薄壁零件的車削加工技術(shù)研究

肖利，孫朝海

(沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè) (集團(tuán))有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110032)

工程實(shí)踐中，薄壁零件通常指的是零件直徑與零件壁厚之比大于15的零件。此類零件剛性差、易變形、對(duì)切削熱敏感，而尺寸精度、形位公差往往要求嚴(yán)格，加工過(guò)程中稍不注意，極易產(chǎn)生不合格品乃至廢品。因此有必要對(duì)其加工工藝特點(diǎn)進(jìn)行研究，以保證零件合格、提高生產(chǎn)效率。

1 薄壁零件加工的特點(diǎn)及產(chǎn)生原因

因?yàn)楸诒?，零件剛性差，加工中最突出的?wèn)題就是零件變形，一旦變形量超出允許值，就導(dǎo)致不合格零件的產(chǎn)生。導(dǎo)致加工不合格的原因主要有以下幾種:

(1)夾緊定位方案不合理、夾緊力不合適，造成較大的夾緊變形;

(2)切削力造成零件局部較大變形;

(3)夾具設(shè)計(jì)不合理，造成定位誤差;

(4)切削熱導(dǎo)致零件熱變形;

(5)切削過(guò)程中的振動(dòng)造成零件表面質(zhì)量低、尺寸超差。

2 薄壁零件車削時(shí)因注意的問(wèn)題

根據(jù)上述薄壁零件容易出現(xiàn)的問(wèn)題，在薄壁零件加工時(shí)必須在選擇加工設(shè)備、制定工藝、設(shè)計(jì)夾具、進(jìn)行加工等方面對(duì)這些問(wèn)題給予充分的考慮，綜合各個(gè)因素選擇最佳的方案。

針對(duì)薄壁零件容易出現(xiàn)變形，工程實(shí)踐中往往采用以下措施:

(1)使夾緊力盡量均勻

對(duì)于一般的零件加工，三爪卡盤定位夾緊可以滿足加工需要。但是對(duì)于薄壁件而言，其加工精度和形位誤差通常要求較高，不適當(dāng)?shù)膴A緊定位會(huì)使得零件的夾緊變形量足以讓零件加工超差，因此對(duì)于薄壁零件要采用必要措施來(lái)減少夾緊變形的影響。

方法一:增加夾緊點(diǎn)數(shù)量

經(jīng)過(guò)卡盤廠商的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，多點(diǎn)夾緊是減少薄壁零件變形的有效措施。通常的方案是在三爪卡盤上配置擺動(dòng)爪，如圖1(a)所示［1］。頂爪通過(guò)銷軸與基爪連接，并可以繞軸旋轉(zhuǎn)，一個(gè)頂爪上有兩個(gè)夾緊點(diǎn)，這樣在三爪卡盤上就可以實(shí)現(xiàn)六點(diǎn)夾緊。這是一種經(jīng)濟(jì)型的方案。還可以選擇六點(diǎn)夾緊的卡盤，如雄克的ROTA NCR、ITW的6-jaw ECC等，成本要高一些。

對(duì)于軸向長(zhǎng)度較大的工件，還可以設(shè)計(jì)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)十二點(diǎn)乃至二十四點(diǎn)的夾緊，其結(jié)構(gòu)形式如圖1中 (b)、(c)所示［1］。

方法二:增加卡爪與工件的接觸面積

通過(guò)增大卡爪與工件的接觸面積，在夾緊力相同的前提下可以有效降低夾緊部位的應(yīng)力，使工件變形更小、受力更均勻。

比較簡(jiǎn)單的做法是直接在基爪上安裝幅面較寬的卡爪即所謂的扇形卡爪，安裝后對(duì)卡爪進(jìn)行自車，保證卡爪尺寸一致。需要注意的是卡爪幅面不能太大，否則過(guò)大的卡爪幅面容易使頂爪不穩(wěn)定而且?jiàn)A具與工件的貼合率無(wú)法保證。

對(duì)于尺寸較小、壁厚較薄的工件，更常見(jiàn)的裝夾方案是使用漲套。其原理是利用定位元件的彈性，通過(guò)外力作用使定位圓柱面尺寸增大或縮小，通過(guò)定位面與工件之間的摩擦力來(lái)抵抗切削抗力，實(shí)現(xiàn)工件的定位夾緊。工件與夾具接觸面積大，工件、夾具成為一個(gè)整體，提高了工件的剛度，可以對(duì)工件進(jìn)行較大余量的切削，定位精度高。但是漲套的漲緊量有限，不同尺寸的定位孔/定位直徑需要對(duì)應(yīng)不同尺寸的漲套。

