淺析薄壁類零件加工

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽,550009)

1 前言

航空航天工業中廣泛使用薄壁件，日常加工過程中不可避免地會遇到薄壁類零件，如繼電器中骨架，襯套等。這類零件雖然結構相對簡單，但加工過程中也暴露了很多問題。如何有效地解決產生的問題，成功地提高該類零件合格率是今后工作中重要方向之一。

一般認為，在殼體件、套筒件、環形件、盤形件、平板件、軸類和特殊形狀的零件中，當壁厚與內徑曲率半徑(或輪廓尺寸)之比小于1:20時，稱作薄壁零件。薄壁零件具有重量輕、節約材料、結構緊湊等優點，但其在加工中由于外形協調要求高，零件外廓尺寸相對截面尺寸較大，加工余量大，相對剛度較低等原因導致加工工藝性差，故多年來，薄壁零件一直存在加工變形、精度低等問題。

2 影響薄壁零件加工精度的因素

加工精度是零件加工后的實際幾何參數(尺寸、形狀和位置)與理想幾何參數相符合的程度。薄壁零件加工中主要問題即加工變形問題，產生原因很多，與零件材料，零件結構以及生產條件等都有很大關系，主要表現在以下幾個方面：

2.1 毛坯因素影響

薄壁零件材料選擇范圍較廣，根據實際產品加工毛坯可以為塑料、不銹鋼等材質。塑料、鋁等材料自身剛性較低，加工過程中極易發生變形；同樣，毛坯本身的形狀誤差，加工后也會映射到成品上。

2.2 切削熱及切削力的影響

零件在加工過程中在切削力的作用下，將在各個受力方向產生相應變形，但影響最大的是誤差敏感方向。車加工中，薄壁零件誤差敏感方向主要為徑向。車刀加工過程中對側壁產生擠壓，導致加工過程中受力部分變形。薄壁零件的銑削加工主要采用立銑，我公司銑床也以立銑為主。零件在切削力的作用下，工件的側邊會發生“讓刀”的現象。如圖1所示，薄壁零件上部剛性差，在加工過程中受切削力的作用產生彈性變形，A、C兩點發生偏移，刀具僅僅切除A1、B、C、D部分的材料。加工完成后，零件彈性恢復，加工過程中的讓刀產生殘留部分造成加工誤差。而對于薄板的銑加工，雖然加工中采用了真空吸盤，但在切削力的作用下，刀具和薄壁件的切削屏幕都不在正確位置上。

圖1 讓刀變形示意圖

加工過程中，加工系統內部的摩擦熱、切削熱和外部的環境溫度、陽光輻射等都會對零件產生影響。機床在加工過程中受熱會導致主軸熱變形，漸而影響加工精度。切削熱是造成薄壁零件加工熱變形的主要因素。切削速度、進給量都會影響切削熱。因工件較薄、切削熱會引起工件熱變形，從而使工件尺寸難以控制。對于線膨脹系數較大的金屬薄壁工件，如在一次安裝中連續完成半精車和精車，由切削熱引起工件的熱變形，會對其尺寸精度產生極大影響，有時甚至會使工件卡死在夾具上。

2.3 裝夾的影響

零件必須裝夾在機床上才能進行加工，裝夾過程中產生的夾緊力對薄壁零件的影響也比較明顯。夾緊力發生在零件與夾具的接觸區域上。理想的夾具不應該產生任何變形，但薄壁零件剛性不足，且多數情況想，夾具的制造或設計不合理。因此，工件在夾緊力作用下發生變形。

除了以上這些因素外，加工中產生的殘余應力、機床自身剛度等都會對薄壁零件加工產生影響。薄壁零件加工中易受加工因素根本原因主要還是自身剛性不足，零件彈性變形造成。如圖2影響薄壁件加工的因素簡圖：

圖2 影響薄壁件加工的因素

3 提升薄壁零件加工質量的方法

通過分析可得影響薄壁零件加工精度的因素歸根結底有一下三方面：1.加工過程中受力變形：薄壁零件因自身剛性差，加工過程中易受切削力，夾緊力等的影響，導致零件變形無法達到加工精度；2.受熱變形：因零件壁薄，切削熱引起零件熱變形，使得加工過程零件尺寸難以控制；3.振動變形：零件在加工過程中，在切削力(特別是徑向切削力)的作用下，很容易產生振動變形，此外機床自身剛度不好產生的振動也導致零件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度無法達到要求。

