薄壁零件加工精度的影響因素及工藝措施探析

彭成民，羅剛，趙平

(四川宜賓普什模具有限公司，四川 宜賓 644007)

在實(shí)際應(yīng)用中，薄壁零件基本上都會(huì)應(yīng)用在重要的位置，再加上其本身剛度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及形狀特殊等特點(diǎn)，所以，在實(shí)際的加工之中對(duì)于加工的精度有著極高的要求。在實(shí)際的加工過(guò)程中，薄壁零件出現(xiàn)變形是非常嚴(yán)重的，需要相關(guān)人員針對(duì)性的進(jìn)行處理。所以，本文就薄壁零件加工精度影響因素以及工藝措施進(jìn)行探討。

1 影響薄壁零件加工精度的主要因素

就薄壁零件加工精度而言，對(duì)于加工精度產(chǎn)生影響的主要因素具體見圖1所示。

圖1 影響薄壁零件加工精度的主要因素

通過(guò)實(shí)際的分析，本章節(jié)主要是針對(duì)受力、受熱以及受振3個(gè)方面進(jìn)行探討。

1.1 受力發(fā)生的變形

薄壁零件本身的壁非常的薄，一旦夾緊力超過(guò)其限制，就容易出現(xiàn)變形，進(jìn)而對(duì)工件形狀精度以及尺寸精度帶來(lái)一定的影響。所以，在薄壁零件加工中，不僅需要確保工件的高精度定位，同時(shí)還需要考慮到裝夾本身的可靠性。由于薄壁零件本身較薄，其受力點(diǎn)距離夾緊力作用點(diǎn)偏遠(yuǎn)，再加上細(xì)牙螺紋的加工，導(dǎo)致薄壁零件受力較大，再加上剛性不足，就可能出現(xiàn)晃動(dòng)。因此，通過(guò)三爪卡盤對(duì)于外緣進(jìn)行夾持，實(shí)施加工相對(duì)困難，其采用撐內(nèi)孔裝夾方法，這樣就很難進(jìn)行加工[1]。

1.2 受熱發(fā)生的變形

在加工零件中，需要克服材料塑性形變以及彈性形變，并且還需要將刀具和工件摩擦產(chǎn)生的功大部分轉(zhuǎn)化成為切削熱，這樣會(huì)導(dǎo)致零件出現(xiàn)受熱不均勻的情況，進(jìn)而引發(fā)薄壁零件變形。由于薄壁零件本身很薄，再加上環(huán)境溫度、切削熱、派生熱源等帶來(lái)的影響，就無(wú)法做好工件尺寸的有效控制。

1.3 振動(dòng)發(fā)生的變形

薄壁零件在加工中，因?yàn)樽冃慰赡軙?huì)引起振動(dòng)，在振動(dòng)中又會(huì)加劇工件的變形，所以兩者之間存在緊密的聯(lián)系。在機(jī)械加工中，會(huì)出現(xiàn)自激振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)以及自由振動(dòng)。而在3種振動(dòng)之中，自激振動(dòng)占據(jù)的比例較高，大約達(dá)到65%。在切削力作用下，很容易出現(xiàn)振動(dòng)和變形的現(xiàn)象，尤其是徑向的切削力，會(huì)影響到工件的表面粗糙度、形狀、位置精度、尺寸精度等。如果幾何參數(shù)沒(méi)有選擇恰當(dāng)，也很容易出現(xiàn)振動(dòng)的現(xiàn)象。如主偏角大于90°、副偏角偏小等問(wèn)題。在薄壁零件加工出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象的時(shí)候，雖然使用相同的刀具幾何參數(shù)、相同機(jī)床、裝夾、切削量等，針對(duì)相同的材料零件、相同形狀零件，選擇相同的切割方式，其造成的振動(dòng)也會(huì)有所不同，這樣也會(huì)進(jìn)一步增加加工零件的精度難度。

