某類薄壁非圓零件的加工

郭康康

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621000）

1 非圓套筒零件精加工的情況

在機械加工企業(yè)中，薄壁件最不易加工，主要是由于加工時產(chǎn)生的切削應(yīng)力，加上零件本身剛性不足，這樣就導(dǎo)致零件變形難以控制，無法較好地保證零件質(zhì)量，所以解決零件變形的根本方法還是盡可能減少切削應(yīng)力。在經(jīng)過多次的機械加工實驗當中，加工中心屬于斷續(xù)加工，在加工薄壁件時一方面加工應(yīng)力大，另外就是加工刀具受刀具長度的限制，加工時產(chǎn)生的震動和應(yīng)力較大，車床屬于連續(xù)加工，加上刀具的刃磨比較靈活，更有利于減小加工應(yīng)力，加工后零件的表面質(zhì)量和尺寸精度都比較高。非圓套筒是較難加工零件，其尺寸要求嚴格，如圖1所示。工件材料為不銹鋼（304），長度為160 mm，且壁厚較薄，只有2 mm，由于工件剛性較差，在精加工時會存在以下幾種情況。

圖1 非圓套筒

（1）在切削力（尤其是徑向切削力）的作用下，工件容易產(chǎn)生震動和變形，影響工件的尺寸精度，形狀精度，和表面粗糙度。

（2）在夾緊力的作用下，工件由于定位面平面度和夾緊力不均勻共同影像下，導(dǎo)致工件在還未切削的情況下已經(jīng)造成了變形，導(dǎo)致加工時吃刀量不均勻，從而產(chǎn)生的變形量也無法保證，無法保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）在切削液影響下，零件在加工時會產(chǎn)生一定的加工熱量，加上零件屬于薄壁件，加上熱膨脹系數(shù)，零件在口部和末端會出現(xiàn)不同的變形量。普通的水基切削液對零件加工時的潤滑效果不好，會加快刀具的磨損，增大工件和刀具之間的摩擦力，嚴重影響表面粗糙度。

（4）在加工方式的影響下，普通加工方式主要分為車削加工、銑削加工、磨削加工、電加工（線切割和電火花）。

車削加工時加工回轉(zhuǎn)類圓形零件，車削屬于連續(xù)加工，加工時產(chǎn)生的震動和切削力較小，適合薄壁零件加工。在帶有Y 軸和C 軸的車削中心可以實現(xiàn)非圓零件的插補運動，因此也可以采用車削加工此零件。

銑削加工屬于斷續(xù)加工，產(chǎn)生的震動和切削應(yīng)力較大，加上零件較深，銑刀越長在刀尖位置刀具的跳動越大，產(chǎn)生的震動越大，因此不太適合此類零件的加工。

磨削加工一般適用于精度較高的平面，如軸、孔此類零件的加工，本零件較薄屬于非圓零件，磨削加工不易實現(xiàn)。

電加工在加工此零件主要存在的問題就是裝夾問題，加上零件較深線切割的電絲會造成磨損，導(dǎo)致上下尺寸不一，而且加工時間較長，因此不作為首選加工方案。

綜合考慮還是選用在帶Y 軸的車削中心上精加工此零件。

為保證工件的精度，應(yīng)從裝夾方式、刀具選用，選擇合適的冷卻方式、加工方式等4個方面來考慮。

2 零件粗加工

在解決精加工遇到問題之前，前期的工藝安排如下。

零件粗加工（加工中心單邊留量2 mm）——熱處理（消除粗加工應(yīng)力）——半精加工（單邊留量0.5 mm）——熱處理（消除二次應(yīng)力）——精加工。

裝夾方式（粗加工和半精加工），粗加工和半精加工設(shè)備都選用加工中心進行加工，因為不用太考慮零件變形（可控范圍），零件在加工時采用內(nèi)外壓緊的方式，如圖2、圖3所示。

