薄壁零件加工中的超薄筒狀零件加工技術分析

蔡昊

摘 要：薄壁零件在工業領域主要是指壁厚在1mm以下的金屬材料零件，在許多工業部門中都有著非常廣泛的應用，與一般的零件相比，具有重量輕、節約材料以及結構緊湊等特點。不過，在對薄壁零件進行加工時，由于其自身的剛性差，強度不足，很容易出現變形問題，導致零件的形位誤差增大，影響加工質量。因此，對薄壁零件的加工，始終是工藝人員研究的重點。該文結合薄壁零件加工中超薄筒狀零件加工的難點及影響因素，對其加工技術進行了分析和討論。

關鍵詞：薄壁零件 超薄筒狀零件 加工技術

中圖分類號：TG5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0010-02

工業化進程的加快，帶動了社會生產力水平的提高，也使得各類機械設備得到了快速發展，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、結構剛性弱的零件，其在機械設備中往往都有著非常重要的作用，一旦出現問題，往往會造成嚴重后果。而從目前來看，雖然工藝技術人員對于薄壁零件加工的研究從未停止，但是對于超薄零件的研究卻并不多，在對超薄筒狀零件進行加工時，如何保證其加工質量，減少零件的變形，是一個亟待解決的問題。

1 超薄筒狀零件的加工難點

以某機械設備中的薄壁套筒為例，對超薄筒狀零件加工的難點進行分析。為了方便分析，將零件的一些次要特征忽略，僅僅關注其主要特征。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，內孔中心線全長要求直線度Φ0.02、圓柱度0.02；其二，內圓表面粗糙度要求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，工件的質量將難以保證[1]。

在對超薄筒狀零件進行加工時，存在著幾個難點。

（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，就可能會出現變形。在傳統的工件加工中，通常都是首先對內孔或者外圓進行加工，然后利用夾具夾持內孔加工外圓，或者夾持外圓加工內孔。這樣雖然能夠將工件牢固地固定在機床上，但是很容易導致零件自身的彈性變形，影響其尺寸和形位公差，嚴重的甚至可能會導致零件的報廢。不僅如此，在對零件進行測量時，同樣容易變形。按照一般工件的測量方法，會使用千分尺和內徑千分表分別對外圓和內孔進行測量，但是這些測量工具在測量時會產生較大的力，從而導致零件的變形。

（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，容易出現振顫和變形，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，而且內部形位精度要求相對較高，采用一般的加工工藝處理起來非常困難，無論是對加工機床還是加工刀具的綜合性能，都有著比較嚴格的要求。

（4）細節眾多：該工件內孔表面需要進行硬質陽極化處理，厚度約為0.03～0.06 mm，因此對于硬質陽極化處理前后的加工精度，要求都非常嚴格。同時，在經過硬質陽極化處理后，零件內孔和外圓的硬度會出現比較顯著的變化，使得其無論是裝夾還是加工都變得相當困難，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

在對超薄筒狀零件進行加工時，原材料的特性、加工工藝等都會對工件的加工精度產生一定影響，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，硬度相對較低，線膨脹系數大，約為鋼鐵的2.4倍。因此，在加工過程中，鋁合金產生的熱變形要遠遠大于鋼鐵，這也導致了工件形位公差的控制變得非常困難。同時，由于材料的硬度較低，在加工過程中稍不注意就可能出現劃傷，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，切下的碎屑會粘連在工件和刀具上，增大已加工表面的粗糙度。在加工時，鋼合金自身較差的剛性使得其非常容易發生變形，在與走刀垂直的方向上可能產生強烈的切削震動，一方面會影響零件自身的表面加工質量，降低精度，另一方面也會縮短機床和刀具的使用壽命。

（2）工藝系統幾何誤差。工藝系統的幾何誤差，可分為加工原理上的誤差和機床自身的誤差。其中，加工原理誤差也稱理論誤差，主要是在對工件進行加工的過程中，采用了近似的加工運動、近似的加工方法以及近似的刀具輪廓，進而產生的原始誤差；機床誤差則包括了導軌誤差、傳動鏈誤差以及主軸回轉誤差。在對零件進行加工時，上述誤差可能會通過直接或者間接的途徑，傳遞給工件，對工件的加工精度產生影響[3]。