另外，如果切削流向正確，這樣就會(huì)擠塞在刀具以及工件之間，進(jìn)而引起薄壁零件的變形。如果操作方法不當(dāng)，在精加工之前沒(méi)有釋放變形，或者是精車的過(guò)程中出現(xiàn)較大的切削量，這樣也可能會(huì)造成薄壁零件的變形[2]。

2 提升薄壁零件加工精度的工藝措施

2.1 選擇合理的工藝路線

針對(duì)薄壁零件，研究、分析與掌握其變形規(guī)律，就成為薄壁零件加工工藝改善的關(guān)鍵，同時(shí)也需要從整體工藝入手，解決變形問(wèn)題，確保工序的加工質(zhì)量。在零件加工之中，按照實(shí)際的情況，還需要將精加工和粗加工之間的半精加工的次數(shù)增加，這樣也可以消除切削力、夾緊力帶來(lái)的應(yīng)力以及本身的零件殘余應(yīng)力，最終在進(jìn)行精加工之前，發(fā)現(xiàn)并且處理變形零件，這樣就可以確保產(chǎn)品零件本身的行位公差精度以及尺寸精度，并且還有利于零件在裝配、存放以及調(diào)試中形位和尺寸的精度穩(wěn)定性。針對(duì)不夠完善、成熟的工藝方法，還需要利用對(duì)應(yīng)的工藝試驗(yàn)來(lái)做好強(qiáng)化與改進(jìn)，從而進(jìn)一步完善工藝方法，工藝試驗(yàn)的內(nèi)容其主要包含了存放數(shù)天的零件精度變化進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比與測(cè)量等。在選擇零件和夾具定位基準(zhǔn)以及夾緊方式的時(shí)候，必須要慎重的考慮，并且注意各個(gè)工序定位基準(zhǔn)能夠保持相互的一致。同時(shí)，針對(duì)加工余量進(jìn)行合理的分配，必要時(shí)還應(yīng)該將定位基準(zhǔn)的尺寸以及形狀公差精度提高。

2.2 提高零件的剛度

考慮到薄壁零件本身的剛度較差，在加工之中存在較大難度，所以，想要提升工件的加工精度，就需要提升薄壁零件的剛度。在設(shè)計(jì)完零件之后，零件本身的剛度是不會(huì)出現(xiàn)變化的，如果不采取任何特殊工藝，就無(wú)法提升工件的結(jié)構(gòu)剛度。另外，對(duì)于薄壁零件剛度產(chǎn)生影響的因素有很多，如夾緊形式、加工定位、夾緊力、工裝等等。那么，在工藝系統(tǒng)中，薄壁零件的位置是否合適、夾緊的方式是否恰當(dāng)，切削用量和切削方法是否恰當(dāng)，都會(huì)直接關(guān)系到薄壁零件的剛度。另外，想要提升工件的剛度，還需要采用增加壁厚的方式，通過(guò)澆灌、膠粘等，都可以幫助零件增強(qiáng)其剛性和緊固零件[3]。

2.3 適當(dāng)?shù)难b夾

零件的裝夾能夠穩(wěn)定的固定工藝，一般在平面定位之中選擇3點(diǎn)，定位點(diǎn)還需要擁有一定的強(qiáng)度，才可以滿足夾緊力的承受需求。基于不同的角度，其定位要求也會(huì)有所差異，從定位的精度和穩(wěn)定性進(jìn)行考慮，其接觸面越小越好；但是如果是從夾緊力的功能進(jìn)行分析，那么接觸面應(yīng)該偏大一點(diǎn)，這樣才能用較小的單位面積壓力來(lái)獲取最大的摩擦力。在進(jìn)行精密加工的時(shí)候，夾緊力和夾緊機(jī)構(gòu)都需要按照實(shí)際的切削力來(lái)加以確定。針對(duì)零件本身的定位以及夾緊機(jī)構(gòu)，都需要做好具體的分析，同時(shí)考慮到刀具本身對(duì)于零件施加的力，預(yù)計(jì)工件變形的力的作用方向和大小，如徑向上不受力，就是最佳的薄壁環(huán)形工件加工狀態(tài)。