圖1 多點(diǎn)夾緊卡盤

漲套的漲緊可以通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)或液壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械漲套的原理如圖2所示。通過(guò)拉桿3向下運(yùn)動(dòng)，端頭錐面將拉桿的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為漲套1的徑向變形，漲套1張開與工件2貼合，依靠漲套與工件接觸面的摩擦力使工件固定。需要注意的是必須保證錐面的接觸率，否則無(wú)法保證定位面與工件的可靠貼合。

液壓漲套采用所謂的靜壓膨脹技術(shù)，其原理如圖3所示［2］。當(dāng)擰緊螺釘時(shí)，油腔里的油壓升高，使芯軸的薄壁向外膨脹，漲緊工件定位孔;當(dāng)螺釘放松時(shí)，油腔油壓下降，在薄壁的彈性力作用下芯軸尺寸恢復(fù)，工件被放松。由于液壓力的特點(diǎn)，漲套各處變形均勻，與工件貼合緊密，因此液壓漲套精度很高。

圖2 機(jī)械漲套原理圖

圖3 液壓漲套原理

(2)改變定位夾緊方案

車削加工中，工件的定位通常是通過(guò)外圓或內(nèi)孔、用卡爪以三點(diǎn)定圓的原理實(shí)現(xiàn)。為了減少圓周(徑向)夾緊定位對(duì)工件尺寸精度的影響，可以通過(guò)改變壓緊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即改徑向夾緊為端面定位夾緊，采用端面定位壓緊的方式進(jìn)行零件加工。

此種方案的優(yōu)勢(shì)是:避免了工件尺寸敏感方向的變形，能夠通過(guò)增加端面摩擦力來(lái)增加切削抗力。缺點(diǎn)是:需要專門的定位機(jī)構(gòu)來(lái)保證工件回轉(zhuǎn)中心與主軸中心的重合。因?yàn)槿ūP三點(diǎn)可以確定圓心，圓心定位的精度決定于卡盤，無(wú)需額外的定心結(jié)構(gòu)。

比如采用磁力卡盤進(jìn)行夾緊。磁力卡盤利用磁力吸附鐵磁材料的原理實(shí)現(xiàn)工件的夾緊。由于夾緊在軸向?qū)崿F(xiàn)，工件徑向沒(méi)有變形。但是必須由人工進(jìn)行找正，效率低，零件定心精度不易保證，而且只能應(yīng)用于鐵磁性材料。為了解決磁力卡盤的定心問(wèn)題，一些卡盤廠商進(jìn)行了這方面的研究并推出了相關(guān)產(chǎn)品。比如 SAV 的 Mechatronic Chuck 224.75(圖 4(a))［3］、Schunk的ROTA NCM(圖4(b))系列，將液壓動(dòng)力卡盤和磁力卡盤結(jié)合在一起，由液壓動(dòng)力卡盤實(shí)現(xiàn)工件的定心、磁力卡盤實(shí)現(xiàn)工件的夾緊，從而解決了普通磁力卡盤無(wú)法定心的問(wèn)題，加工效率得以提高。

圖4 可定心的磁力卡盤

比如齒圈加工的專用卡盤。SMW的DFR-ABSKOMBI(圖5)是一種專門用于薄壁齒圈加工的復(fù)合卡盤，通過(guò)兩套機(jī)械結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)工件的定位和夾緊。定位機(jī)構(gòu)通過(guò)齒圈外圓或節(jié)圓實(shí)現(xiàn)徑向定位(定心)，由擺動(dòng)式鉤形壓板在軸向壓緊，避免了徑向夾緊造成齒圈圓周方向上的變形。工件裝載時(shí)，在活塞推動(dòng)下，與薄膜連接的定位爪張開，壓緊爪擺向外側(cè);零件裝載后，與薄膜連接的活塞松開，定位爪在薄膜彈力的作用下縮回實(shí)現(xiàn)工件的定位，而與壓緊爪連接的活塞則帶動(dòng)壓緊爪向內(nèi)側(cè)擺動(dòng)后拉在軸向?qū)崿F(xiàn)工件的壓緊。此種卡盤需要雙活塞油缸來(lái)分別實(shí)現(xiàn) 定位和夾緊的動(dòng)作［4-5］。

圖5 DFR-ABS-KOMBI齒圈加工卡盤

(3)調(diào)整工藝參數(shù)，減少切削力造成的工件變形

工件切削工程中，過(guò)大的切削力也可以造成工件局部變形。切削力引起的工件變形可以通過(guò)合理選擇切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)來(lái)加以控制。

