現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝及精密加工技術(shù)探討

摘 要：精密加工就是在超精密機(jī)床設(shè)備上，利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴(yán)格約束的相對(duì)運(yùn)動(dòng) ，對(duì)材料進(jìn)行微量切削，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過(guò)程。當(dāng)前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度小于 0.025μm，以及所用機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于 0.01μm 的加工技術(shù)，亦稱(chēng)之為亞微米級(jí)加工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；精密加工；技術(shù)

一、前言

精密鑄造成形、精密模壓成形、塑性加工、薄板精密成形技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家受到高度重視，并投入大量資金優(yōu)先發(fā)展。20世紀(jì) 70 年代美國(guó)空軍主持制訂“鍛造工藝現(xiàn)代化計(jì)劃”，目的是使鍛造這一重要工藝實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，更多地使用CAD/CAM，使新鍛件的制造周期減少。1992年，美國(guó)國(guó)防部提出了“軍用關(guān)鍵技術(shù)清單”，其中包含了等壓成型工藝、數(shù)控計(jì)算機(jī)控制旋壓、塑變和剪切成形機(jī)械、超塑成型 / 擴(kuò)散連接工藝、液壓延伸成型工藝等精密塑性成型工藝。

國(guó)外近年來(lái)還發(fā)展了以航空航天產(chǎn)品為應(yīng)用對(duì)象的“大型模鍛件的鍛造及葉片精鍛工藝”、“快速凝固粉末層壓工藝”、“大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件強(qiáng)力旋壓成型工藝”、“難變形材料超塑成形工藝”、“先進(jìn)材料（如金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等）成形工藝”等。我國(guó)的超塑成形技術(shù)在航天航空及機(jī)械行業(yè)也有應(yīng)用，如航天工業(yè)中的衛(wèi)星部件、導(dǎo)彈和火箭氣瓶等，采用超塑成形法制造偵察衛(wèi)星的欽合金回收艙。與此同時(shí)，還基本上掌握了鋅、銅、鋁、欽合金的超塑成形工藝，最小成形厚度可達(dá) 0.3mm，形狀也較復(fù)雜。此外，國(guó)外已廣泛應(yīng)用精密模壓成形技術(shù)制造武器。常用的精密模壓成形技術(shù)，如閉塞式鍛造、采用分流原理的精密成形及等溫成形等國(guó)外已用于軍工生產(chǎn)。目前，精密模壓技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用還較少，精度也較差，國(guó)外精度為±0.05～0.10mm，我國(guó)為±0.1～0.25mm。

二、典型薄壁零件的加工技巧

（一）加工問(wèn)題的提出

薄壁零件的加工屬機(jī)械加工中比較棘手的問(wèn)題，內(nèi)外橢圓薄壁零件的加工更是如此。原因是薄壁零件剛性差，強(qiáng)度弱，在加工中極易變形，致使零件的形位誤差增大，降低零件的加工質(zhì)量。為此，對(duì)薄壁零件的裝夾，加工中刀具的合理選用以及切削用量的選擇，提出了特殊要求。

我們加工的內(nèi)外橢圓薄壁零件為壁厚1.2 mm，材料：鋁合金（牌號(hào)2A80 ）、外徑214 mm， -67.9 mm的薄壁零件。

技術(shù)要求如下：

（1）內(nèi)壁的型線包含一個(gè)氏15mm的直線段，和一個(gè)2：1的標(biāo)準(zhǔn)圓，橢圓中心位于兩條中心線的交點(diǎn)。

（2）半氏軸為（105+—0.05）mm，半短軸為（52.5+—0.05）mm，直徑（210+ -0.1）mm，薄壁2mm，圓度0.2 mm。

（3）未注公差按GB /T1804.f執(zhí)行。

（二）工藝分析

根據(jù)薄壁類(lèi)零件的加工特點(diǎn)及防比和減少變形的各類(lèi)方法，我們?cè)诰幹乒に嚶肪€時(shí)考慮了以下幾點(diǎn)。

1、車(chē)加工分粗車(chē)、精車(chē)。粗車(chē)時(shí)吃刀量和進(jìn)給量可取大些，精車(chē)時(shí)吃刀量和進(jìn)給量選相對(duì)小些，以此消除加工時(shí)因切削力過(guò)大而引起的變形。

