薄壁零件加工方法研究

張紅

摘要：薄壁零件是數(shù)控車(chē)床中較難加工的零件，加工薄壁零件主要解決變形和精度等問(wèn)題。本文針對(duì)影響加工薄壁零件的主要因素，從薄壁零件的變形情況、薄壁零件的夾具設(shè)計(jì)、刀具幾何角度刃磨等方面展開(kāi)簡(jiǎn)述，分析了避免薄壁零件變形的方法以及提高薄壁零件加工精度的措施。

關(guān)鍵詞：薄壁零件;變形;加工精度

0? 引言

在機(jī)械加工企業(yè)中，薄壁零件的批量加工是讓數(shù)控車(chē)床操作員最為糾結(jié)和為難的一個(gè)問(wèn)題。在此以薄壁零件的加工方法為題進(jìn)行研究，結(jié)合工作以來(lái)與多家企業(yè)共同合作的經(jīng)驗(yàn)，需要從加工工藝等方面找到影響薄壁零件加工質(zhì)量的因素，為此在對(duì)刀具材料的選擇和工件的裝夾顯得更加慎重，對(duì)切削用量中的切削深度和進(jìn)給速度等都進(jìn)行反復(fù)推算，最后將編制的程序等進(jìn)行多次試驗(yàn)，最終找到解決薄壁零件加工過(guò)程時(shí)形變的辦法，確保薄壁零件的加工精度。具體設(shè)計(jì)方案如下。

1? 分析及改進(jìn)方法

1.1 影響薄壁零件加工精度的因素

1.1.1 受力發(fā)生的變形

薄壁零件由于工件本身壁薄，在進(jìn)行裝夾時(shí)會(huì)進(jìn)行加緊和壓緊操作，很容易發(fā)生彈性變形，直接引起薄壁零件表面的形狀、尺寸和位置發(fā)生變化，所以?shī)A緊力選擇的位置和支撐力選擇的位置至關(guān)重要，否則就會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力。

1.1.2 受熱發(fā)生的變形

由于工件較薄，加工過(guò)程中，工件需要克服這些材料塑性形變以及彈性形變、切削熱，這些極易引起工件熱變形，操作員難以做好工件尺寸公差的有效控制。根據(jù)大量的理論分析和測(cè)試研究可知，切削溫度對(duì)薄壁零件變形影響大。通常采用減小切削熱來(lái)避免受熱發(fā)生的變形。而切削熱可以從減小切削力出發(fā)，抑制切削溫度的上升。一般情況下加大刀具刀尖部分的散熱面積和加注足夠的切削液，可以有效減小切削熱的產(chǎn)生。

1.1.3 車(chē)削振動(dòng)發(fā)生的變形

在機(jī)械加工過(guò)程中，由于存在徑向切削力，薄壁零件很容易出現(xiàn)振動(dòng)和變形。水平面內(nèi)的徑向切削力與縱向的走刀方向垂直，在刀具和工件兩者間的抗力作用下導(dǎo)致了工件發(fā)生變形。薄壁零件因?yàn)楸诤鼙。瑢?duì)背吃刀量要求高，需要選取的比較小一些，但由于加工時(shí)產(chǎn)生的斷裂切屑，刀尖和工件間的切削抗力不斷變化，導(dǎo)致工件和刀具發(fā)生振動(dòng)。

1.2 如何提高薄壁零件的加工精度

薄壁軸套在使用數(shù)控車(chē)床加工時(shí)受到切削力的影響，工件很容易發(fā)生橢圓或者中間小、兩頭大的“腰形”現(xiàn)象;在加工中產(chǎn)生的切削熱也導(dǎo)致了零件的熱變形，很難加工出合格工件。需要從薄壁零件的裝夾定位夾具的選擇，刀具的幾何參數(shù)改變，以及編寫(xiě)的加工程序，經(jīng)過(guò)大量的反復(fù)測(cè)試，最終得出一套有效的加工方案，既提高了零件的精度，也極大的提高了生產(chǎn)效率。

1.2.1 薄壁工件特點(diǎn)

