀效果不佳，表面加工硬化，刀具非常易磨損。大膽嘗試大前角拋光刀片VCGT型刀具加工大斜面，由于該刀具鋒利，大大減少加工變形量，保證尺寸要求，同時可以保證壁厚均勻，該刀片讓刀小并且一致性好，值得推廣。

5 加工參數(shù)的選擇和優(yōu)化

加工參數(shù)的合理選擇，也是控制薄壁零件加工變形的主要方法，同時可以達(dá)到優(yōu)化加工、提高加工效率的目的。總體原則是粗車加工采用大切深，小進(jìn)給、低轉(zhuǎn)速的強(qiáng)力切削方式提高材料去除率，半精車加工給精加工留均勻的余量，在精車加工時，采用大進(jìn)給，小切深、高轉(zhuǎn)速的高速切削方式，保證零件的加工質(zhì)量。

車削高溫合金時，應(yīng)采用較小偏低的切削速度，并適當(dāng)加大切削深度和進(jìn)給量，保證切削刃和刀尖在硬化層下進(jìn)行切削。車削鈦合金時，切削速度不宜過高（40～50）m/min，背吃刀量可以較大，進(jìn)給量應(yīng)適當(dāng)。但是要根據(jù)不同材料選擇合適的深度，保證在加工硬化層下切削，這樣可以減少磨刀。

以上方案確定后，還要根據(jù)軟件對程序進(jìn)行優(yōu)化，特別是零件的轉(zhuǎn)角連接處，結(jié)構(gòu)特殊位置和接刀處進(jìn)行每一段程序的參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后的程序要求進(jìn)行試驗(yàn)加工，然后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際加工情況進(jìn)行二次優(yōu)化，保證參數(shù)最優(yōu)，有效控制零件的加工變形。

6 切削液的要求

切削液的作用主要是減少切削過程中刀具的磨損和降低切削溫度，在加工中為了避免零件加工變形必須合理充分的使用切削液，保證零件的加工部位切削液充足，這樣可以降低車加工時零件受熱、受力變形，提高刀具的耐用度和零件的表面質(zhì)量。

7 結(jié)束語

航空領(lǐng)域大型薄壁零件較多，依托現(xiàn)有零件，主要從加工路線的選擇、切削走刀路徑的優(yōu)化、輔助支撐增強(qiáng)零件剛性、合理選擇刀具和優(yōu)化切削參數(shù)等方面對控制大直徑薄壁零件車加工變形進(jìn)行探討，并總結(jié)了現(xiàn)場的實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，為類似薄壁零件的加工提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]劉杰華，任昭容.金屬切削與刀具實(shí)用技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社，2006.