2、在粗加工后精加工前增加熱處理工序。使用熱處理方法增加零件材料強(qiáng)度和硬度，達(dá)到改善零件受力變形狀態(tài)，從而減少精加工后的變形。

3、選擇前角相對(duì)大一點(diǎn)的刀具，保持刀具鋒利，以便減小切削力。

4、應(yīng)用軸向夾緊夾具。車(chē)薄壁工件時(shí)，一般不使用徑向夾緊，而是選擇軸向夾緊，用螺母端來(lái)壓緊工件，使夾緊力沿工件軸向分布，這樣可防比夾緊變形。

（三）示意圖

（四）薄壁零件加工問(wèn)題分析

（1）工件裝夾不當(dāng)產(chǎn)生變形用自定心卡盤(pán)夾緊薄壁外圓，車(chē)削完成卸下后，被卡爪夾緊部分會(huì)因彈性變形而脹大，導(dǎo)致零件呈多角形。為了減少變形，使用前車(chē)削扇形軟卡爪內(nèi)孔及內(nèi)端而并符合零件定位外圓尺寸，且保持內(nèi)孔與端而垂直，同時(shí)采用外加開(kāi)口套筒或改用特殊軟爪等措施來(lái)增大接觸而積，使夾緊力均勻分布。

（2）相對(duì)位置調(diào)整不準(zhǔn)，產(chǎn)生壁厚不均工件、夾具、刀具與機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置調(diào)整不準(zhǔn)，引起工件幾何形狀變化和壁厚不均勻。

（3）有些薄壁零件均勻性要求很高，但其尺寸精度要求卻不高這類(lèi)工件若采用剛性定位，則誤差較大，壁厚極易超差。

（4）刀具的選用會(huì)影響零件的精度和表而粗糙度精車(chē)薄壁零件孔時(shí)，刀桿的剛度要高，修光刃不宜過(guò)長(zhǎng)（一般取0. 2 - 0. 4mm），刀具刃口要鋒利，同時(shí)注意冷卻潤(rùn)滑，否則影響加工表而粗糙度；精車(chē)深孔薄壁時(shí)，還要注意刀具的磨損情況，特別是車(chē)削高強(qiáng)度材料的薄壁時(shí)，往往由于刀具逐漸磨損而使工件孔徑出現(xiàn)錐度。

（五）薄壁零件車(chē)削過(guò)程中常出現(xiàn)的問(wèn)題、原因及解決辦法

1.薄壁零件的種類(lèi)及加工要求

薄壁零件的種類(lèi)很多，在車(chē)削加工中經(jīng)常碰到的薄壁零件有3種類(lèi)型。

（1）軸套薄壁件，這類(lèi)零件內(nèi)、外圓的直徑差很小，軸向尺寸大于徑向尺寸；一般對(duì)孔的圓度、圓柱度、各圓柱表面的同軸度、孔軸線的直線度等都有嚴(yán)格的要求（如圖1所示）。

（2）環(huán)類(lèi)薄壁件，這類(lèi)零件內(nèi)、外圓的直徑差很小，徑向尺寸大于軸向尺寸，端面面積??；一般與套類(lèi)薄壁件的要求基本相同，但有時(shí)有1個(gè)或2個(gè)端面對(duì)孔軸線的垂直度有嚴(yán)格的要求（如圖2所示）。

2.薄壁零件加工問(wèn)題分析

車(chē)削各類(lèi)薄壁零件時(shí)，會(huì)遇到各種問(wèn)題，要解決這些問(wèn)題就必須根據(jù)其不同的特點(diǎn)，找出薄弱環(huán)節(jié)，選用不同的工藝路線和裝卡方法來(lái)保證加工要求。

（1）工件裝卡不當(dāng)產(chǎn)生變形。用三爪卡盤(pán)夾緊薄壁外圓，車(chē)削完成卸下后，被卡爪夾緊部分會(huì)因彈性變形而脹大，導(dǎo)致零件呈多角形。為了減少變形，使用前先車(chē)削扇形軟卡爪內(nèi)孔及內(nèi)端面，并符合零件定位外圓尺寸的士0. OS mm，且保持內(nèi)孔與端面垂直，同時(shí)采用外加開(kāi)口套筒或改用特殊軟爪等措施來(lái)增大接觸面積，使夾緊力均勻分布。

（2）相對(duì)位置調(diào)整不準(zhǔn)，產(chǎn)生壁厚不均。工件、夾具、刀具與機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置調(diào)整不準(zhǔn)，引起工件幾何形狀變化和壁厚不均勻。