（3）工藝系統受力變形。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，會產生相應的振動或者變形，破壞刀具與工件的相對位置，使得工件在切削加工中，容易出現波動，產生各種各樣的誤差。尤其是對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，在零件的中間以及兩端夾持部位就可能出現變形。

（4）工藝系統受熱變形。在對工件進行機械加工的過程中，受各類熱源的影響，工藝系統可能會出現復雜的變形，破壞刀具與工件的相對運動，產生加工誤差。導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生的熱量，這些熱量傳遞給工件后，會使得工件受熱變形，影響最終的加工精度。

（5）內應力。工件的加工中不僅會受到外部荷載的作用，在其內部同時也存在有內應力，內應力同樣會對工件的加工精度造成影響，尤其是切削加工產生的內應力，對于加工精度的影響非常明顯。在對工件進行切削加工時，表面層在切削力以及切削熱的共同作用下，會對工件各部分產生不同程度的塑性變形，也可能會導致零件體積的變化，產生內應力，該內應力屬于切削加工內應力，會導致工件喪失原有的加工精度。

3 超薄筒狀零件加工技術

（1）加工工藝優化。在對該套筒零件進行加工時，應該結合工件的結構特點，對加工工藝流程進行合理安排。對于技術人員而言，在對工藝流程進行安排時，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、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、時效處理以及最終的精加工。

（2）機床誤差排除。車床是對超薄筒狀零件進行加工的主要設備，而由于零件并非大批量生產，因此在加工過程中，為了提高效率，一般采用的是粗車機床與精車機床同時加工的方式。在加工前，應該使用檢驗棒檢測機床的相關指標參數，同時對誤差超出允許范圍的指標進行調整，保證機床精度，降低加工過程中的誤差，保證零件的加工質量[4]。

（3）系統剛性強化。一是對中心架進行改造。為了保證零件表面的加工質量，對工藝系統的剛性進行強化，需要對設備配套的中心架進行改造。在原本的加工設備中，中心架采用的是硬點接觸，支撐面相對較小，剛性差，在工件轉動時，較大的摩擦力會導致工件溫度升高，影響工件表面的粗糙度。而為了對接觸條件進行改善，提升加工質量，在中心架的接觸點上設置三個滾動軸承，將原本的滑動接觸轉變為滾動接觸，在增大接觸面積的同時，減少工件之間的摩擦力，改善工件的受力情況。二是對刀桿的改造。由于該零件的長度較大，在對內孔進行加工時，考慮到加工精度和加工質量，應該盡可能提升刀桿的剛性，以減少加工震動。因此，需要對刀桿進行改造，設置兩套不同直徑、不同剛性的刀桿，分別用于粗加工和細加工。

（4）合理設置參數。從零件使用的原材料特性考慮，選擇硬度高、散熱快、切削力小的硬質合金刀具，根據粗細加工的具體要求，對刀具的角度參數和切削用量進行合理設置，保證零件的加工質量。

（5）裝夾方式選擇。在對超薄筒狀零件進行加工時，為了避免卡爪在加緊工件時導致的端部變形，應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行固定，將原本三爪卡盤的三點接觸變為整圓抱緊，這樣，不僅能夠對夾緊力進行改善，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熱對于工件精度的影響，在對該工件進行加工的過程中，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量[5]。

4 結語

總之，薄壁零件的加工是零件加工中一個非常關鍵的內容，工件的尺寸不同，使用的材料不同，對于加工技術的要求也不同。在超薄筒狀零件加工中，相關技術人員應該結合工件自身的特點，明確加工中的難點問題，對可能影響加工精度的因素進行分析，采取切實有效的措施，保證零件的加工精度，確保零件性能的有效發揮。

參考文獻

[1] 左占庫.超薄壁筒狀零件機械加工工藝方法探討[J].裝備制造技術，2015（2）：28-29.

[2] 張詩軍，賴小明，梁巖里.薄壁長套筒的加工工藝方法[J].機械工程師，2010（8）：136-139.

[3] 梁齊，李延平，陳桂梅，等.薄壁套筒零件加工工藝[J].金屬加工：冷加工，2013（2）：35.

[4] 高湘，于鐵柱，謝明清.超長薄壁套筒加工工藝[J].金屬加工：冷加工，2014（14）：36-37.

[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.