薄壁零件工藝特點(diǎn)有三點(diǎn)：一是壁厚只有1mm厚，非常薄，所用材料為45號(hào)鋼，需要考慮到工件在加工時(shí)的定位精度。二是零件車(chē)削加工時(shí)受力點(diǎn)與夾緊力作用點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)。三是切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量很容易使薄壁零件發(fā)生變形，零件尺寸和精度不好控制。

1.2.2 優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)

為了能很好的保證薄壁零件待加工表面裝夾后不產(chǎn)生裝夾變形，一般情況下薄壁回轉(zhuǎn)工件優(yōu)先采用軸向裝卡和定位方式，經(jīng)過(guò)一系列試驗(yàn)和創(chuàng)新措施，最終設(shè)計(jì)出一套可以有效防止零件變形的情況發(fā)生的方案。圖1是一套適用于常見(jiàn)薄壁零件的專用夾具，具體設(shè)計(jì)方案如圖所示。

1.2.3 合理選擇刀具幾何參數(shù)

在切削加工中，需要根據(jù)加工的材料硬度來(lái)選擇刀具的幾何角度。由于加工的是45#鋼，它的切削性能很好，前角的大小是關(guān)鍵。大的前角可以減小切削變形和摩擦，但是太大又影響刀具強(qiáng)度和散熱能力需要反復(fù)推算試驗(yàn)才可得出。

1.2.4 合理選擇切削用量

在精加工時(shí)，第一個(gè)要求是保證加工質(zhì)量，然后再考慮切削效率和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)作者實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增高，機(jī)械切削時(shí)工件越容易產(chǎn)生顫振，可以通過(guò)降低主軸轉(zhuǎn)速來(lái)減輕低振動(dòng)。

2? 加工

刀具角度的刃磨、切削參數(shù)的選擇、零件的裝夾方式以及加工過(guò)程的注意事項(xiàng)對(duì)薄壁零件加工精度都有影響。

2.1 刀具刃磨

刃磨精加工用的外圓刀和內(nèi)孔刀各一把，要求刃口必須鋒利，切削刃需要平直光潔，每把刀的刀尖倒角都為R0.2。我們這里加工的材料是45#鋼，而且用于精加工階段，因此選用的刀具材料是YT15，這種刀具材料的刃口強(qiáng)度和韌性好，很容易磨出鋒利的刃口。刀具各角度參考如表1。

2.2 切削用量選擇

2.2.1 背吃刀量ap的選擇

根據(jù)薄壁零件圖樣，外圓半精車(chē)背吃刀量ap=0.5mm，精車(chē)背吃刀量ap=0.25mm。

2.2.2 主軸轉(zhuǎn)速的選擇

精車(chē)切削速度Vc=120m/min，經(jīng)過(guò)計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速為（精車(chē)工件直徑為D=32mm）1200r/min。

2.2.3 進(jìn)給速度的選擇

編程用選用G99指令，為每轉(zhuǎn)進(jìn)給。精車(chē)時(shí)進(jìn)給量選擇為0.1mm/r。

2.3 工件的裝夾

2.3.1 內(nèi)孔加工時(shí)采用夾具裝夾

通過(guò)專用的夾具，如圖2所示夾具。在數(shù)控車(chē)床上，用三爪自定心卡盤(pán)夾住夾具1，將薄壁零件放入夾具孔1內(nèi)（注意此處夾具外緣端部有外螺紋），內(nèi)孔左邊有臺(tái)階，用于薄壁軸套的軸向定位，然后通過(guò)鎖緊螺母2（帶內(nèi)螺紋）鎖緊，螺母2起到壓緊薄壁軸套的作用，此夾具需要注意螺母的內(nèi)圈尺寸范圍在：大于薄壁軸套內(nèi)孔直徑，小于軸套外圓直徑之間，從而使螺母的內(nèi)孔可以壓住薄壁套，并且不能被車(chē)削，保證軸套在軸向的定位。加工完成后可以旋開(kāi)螺母2進(jìn)行拆卸，如果是批量生產(chǎn)，直接裝入下一個(gè)薄壁零件即可繼續(xù)加工。