（3）有些薄壁零件的壁厚均勻性要求很高，但其尺寸精度要求卻不高。這類(lèi)工件若采用剛性定位，則誤差較大，壁厚極易超差?？刹扇∫韵麓胧篴縮小工件基準(zhǔn)尺寸的公差，成批產(chǎn)品需保證批差為0.03mm； b采用彈性定心元件，如塑性漲胎等；c利用夾具定位元件做初定位，按百分表找正后再夾緊工件。

（六）典型薄壁零件的加工技巧

1.分析圖樣、毛坯及加工的難點(diǎn)

（1）零件毛坯分析。毛坯是由生產(chǎn)廠家鑄造成型的粗坯，需要加工零件的端面、外圓和薄壁等距寬槽部分，其中寬槽是加工重點(diǎn)，每個(gè)槽肋都非常薄，同時(shí)還要考慮批量生產(chǎn)的效率。

（2）加工難點(diǎn)分析。工件裝夾位置有限。既要考慮如何保證工件加工時(shí)的定位精度，又要考慮裝夾方便、可靠，而我們通常都是用三爪卡盤(pán)夾持外圓或撐內(nèi)孔的裝夾方法來(lái)加工，但此零件較薄，車(chē)削受力點(diǎn)與加緊力作用點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)，還需車(chē)削的薄壁寬槽，受力很大，剛性不足，容易引起變形，因此要充分考慮如何裝夾定位的問(wèn)題。

2.設(shè)計(jì)零件的裝夾

1、對(duì)零件薄壁右端外圓的裝夾設(shè)計(jì)。從圖5中可以看到，零件是在三爪自定心卡盤(pán)上裝夾，零件只受到三個(gè)爪的夾緊力，夾緊力不均衡，從而使零件變形。如果將零件上的每一點(diǎn)的夾緊力都保持均衡，換句話說(shuō)，就是增大零件的裝夾接觸面，而減少每一點(diǎn)的夾緊力。如圖6所示，采用開(kāi)縫環(huán)套裝夾，通過(guò)試驗(yàn)證明！后一種方法夾緊，零件的變形小，方法可行。

2、對(duì)于毛坯上2.5mm厚凸圓的右端面以及右端外圓和寬槽的車(chē)削，應(yīng)該如何裝夾，我們采用的辦法就是！先在三個(gè)卡盤(pán)的卡爪上分別焊接一個(gè)康型凸臺(tái)，凸臺(tái)厚度大概為2mm，將卡爪改進(jìn)成如圖7所示的情況，用來(lái)夾住零件的左端，然后在零件的右端設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)用夾具，如圖呂所示，用來(lái)頂住零件右端，從而形成一夾一頂?shù)睦喂萄b夾，其裝夾方式如圖9所示。

2.選擇合理的切削參數(shù)

薄壁零件車(chē)削時(shí)變形是多方面的。裝夾工件時(shí)的夾緊力，切削工件時(shí)的切削力，工件阻礙刀具切削時(shí)產(chǎn)生的彈性變形和塑性變形，使切削區(qū)溫度升高而產(chǎn)生熱變形。切削力的大小與切削用量密切相關(guān)。

我們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)：背吃刀量和進(jìn)給量同時(shí)增大，切削力也增大，變形也大，對(duì)車(chē)削薄壁零件極為不利。減少背吃刀量，增大進(jìn)給量，切削力雖然有所下降，但工件表面殘余面積增大，表面粗糙度值大，使強(qiáng)度不好的薄壁零件的內(nèi)應(yīng)力增加，同樣也會(huì)導(dǎo)致零件的變形。所以，應(yīng)根據(jù)切削用量的選用原則，合理地確定數(shù)控車(chē)床的各項(xiàng)切削參數(shù)。

①外圓粗車(chē)時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速每分鐘500一600轉(zhuǎn)，進(jìn)給速度F100一120，留精車(chē)余量 0.3一0.5mmo

②外圓精車(chē)時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速每分鐘1 100一1 200轉(zhuǎn)，進(jìn)給速度F120一1明，采用一次走刀加工完成。

③寬槽加工時(shí)，用3個(gè)G75指令進(jìn)行定位加工，主軸轉(zhuǎn)速每分鐘560轉(zhuǎn)。進(jìn)給速度F20一300

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作者簡(jiǎn)介：

劉成梁，出生年月：1996.01.02，性別：男，民族：漢族，籍貫（精確到市）：湖北省襄陽(yáng)市，學(xué)歷：本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化.