圖2 加工外形面裝夾圖

圖3 加工內(nèi)型面裝夾圖

3 零件精加工

3.1 加工刀具選擇

精加工刀具選擇鋒利型刀片，材料為硬質(zhì)合金，外圓刀和內(nèi)孔刀采用較大的前角和主偏角，刀尖圓弧選用R0.2 mm，如圖4所示。

圖4 精加工刀具

3.2 冷卻液選擇

精加工選擇合適的切削液可以提高零件的加工質(zhì)量和效率，在套筒加工時選擇的是植物菜籽油和汽油的1：1混合液，這樣可以降低菜籽油的粘度，由于汽油有足夠的揮發(fā)性，可以更好地帶走切削熱，菜籽油還可以起到潤滑的作用，可以獲得較好的表面質(zhì)量。

3.2.1 加工方式（精加工程序編制）

精加工內(nèi)程序如下（加工外程序方式一樣）：西門子數(shù)控系統(tǒng)

半徑編程（DIAMOF）；

接通C4軸（GETD C4）；

選擇平面，選擇工件坐標系（G17G54）；

激活刀具補償（TOWSTD）；

調(diào)用1號刀（T=1）；

G0G90G64X40Y0Z100；

C4=0；

CYCLE832（0.005，1，1）；公差值 0.005 mm，加工方式為精加工；

刀尖基準點、中心軌跡上的恒定進給（CFTCP）；

FGROUP（X1，Y1，Z1，C4）確定軸和軌跡進給率，使線性軸和回轉(zhuǎn)軸速度保持一致。

R1=0；變量r1賦值，Z 值。

R10=3000；切削速度

G94 G1 X65 Y0 Z50 F=R10

ABC：

G1 Y20 Z=R1 F=R10

G2 x65 y-20 C4=DC（180）CR=20 F=R10；

XY 為繞著圓弧旋轉(zhuǎn)后的圓心坐標，C4為旋轉(zhuǎn)角度，CR為圓心到幾何中心的直線距離。

G1 Y20 F=R11

G2 x65 y-20 C4=DC（180）CR=20 F=R10

G1 Y0 F=R11

R1=R1-0.05

IF R1＞=-160 GOTOB ABC

G1 Y0 Z=R1+0.05 F=R11

G0 X40 Z100

M1=5

M30

為了減小切削應(yīng)力和震動，加工時應(yīng)當減小背吃刀量和走刀量。Vc=20 m/min，f=0.07 mm/r，ap=0.05-0.08 mm。

3.2.2 裝夾方式

零件先精加工外形面，才用的裝夾方式和半精加工一樣采用壓裝工件內(nèi)型面，加工時找正工件中心，以40 mm 直邊作為基準方向，在壓裝工件之前，應(yīng)將工裝底平面見光保證其平面度，然后在將零件基準面進行研磨，保證其平面度在0.01 mm 以內(nèi)。在工裝上銑削對應(yīng)的零件形狀的止口，保證其完全定位。

在加工零件內(nèi)型面時，由于零件壁厚此時已經(jīng)比較薄，如果受力過大會造成零件變形，為了解決這一問題，必須對零件的外形面進行輔助支撐，銑削3個和零件型面一致的套環(huán)，用速干膠粘結(jié)在零件的外表面，然后在用壓板壓裝套環(huán)進行定位，如圖5、圖6所示。

圖5 輔助套環(huán)粘結(jié)

圖6 內(nèi)型面裝夾圖

4 結(jié)束語

薄壁零件廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)，車削薄壁零件的關(guān)鍵是要防止變形。引起零件變形的因素在實際車削中主要有切削力、夾緊力、切削熱、定位誤差和工件彈性變形等，對工件加工精度影響最大的是夾緊力和切削力。此類薄壁零件在加工時主要就是考慮切削應(yīng)力和震動，在加工圓形薄壁零件也是如此，選擇比較鋒利的刀具和較小的刀尖半徑，以及較低的切削速度，以及較小的背吃刀量和進給量，因為在壁厚較薄時較高的切削速度，會引起更高的震動頻率，這樣在加工時刀具會和零件產(chǎn)生較大的共振，造成工件表面質(zhì)量不好，同時也加速了刀具的磨損，嚴重時甚至崩刀。其次就是選擇良好的冷卻方式，在選擇加工方式時，應(yīng)選擇合適的設(shè)備。在加工非圓套筒時選用了西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)的帶Y 軸的車削中心，最終實現(xiàn)了零件的合格加工。