在內(nèi)孔加工時(shí)還要考慮內(nèi)孔車(chē)刀的剛性問(wèn)題。一般通過(guò)增加內(nèi)孔車(chē)刀刀柄的截面積，在刃磨刀具時(shí)使內(nèi)孔車(chē)刀的刀尖與刀柄的中心線等高，這樣可以增大刀柄在孔中的截面積。另外刀柄伸出的長(zhǎng)度一般比加工的零件長(zhǎng)度大5-8mm，盡量減小切削過(guò)程中的振動(dòng)，如果太長(zhǎng)會(huì)降低車(chē)刀刀柄剛性。

2.3.2 外圓加工時(shí)采用夾具裝夾

通過(guò)專用的夾具，如圖1所示夾具。在數(shù)控車(chē)床上，用三爪自定心卡盤(pán)夾住夾具1，將薄壁軸套2直接套在夾具1上，用如圖所示的墊圈3卡放在夾具1的臺(tái)階軸上，通過(guò)鎖緊螺母4壓緊墊圈，從而薄壁套也被壓緊。

夾具1是一個(gè)臺(tái)階軸，右端部的螺紋用于鎖緊墊圈3從而固定薄壁零件。其中墊圈3的開(kāi)口設(shè)計(jì)便于拆卸用，尤其是大批量生產(chǎn)過(guò)程中，要求拆卸方便，只需要將螺母4松開(kāi)一點(diǎn)，墊圈3即可取出，薄壁套就可直接拆出。此處設(shè)計(jì)需要注意三點(diǎn)，一是墊圈3的外圓尺寸需要大于薄壁零件內(nèi)孔的尺寸小于薄壁零件外圓的尺寸，這樣的尺寸才可以將薄壁零件卡在夾具1上，限制它的軸向移動(dòng);二是墊圈3的內(nèi)孔尺寸要求不高，大于夾具1右端螺紋直徑即可;三是鎖緊螺母4的直徑需要小于薄壁零件的內(nèi)孔尺寸，這樣拿開(kāi)墊圈3才能順利將薄壁零件拿出。

2.4 加工過(guò)程

本文只講在數(shù)控車(chē)床上的精加工。

2.4.1 內(nèi)孔精加工

采用圖2所示的裝夾方式進(jìn)行裝夾，將薄壁零件放在夾具中，裝夾時(shí)夾緊力需要適當(dāng)。首先對(duì)薄壁零件的內(nèi)孔進(jìn)行半精加工，加工到Φ29.5mm，預(yù)留0.5mm精加工余量，主要考慮刀尖圓弧半徑，盡量減小徑向力避免加工時(shí)產(chǎn)生變形。最后精加工內(nèi)孔Φ30mm達(dá)圖紙要求。

2.4.2 外圓精加工

采用圖1所示的裝夾方式進(jìn)行裝夾，夾緊力應(yīng)選取適當(dāng)。對(duì)外圓進(jìn)行半精加工，精加工余量0.5mm，精加工余量取0.5主要考慮刀尖圓弧半徑，盡量減小徑向力避免加工時(shí)產(chǎn)生變形，然后精加工外圓Φ32mm達(dá)圖紙要求。

3? 加工效果

按照以上工裝，選擇對(duì)應(yīng)的刀具，經(jīng)過(guò)多個(gè)工件的試驗(yàn)車(chē)削，對(duì)加工完成的工件進(jìn)行粗糙度、尺寸及形位公差精度檢測(cè)，合格率達(dá)到97%，利用設(shè)計(jì)的工裝，效率大幅提升。

4? 結(jié)論

在反復(fù)的試驗(yàn)加工中，加深了我對(duì)薄壁類零件加工的認(rèn)識(shí)和理解。首先從加工工藝等方面找到影響薄壁零件加工質(zhì)量的因素，然后對(duì)刀具材料的選擇和工件的裝夾進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，再對(duì)切削用量中的切削深度和進(jìn)給速度等進(jìn)行反復(fù)推算等等。但是薄壁零件變化多樣，它的加工問(wèn)題仍需要我們不斷繼續(xù)努力和創(chuàng)新。

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