薄壁零件加工方法研究

張紅

摘要：薄壁零件是數(shù)控車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題。本文針對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、刀具幾何角度刃磨等方面展開簡述，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

在機械加工企業(yè)中，薄壁零件的批量加工是讓數(shù)控車床操作員最為糾結(jié)和為難的一個問題。在此以薄壁零件的加工方法為題進(jìn)行研究，結(jié)合工作以來與多家企業(yè)共同合作的經(jīng)驗，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，為此在對刀具材料的選擇和工件的裝夾顯得更加慎重，對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，最終找到解決薄壁零件加工過程時形變的辦法，確保薄壁零件的加工精度。具體設(shè)計方案如下。

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)行裝夾時會進(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，所以夾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試研究可知，切削溫度對薄壁零件變形影響大。通常采用減小切削熱來避免受熱發(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 車削振動發(fā)生的變形

在機械加工過程中，由于存在徑向切削力，薄壁零件很容易出現(xiàn)振動和變形。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。薄壁零件因為壁很薄，對背吃刀量要求高，需要選取的比較小一些，但由于加工時產(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。

1.2 如何提高薄壁零件的加工精度

薄壁軸套在使用數(shù)控車床加工時受到切削力的影響，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，以及編寫的加工程序，經(jīng)過大量的反復(fù)測試，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

薄壁零件工藝特點有三點：一是壁厚只有1mm厚，非常薄，所用材料為45號鋼，需要考慮到工件在加工時的定位精度。二是零件車削加工時受力點與夾緊力作用點相對較遠(yuǎn)。三是切削過程中產(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

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)過一系列試驗和創(chuàng)新措施，最終設(shè)計出一套可以有效防止零件變形的情況發(fā)生的方案。圖1是一套適用于常見薄壁零件的專用夾具，具體設(shè)計方案如圖所示。

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度和散熱能力需要反復(fù)推算試驗才可得出。

1.2.4 合理選擇切削用量

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

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程的注意事項對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，外圓半精車背吃刀量ap=0.5mm，精車背吃刀量ap=0.25mm。

2.2.2 主軸轉(zhuǎn)速的選擇

精車切削速度Vc=120m/min，經(jīng)過計算主軸轉(zhuǎn)速為（精車工件直徑為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。精車時進(jìn)給量選擇為0.1mm/r。

2.3 工件的裝夾

2.3.1 內(nèi)孔加工時采用夾具裝夾

通過專用的夾具，如圖2所示夾具。在數(shù)控車床上，用三爪自定心卡盤夾住夾具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)孔左邊有臺階，用于薄壁軸套的軸向定位，然后通過鎖緊螺母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，并且不能被車削，保證軸套在軸向的定位。加工完成后可以旋開螺母2進(jìn)行拆卸，如果是批量生產(chǎn)，直接裝入下一個薄壁零件即可繼續(xù)加工。

在內(nèi)孔加工時還要考慮內(nèi)孔車刀的剛性問題。一般通過增加內(nèi)孔車刀刀柄的截面積，在刃磨刀具時使內(nèi)孔車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。另外刀柄伸出的長度一般比加工的零件長度大5-8mm，盡量減小切削過程中的振動，如果太長會降低車刀刀柄剛性。

2.3.2 外圓加工時采用夾具裝夾

通過專用的夾具，如圖1所示夾具。在數(shù)控車床上，用三爪自定心卡盤夾住夾具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的臺階軸上，通過鎖緊螺母4壓緊墊圈，從而薄壁套也被壓緊。

夾具1是一個臺階軸，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的開口設(shè)計便于拆卸用，尤其是大批量生產(chǎn)過程中，要求拆卸方便，只需要將螺母4松開一點，墊圈3即可取出，薄壁套就可直接拆出。此處設(shè)計需要注意三點，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;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，這樣拿開墊圈3才能順利將薄壁零件拿出。

2.4 加工過程

本文只講在數(shù)控車床上的精加工。

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，裝夾時夾緊力需要適當(dāng)。首先對薄壁零件的內(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，選擇對應(yīng)的刀具，經(jīng)過多個工件的試驗車削，對加工完成的工件進(jìn)行粗糙度、尺寸及形位公差精度檢測，合格率達(dá)到97%，利用設(shè)計的工裝，效率大幅提升。

4? 結(jié)論

在反復(fù)的試驗加工中，加深了我對薄壁類零件加工的認(rèn)識和理解。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，然后對刀具材料的選擇和工件的裝夾進(jìn)行分析和設(shè)計，再對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，它的加工問題仍需要我們不斷繼續(xù)努力和創(chuàng)新。

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