針對以上三點，我們可以采取下列措施來控制薄壁零件加工：

3.1 提高零件剛度

薄壁零件自身剛度不足是造成加工難度大、精度差的主要原因。所以，提高薄壁零件剛度是消除工藝系統變形和振動、提高薄壁零件加工精度的關鍵。設計人員在涉及到薄壁零件的設計時，可以在不影響產品性能的條件下，在零件剛度較差的地方適當增加工藝肋或者增加熱處理要求改變材料性能從而達到提高剛度的目的。

薄壁零件剛度差的根本原因是由于零件壁薄，也可以從工藝角度考慮增加壁厚，從根本上解決，提升零件剛度。工藝上經常采用膠粘、澆灌等方法來增強零件剛性和緊固零件。常用的增加壁厚方法：1.澆灌石蠟；2.澆灌石膏；3.應用低熔合金等。除了以上方法以外，加工中還應用明礬、低融塑料。在某些特使零件加工的中，還有應用硫磺、松香等材料的情況。近幾年俄羅斯使用一種尿素樹脂聚合物，零件加工中作為增強剛性的材料。該聚合物是由96%的尿素樹脂和4%的硫酸鉀組成。熔融溫度134～140°。該種材料固化迅速,剛性好,粘結力強,溶解速度快,價格便宜等優點。可局部或整體地增強非剛性零件的剛性。加工完畢后,把零件加熱或放入水中,聚合物可自行與零件脫開。但在加工中,不能用水劑冷卻液。

3.2 合理安排工藝路線

薄壁零件加工過程中難免變形，應著力分析、研究和掌握其變形規律，從而分離出加工中的難點針對性的解決變形問題確保零件最后合格。零件一般的加工階段可以劃分為：毛坯準備-粗加工階段-精加工階段。對于易受切削力和夾緊力影響的薄壁零件，可以在粗、精加工之間增加一次或數次半精工，也可以適當增加時效處理工序。根據零件結構的不同，應采用合適的加工順序。

圖3 某薄壁類零件

圖3中的某個薄壁類零件，其材料為聚四氟乙烯。零件的單邊壁厚較小，僅0.35mm，加工中由于夾持等外力因素影響容易造成零件變形。該零件加工時可以先加工一芯軸，骨架加工時先加工內孔，然后在加工時利用芯軸固定骨架，再加工骨架外圓達到要求。采用用芯軸做輔助支撐，再加工外圓的方法能有效避免切削力引起的變形。

3.3 適當的裝夾

對于薄壁零件和其他一些很難找到合適夾緊點的零件，可以采取以下措施減小加緊變形：(1)增加輔助夾緊點和輔助支撐；(2)增加壓緊件接觸面積和分散著力點；(3)利用對稱變形加工零件；(4)對于極薄的零件，可以設計專用的夾具加工。對于采用三爪卡盤加工的零件，可以對卡盤進行適當改進。將三爪卡盤的徑向夾緊接觸由線接觸變為面接觸，同時增加接觸長度，使夾緊力均勻分布在工件上，減小工件變形。

除了上述方法外，切削過程中還應采用合理的切削用量控制薄壁零件的變形，如在粗加工中，背吃刀量和進給量取大些；精加工時，背吃刀量取小些。此外，精加工時盡量采用較高的切削速度，但不宜過高。合理選擇冷卻液，加工過程中冷卻充分，這樣也能有效減小零件的熱變形，提高零件加工精度。薄壁零件加工中應多采用先進的加工技術，如高速切削加工，3D打印技術。高速切削加工現已應用于薄壁零件加工中，其有切削效率高、精度高、切削力小、無飛邊毛刺，切屑易處理等優點。

4 總結

薄壁零件應用廣泛，加工中稍不注意極易造成零件加工報廢。通過對其加工過程影響因素進行分析，結合日常加工實際。總結出常用的解決薄壁零件加工難度大，易變形的問題，能夠為機械加工提供某些解決該類零件加工的思路。

[1] 王志厚.薄壁零件加工中防止變形的措施.[J].寶成技術，1991.

[2] 林中. 提高薄壁零件加工精度的探討. [J]機電技術，2008.

[3] 梁炳文. 機械加工工藝與竅門精選. [M].北京機械工藝出版社,2004.

[4] 曾志新,呂明. 機械制造技術基礎. 武漢理工大學出版社,2010.