2.4 運(yùn)用高速切削的方式

相比常規(guī)的切削速度，高速切削會(huì)達(dá)到5～10倍。在高速切削的時(shí)候，隨著速度的不斷加快，其切削力和溫度都會(huì)明顯的提高，但是如果超出允許范圍，就會(huì)降低其切削速度，如圖2所示。

圖2 高速切削區(qū)域劃分

圖2中，A表示常規(guī)切削；B表示不能切削；C表示高速切削。

相比之下，進(jìn)行高速切削的薄壁零件，其本身具有一定的優(yōu)勢(shì)：

第一，減少零件本身加工出現(xiàn)的變形。由于高度切削的切削寬度深度偏小，所以，相比日常切削，會(huì)進(jìn)一步減小切削力，這樣也能滿足零件加工精度的要求。

第二，適當(dāng)?shù)慕档土慵邢髡饎?dòng)。選擇高速切削，會(huì)存在較高的激振頻率，這樣就會(huì)超出零件結(jié)構(gòu)工藝系統(tǒng)本身的激振頻率范圍，能夠符合平穩(wěn)切削的實(shí)際要求，并且也符合零件加工對(duì)于精度的要求。

第三，減少零件本身的受熱變形。利用高度切削，切削會(huì)直接帶走超過(guò)90%的切削熱，這樣不僅會(huì)控制零件的熱變形，同時(shí)也能夠滿足零件加工的精度需求。總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)高速切削加工的模式，就可以進(jìn)一步提升常規(guī)切削加工的效率，使得單位時(shí)間之內(nèi)的切除率提升3～6倍，這樣不僅可以滿足加工的需求，同時(shí)也可以推動(dòng)零件朝著薄壁化的方向進(jìn)一步發(fā)展。

2.5 合適的切削力

在切削加工的時(shí)候，刀具出現(xiàn)的切削力主要是幾個(gè)分力來(lái)共同形成空間合力，這樣會(huì)對(duì)零件產(chǎn)生較大的影響。在進(jìn)行加工的時(shí)候，也會(huì)出現(xiàn)零件的變形和震動(dòng)。被加工的材料硬度、刀具幾何形狀、切削用量、冷卻潤(rùn)滑液等都會(huì)對(duì)切削力帶來(lái)影響。同時(shí)，刀具的幾何角度也會(huì)對(duì)切削力大小造成影響。一般來(lái)說(shuō)，會(huì)影響刀具前角的鋒利度以及切削變形。隨著切削變形以及摩擦力的進(jìn)一步減小，同時(shí)也會(huì)減小切削力。但是如果前角較大，那么就會(huì)減小刀具本身的楔角，進(jìn)而出現(xiàn)刀具強(qiáng)度和散熱減弱的情況，最終導(dǎo)致刀具出現(xiàn)磨損[4]。

2.6 適當(dāng)?shù)那邢饕?/h3>

利用高速鋼刀具進(jìn)行精加工，就可以利用水溶液將切削過(guò)程之中的切削熱進(jìn)行處理。另外，在進(jìn)行精加工的時(shí)候，還可以選擇具有良好潤(rùn)滑性的極壓切削油或者是高濃度的極壓乳化液，這樣就可以對(duì)加工表面的狀況進(jìn)行改善，并且進(jìn)一步提升切削質(zhì)量，這對(duì)于刀具的使用壽命也可以產(chǎn)生一定的幫助。在粗加工的過(guò)程中，需要使用切削液，防止出現(xiàn)粘刀的問(wèn)題，也可以直接將低濃度的乳化液或者是水溶液連續(xù)性的澆注在切削零件上，從而滿足切削熱的降低，最終提升加工質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在進(jìn)行薄壁零件加工的時(shí)候，因?yàn)楸旧淼恼w尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上壁厚較薄，這樣就很容易在加工之中出現(xiàn)變形，進(jìn)而影響加工的精度。為了能夠有效的控制零件變形，就需要做好相應(yīng)的校正。考慮到薄壁零件本身獨(dú)特性，就需要采取一系列有效的方法，這樣才可以滿足加工精度的要求。