提高薄壁零件加工精度方法研究

谷艷豐

摘 要： 為了解決薄壁零件因強(qiáng)度差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來的難于保證加工精度的問題，作者從受力、熱變形、振動(dòng)、零件工藝性等多角度分析了薄壁零件產(chǎn)生變形的原因，并根據(jù)實(shí)際情況分析了提高薄壁零件精度的基本途徑。

關(guān)鍵詞： 薄壁零件 加工精度 工藝分析

一、引言

在現(xiàn)代化的工業(yè)制造中，薄壁結(jié)構(gòu)越來越多，尤其是航空航天、雷達(dá)通信等高精尖領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的薄壁件大多數(shù)為整體框、梁、壁板等，既要保證薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，又要盡可能地降低零件的重量，同時(shí)滿足零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和造型復(fù)雜等要求。但是薄壁構(gòu)件相對剛度和強(qiáng)度較差、結(jié)構(gòu)不規(guī)則，這就使得在制造過程中裝夾困難，零件極易發(fā)生變形，在加工過程中容易產(chǎn)程振動(dòng)、失穩(wěn)，使得加工質(zhì)量大大下降，給制造帶來極大的困難。因此，從設(shè)備的選擇、工件的裝夾、刀具的選擇、零件加工工藝分析、程序的編制等多角度出發(fā)，充分分析影響薄壁零件加工質(zhì)量的因素，找出對應(yīng)的解決措施，是提高薄壁零件加工精度的基本途徑。

二、薄壁件產(chǎn)生變形的原因

1.外力夾持

在機(jī)械加工過程中，工件受到切削力、離心力、慣性力等的作用，為了保證在這些外力作用下，工件仍能在夾具中保持已由定位元件確定的加工位置，而不致發(fā)生振動(dòng)或位移，在夾具結(jié)構(gòu)中應(yīng)設(shè)置夾緊裝置，將工件可靠夾牢。但在夾緊過程中，由于零件的結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu)，零件強(qiáng)度較低，其在夾緊力的作用下極易發(fā)生變形。例如一個(gè)薄壁套筒類零件，如果采用傳統(tǒng)的三爪卡盤進(jìn)行夾緊則造成零件的變形，圓形變形為三角形，無法保證加工的質(zhì)量。

2.切削力

在機(jī)械加工過程中，通過刀具和工件之間按照一定軌跡的相對運(yùn)動(dòng)完成切削加工，因此在切削過程中會形成刀具和和零件間的相互作用力[3]。在車削中，切削力可以分解為軸向力和徑向力，其中徑向力垂直于零件軸線，造成零件彎曲，使零件變形較大，切削后零件表面形成鼓形表面，造成嚴(yán)重的形狀誤差。在銑削過程中，如果零件的受力表面沒有足夠的支撐，同樣會造成零件變形，使得加工表面凸起，形成所謂的欠切狀態(tài)。因此，切削力是影響薄壁零件加工精度的關(guān)鍵因素。

3.熱變形

在金屬切削過程中，由于刀具和工件之間的強(qiáng)力接觸和摩擦?xí)纬杀容^嚴(yán)重的切削熱。切削熱會使工件發(fā)生嚴(yán)重的變形，對于薄壁件尤為明顯。同時(shí)熱量的積聚和增加會造成刀具的磨損加劇，最終造成零件加工精度的降低。

此外，主軸的高速旋轉(zhuǎn)也會產(chǎn)生熱量，使主軸伸長，車床中就會改變零件的加工位置，銑削中就會改變刀具的位置，但最終表現(xiàn)為工件和零件相對位置的改變，形成加工誤差，影響零件的加工精度。

4.振動(dòng)

機(jī)械加工產(chǎn)生振動(dòng)的原因有很多，主要包括機(jī)床自身結(jié)構(gòu)形成的強(qiáng)迫振動(dòng)，例如電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)的不平衡、油泵工作不平穩(wěn)等，都會引起機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)，這些振動(dòng)會影響薄壁零件的裝卡和加工工件的精度[4]。與此同時(shí)，機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生的交變力引起不衰減的振動(dòng)，會使加工產(chǎn)程變形影響零件的精度。例如在磨削過程中，砂輪對工件產(chǎn)生的摩擦?xí)疠^大的不衰減振動(dòng)，影響磨削表面的質(zhì)量。

