淺談提高薄壁零件加工精度的工藝方法

鄭東華

(南京數控機床有限公司江蘇南京211100)

薄壁零件剛性差、強度弱，在切削加工過程中容易變形，產生形位誤差，往往不易保證零件的加工精度，一直是金屬切削加工中的棘手問題。為了提高零件的加工精度，本文將從薄壁零件的裝夾、切削用量的選擇、刀具的幾何角度及冷卻液的應用等方面分析和探討，提出一些有益的工藝方法。

1 合理裝夾工件，避免裝夾變形

薄壁零件其特點是壁薄，徑向方向受力容易變形。合理的裝夾是提高加工精度的關鍵因素。因此，對于薄壁零件裝夾，就不能簡單的用三爪卡盤直接裝夾，夾緊力集中在三點，極易產生變形。如圖1所示。

圖1 簡單三爪盤夾零件受力

如增加薄壁零件的裝夾接觸面，使裝緊力盡可能均衡的分布，零件的受力變形就將大大改善。根據物理學的壓強公式:P=F/S。當壓力一定時，受力面積越大，壓強越小，從理論上也證明了這一點。為增加薄壁零件的夾持面積，通常使用開縫夾套，扇形爪等(如圖2)，實踐證明這是一個非常經濟有效的工藝方法。

在現代的金屬切削加工中，數控機床被廣泛應用，對夾具要求定位準確，安裝方便，并自動夾緊。

圖2 開縫夾套及扇形爪

如圖3的彈性心軸，薄壁套依靠彈性心軸做孔定位，端面則由夾具體定位，拉桿連接在數控車床主軸的回轉油缸上，由回轉油缸驅動拉桿，實現自動夾緊。

圖3 彈性心軸

圖4 為推程式彈簧夾頭，零件由彈簧夾頭內的定位裝置實現軸向定位，彈簧夾頭起夾緊代定位的作用，推程桿則由機床的回轉油缸驅動，實現自動夾緊。

圖4 推程套式彈簧夾頭

除此之外，對薄壁零件的裝夾，還可以改變夾緊力的作力點，變徑向夾緊為端面夾緊，以避免薄壁零件徑向受力變形；如圖5及圖6分別是以孔及端面定位加工外圓、以端面及外圓定位加工內孔的端面夾緊范例。

圖5 以孔及端面定位加工孔

圖6 以端面及外圓定位加工孔

在一些大型的薄壁缸套上，為加工缸套端部的止口及螺紋，還可以采用一端由彈簧夾頭夾緊，一端采用套圈式中心架支承的加工方法(如圖7)。彈簧夾頭夾緊工件，傳遞轉矩，套圈式中心架支撐零件，限止零件的擺動及切削中的震動。

圖7 彈簧夾頭加套圈式中心架加工薄壁缸套

對于深孔類薄壁套筒零件，可以設計一些內撐式脹緊心軸(圖8)。它是由機床的雙作用回轉油缸驅動內撐式脹緊心軸的雙拉桿，實心拉桿及脹塊撐緊深孔內端，同時壓縮彈簧，帶動滑套，撐起中部脹塊，起輔助支撐作用，使切削更加平穩，空心拉桿及脹塊則撐起零件的孔口，零件的軸向定位則由零件靠緊脹緊心軸的頂部實現。

圖8 雙作用內撐式脹緊心軸

2 合理的選擇切削用量

在金屬切削過程中，必然會產生切削力，使工件產生變形，切削力的大小與切削用量是密切相關的，合理的選擇切削用量就能減少切削力，從而減少變形。從金屬切削原理中可以知道:背吃刀量ap、進給量f、切削速度V是切削用量的三要素。由于薄壁零件徑向受力變形最為突出，所以應以切削的背向分力為研究對象。通過實際測量不同切削工況條件下的切削力，經數據處理，求得如下計算切削力的經驗計算公式:

式中:C為被加工材料和切削條件的切削力系數；

xp、yp、np分別為背吃刀量 ap、進給量 f和切削速度Vc對切削力的影響指數；

Kp為實際加工的條件與建立經驗計算公式的試驗條件不符時的計算切削力修正系數。

由公式可以得出，當切削方法、條件一定時，切削力系數C、修正系數Kp是一個定值。切削力的大小隨背吃刀量、進給量增加而增加。但由于背吃刀量ap指數xp近似于等于1，進給量f指數yp小于1，所以采用大進給量f比采用大的背吃刀量ap的切削力要小。對于薄壁零件的切削加工，可適當加大進給量，減少背吃刀量，合理分配加工余量，走刀次數，把切削力控制在一定范圍。在精加工時，背吃刀量一般在0.2～0.5mm.進給量0.1～0.2mm/r，甚至更小，以減小切削力。精車時可以采用高速切削，以提高加工表面品質，但要采取一定的措施，如刀具的幾何角度、輔助支撐等，防止工件的共振面，影響零件的加工精度。

3 合理選擇刀具的幾何角度

在薄壁零件的加工中，刀具幾何角度對切削力大小、切削力在軸向或徑向上的分配、切削產生的熱變形以及零件的粗糙度有著至關重要的作用。刀具前角的大小，決定著刀具的鋒利程度。前角大，刀具鋒利；切削力小，刀具與零件的摩擦力減小，熱變形減小。但前角過大，會使刀具鍥角減小，刀具強度減弱，刀具耐用度下降。以切削40Cr材料工件為例，使用硬質合金刀具，前角一般選取5°～16°。粗車時前角取5°～8°，以提高刀具耐用度；精車時前角取8°～16°，以提高刀具的鋒利程度。

刀具的后角大小，決定著刀具后面與工件的表面摩擦程度。后角大，摩擦力小，切削刀熱也相應減小。但后角過大亦會使刀具強度減弱。在切削薄壁零件時，粗車取后角小些，精車取后角大些。以切削40Cr材料工件為例，使用硬質合金刀具，粗車時一般取5°～8°，以提高刀具的剛性。精車時取8°～12°，以減少刀具與工件的摩擦，提高與加工面的表面品質。

刀具的主偏角大小，決定了切削力在軸向或徑向上的分配情況。對切削薄壁零件尤其重要。主偏角增大，徑向切削力減小，而軸向切削力增大；反之則徑向切削力增大，而軸向切削力減小。所以在車削薄壁零件時，盡可能選用主偏角較大的刀具。

刀具的副偏角大小是影響已加工表面粗糙度的主要角度，同時也影響著刀具的強度。過小的副偏角，會增加副后面與已加工表面的摩擦，引起切削振動。在切削薄壁零件時副偏角一般取8°～15°。粗車時可取大些，精車時取小些，以提高刀具的耐用度，保證已加工面的粗糙度。

4 充分使用切削液，減少切削熱對加工精度的影響

在金屬切削過程中，工件阻礙刀具切削時產生的彈性變形和塑性變形，在切削區會產生大量的切削熱，以及切屑、刀具、工件間的摩擦，亦會產生大量的熱，導致刀具的磨損，影響工件的表面粗糙度，使工件受熱變形。在車削薄壁零件時，要充分使用切削液，及時的將切削熱、切屑帶走，減少刀具、切屑與已加工表面的摩擦。此外還可以通過刀具的斷屑槽、內冷刀具等方法，減小切削熱對零件加工品質的影響。

5 結語

薄壁零件具有質量輕，節約材料，結構緊湊等特點，廣泛被用于各種機械的結構中。雖剛性差，強度弱，工藝性差，但只要應用得當的工藝方法，就有可能大大提高薄壁零件的加工精度。

［1］王先逵.機械制造工藝學［M］.北京機械工業出版社，1995.

［2］王光斗，王春福，等.機床夾具設計手冊［M］.上海:上海科學技術出版社，1990.

［3］陳曜.金屬切削原理［M］.北京:機械工業出版社，1993.