高速加工是減少因工件切削力引起的變形的有效方法。較高的主軸轉(zhuǎn)速不僅有助于減少切削力，而且也可以使大部分的切削熱被切削帶走，減少切削熱對(duì)工件的影響。合理的切削參數(shù)和刀具角度也可以改變切削力狀態(tài)。一般說(shuō)來(lái)，減少切深可以減少切削時(shí)的吃刀力，能夠有效減少工件變形;較大的主偏角、稍大的前角、較小的刀尖圓弧半徑，也有助于減少吃刀力。這些參數(shù)可以在實(shí)踐中根據(jù)工件的加工要求進(jìn)行摸索總結(jié)以達(dá)到理想的加工效果，在此不再贅述。

對(duì)于因切削熱引起的工件變形，可以通過(guò)良好的冷卻、切削液的合理選擇、切削參數(shù)調(diào)整等措施加以克服，而切削過(guò)程中的顫振則可以以切削參數(shù)調(diào)整的方式減少或消除，乃至利用振動(dòng)切削以振抑振實(shí)現(xiàn)高精度切削。文中著重于夾緊方案及夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不再詳述。

3 薄壁零件加工的夾具實(shí)例

以下是已經(jīng)在工程實(shí)踐中應(yīng)用的薄壁工件的夾具實(shí)例。

軸承環(huán)的加工夾具。圖6所示是用于軸承環(huán)內(nèi)環(huán)面加工的夾具。軸承環(huán)是典型的薄壁零件，其內(nèi)外圓同軸度、圓度、端面跳動(dòng)、表面粗糙度等要求嚴(yán)格。為了保證內(nèi)外圓的同軸度，夾具通過(guò)軸承環(huán)外圓定位，并采用多點(diǎn)夾緊的方式減少夾緊力造成的工件變形。圖中，夾緊塊4每爪兩塊，形成六點(diǎn)夾緊;螺釘穿過(guò)轉(zhuǎn)軸3將頂爪2安裝在基爪1上，頂爪2可以繞轉(zhuǎn)軸3擺動(dòng)，這樣便可以保證6個(gè)夾緊點(diǎn)全部與工件接觸，避免工件受力不均產(chǎn)生變形。實(shí)際加工結(jié)果證明，該夾具可以滿足軸承環(huán)最后磨削前的硬車削要求。采用這種方案，內(nèi)外環(huán)及端面的加工需要兩臺(tái)機(jī)床完成。

圖6 六點(diǎn)夾緊的軸承環(huán)夾具

磁力卡盤也是軸承環(huán)加工中常常采用的方案。如圖7所示，在磁力卡盤4上使用磁極墊塊1，可以在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)外環(huán)及端面的三面加工，磁極墊塊通過(guò)T型塊3安裝在磁力卡盤上，可以在磁力卡盤允許范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整來(lái)適應(yīng)不同直徑的工件。使用時(shí)，對(duì)于沒(méi)有定心裝置的磁力吸盤需要設(shè)計(jì)定心裝置，還需要注意磁極墊塊高度、零件材料、零件與卡盤接觸表面粗糙度、溫度等因素對(duì)卡盤吸附力的影響，嚴(yán)格控制切削力，避免吸附力不足。由于剩磁的影響，必須對(duì)夾具的殘屑清理充分考慮［6］。

圖7 用于加工軸承環(huán)的磁力卡盤

4 結(jié)束語(yǔ)

薄壁零件的精度保證涉及到工藝制定、夾具設(shè)計(jì)、零件加工的整個(gè)過(guò)程，文中僅對(duì)薄壁件車削加工的夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中如何減少和避免夾緊變形進(jìn)行了原則上的討論。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，工件夾緊變形的分析、夾緊點(diǎn)的優(yōu)化、夾具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化甚至夾緊變形的主動(dòng)補(bǔ)償都可以借助數(shù)字化的手段實(shí)現(xiàn)，工程實(shí)踐中需要在理論分析的基礎(chǔ)上結(jié)合客觀條件和實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)薄壁零件的完美加工。

［1］DREHTUTTER Lathe Chucks［OL］.www.schunk.com.

［2］Hydraulic Expanding Chucks［OL］.www.positrol.com.

［3］Workholding for Rotary Operation［OL］.www.sav-workholding.com.

［4］Catalog 5E，SMW-autoblok.

［5］S idney Roth.Getting a grip on diaphragm chucks［OL］.www.gearsolution.com.

［6］Precision Workholding and Clamping Systems［OL］.www.sav-workholding.com.