5.加工工藝不合理

在機(jī)械加工中，加工工藝及加工方法直接影響零件的精度，不合理的加工工序和加工順序?qū)⒃斐闪慵冃屋^大，因此合理的加工工藝過程是保證零件加工變形小、提高加工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

三、提高薄壁零件加工精度的措施

1.采用專用夾具

對于薄壁零件，在加工過程中采用合適的專用夾具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通用夾具，可以改變零件的受力特點(diǎn)，主要包括受力作用點(diǎn)、受力方向、夾緊力的大小，從而降低夾緊力造成零件變形。夾具夾緊力的作用方向應(yīng)使工件變形盡可能小，夾緊力應(yīng)作用在剛度較好部位，夾緊力大小要合適[4]。例如在薄壁套類零件的切削過程中，通過專用夾具將采用三爪卡盤的徑向夾緊力改成軸向受力，可以大大提高受力強(qiáng)度，降低夾緊力變形。在要求采用徑向夾緊的工件，采用鹿皮等軟式夾緊機(jī)構(gòu)，可以加大夾緊的接觸面積，使得在同樣單位面積壓力下取得最好的夾緊效果。

2.補(bǔ)償切削

在薄壁件的加工過程中，在切削力的作用下，工件會產(chǎn)生欠切削變形，即在車削中，形成鼓形結(jié)構(gòu)，在銑削過程中，造成突起表面，因此在切削過程中可以采用特殊的加工法。例如車削中通過刀具或工件相對位置人為調(diào)整進(jìn)行欠切補(bǔ)償，銑削中通過高速加工技術(shù)進(jìn)行分層對稱銑削來控制加工精度。在許多現(xiàn)代加工中采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，可以通過一定的實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)軟件來模擬實(shí)際加工過程，從而測定零件各個(gè)部分的變形量，在變形小的地方采用大進(jìn)給量，而在變形大的地方采用小的進(jìn)給量，在進(jìn)行編程過程中，局部改變進(jìn)給量，實(shí)現(xiàn)刀具偏擺，讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償因變形而產(chǎn)生的變形，提高零件的加工精度[2]。

3.選擇合適的刀具

刀具和工件的接觸和摩擦是產(chǎn)生切削力和切削熱的主要原因，因此采用合適的刀具材料、合適的刀具角度可以大大降低切削力。通常刀具前角的大小是影響刀具鋒利程度大小的主要因素，前角越大切削變形和摩擦力越小，前角每增加一度，切削溫度及切削力會降低10%，同時(shí)刀具的振動(dòng)幅度會大大減小，有助于提高加工精度和質(zhì)量。但是前角太大，會使刀具的楔角減小，降低刀具的強(qiáng)度，并且不利于刀具散熱，使得刀具容易磨損。因此，要在刀具耐用度允許的情況下，選擇合理的刀具材料，使刀具膨脹系數(shù)小，同時(shí)選用較大的刀具前角和后角，有助于降低工件受力變形和熱變形。

4.選擇合適的切削用量

在機(jī)械加工過程中，刀具和工件間的相互作用使得切削層金屬發(fā)生彈性變形和塑性變形會產(chǎn)生一定的熱量，同時(shí)切屑與刀具之間的摩擦?xí)a(chǎn)生熱能?？v觀各種影響因素，切削速度對切削熱影響最大，在低速加工中，隨著切削速度的提高，切削溫度明顯上升，這不僅使得工件變形明顯，還造成刀具的急劇磨損，影響加工精度。然而，隨著溫度的繼續(xù)升高，切削形成的熱量反而下降，形成所謂的高速加工。在高速加工中，由于切削速度較快，熱量及時(shí)被切屑帶走，工件熱變形較小。但高速加工中主軸熱變形會導(dǎo)致機(jī)床高速主軸的伸長，因此要選擇合適的切削速度，使二者的綜合效果達(dá)到最佳。從加工角度而言，根據(jù)所選擇的設(shè)備及實(shí)際工作條件，選擇合適的切削速度可以大大降低切削熱及切削力，提高加工質(zhì)量。

此外，進(jìn)給量對切削熱也有一定的影響。在加工過程中，切削區(qū)的熱量主要積聚在切屑中，因此應(yīng)該使用連續(xù)的進(jìn)給和高速進(jìn)給，連續(xù)進(jìn)給可以防止刀具在某一位置停留，以免造成工件局部過熱。在高速進(jìn)給過程中，隨著不斷的斷屑，熱量被切屑帶走，來不及傳給工件，工件基本上不受切削熱的影響，因而避免了熱變形。

5.合理選擇機(jī)床

在加工過程中，加工設(shè)備的穩(wěn)定性直接影響零件的加工精度，因此，選擇加工性能好、剛度大、熱穩(wěn)定性好的機(jī)床是提高零件精度的首要條件。在機(jī)床的使用過程中要注意采用散熱、通風(fēng)或間歇加工等方式，盡可能地使機(jī)床工作于熱平衡狀態(tài)，使機(jī)床不受溫度的影響。

6.進(jìn)行合理的工藝設(shè)計(jì)

零件工藝設(shè)計(jì)主要包括：工序的劃分、加工順序的確定、進(jìn)給路線的確定。薄壁零件加工工藝的重點(diǎn)應(yīng)著眼于零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用粗加工和精加工來劃分工序，即先進(jìn)行粗加工，然后進(jìn)行精加工。這種加工方法便于薄壁零件在加工過程中穿插時(shí)效處理，校正工序和調(diào)整夾緊力，使零件的殘余應(yīng)力得以釋放，變形最小。在加工順序安排上，應(yīng)先加工基準(zhǔn)表面、主要表面，先粗加工后精加工。進(jìn)給路線要合理安排起刀、換刀和運(yùn)動(dòng)疊加，既要滿足刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡要求，又要保證刀具的磨損最小，工件變形最小。零件的工藝設(shè)計(jì)是個(gè)非常復(fù)雜的問題，合理設(shè)計(jì)有助于提高零件的加工精度。

7.選擇適當(dāng)?shù)那邢饕?/p>

在加工過程中形成大量的切削熱，除了通過切屑帶走，還可以通過冷卻液方式進(jìn)行處理。根據(jù)零件材料和刀具材料的不同可以采用不同的冷卻液，例如采用高速鋼刀具精加工時(shí)，可以采用水溶液，加工鑄鐵時(shí)采用非水溶性切削液[5]。同時(shí)，不同的加工方法要選擇不同的切削液，例如在精車過程中，選擇高濃度的乳化液或油性切削液。而銑削是斷續(xù)切削，每個(gè)刀齒的切削深度持續(xù)變化，加工中振動(dòng)和沖擊力較大，產(chǎn)生大量的切削熱，因此高速銑削時(shí)，需用冷卻性好并有一定潤滑性能的切削液。

四、結(jié)語

本文分析了薄壁零件的變形原因，并提出了減小薄壁零件變形的基本途徑，可以在薄壁零件的加工過程中充分考慮各個(gè)因素所占有的權(quán)重，合理處理每個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)，從零件的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精度要求、性價(jià)比等多角度出發(fā)，合理地控制變形量，提高零件的加工精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚榮慶.薄壁零件的加工方法[J].機(jī)床與液壓，2007（8）.

[2]白麗艷.淺析影響薄壁零件加工精度的因素及其工藝措施[J].機(jī)電信息，2012（30）.

[3]麻東升.影響薄壁零件加工精度的因素及工藝措施[J].河北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（12）.

[4]林中.提高薄壁零件加工精度的探討[J].機(jī)電技術(shù)，2008（2）.

[5]安潤喜.不同加工方法切削液的選擇[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2006（8）.

本項(xiàng)目為沈陽工程學(xué)院校內(nèi)科研項(xiàng)目研究論文

項(xiàng)目名稱：薄壁構(gòu)件加工變形研究及應(yīng)用

項(xiàng)目編號：LGYB-1307