如何提高薄壁零件的加工精度

楊永利 王偉

【摘要】薄壁零件因重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約材料，在機械、電子儀表，電子信息、醫(yī)療、航天航空、汽車、日常民用產(chǎn)品等各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用。但因剛性差在加工中極易變形，是車削中比較棘手的問題。本文針對典型薄壁結(jié)構(gòu)零件的分析及影響薄壁零件加工精度的主要原因解析，認為加工薄壁類零件主要應(yīng)考慮裝夾方法、刀具幾何參數(shù)，機床性能和切削力等方面因素以防止工件加工中變形，并提出改進措施。

【關(guān)鍵詞】車削;薄壁零件;加工精度

工業(yè)中軸套類零件大多屬于薄壁零件，薄壁零件壁厚不足及孔徑的1/15，質(zhì)量輕節(jié)約材料，結(jié)構(gòu)緊湊是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要零件，故廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)。

薄壁零件的加工精度主要有：尺寸精度（直徑和長度尺寸）、幾何精度（圓度和圓柱度）、位置精度（同軸度、垂直度、徑向跳動，）表面粗糙度。此類零件的共同特點是受力形式復(fù)雜，加工時對刀具的徑向切削力、卡盤的夾緊力、切削熱均十分敏感，往往未加工到所需尺寸，零件已經(jīng)超出了精度要求，因此薄壁零件的加工制造難度大。

一、零件結(jié)構(gòu)分析

工程訓(xùn)練中心不僅完成全校工科學(xué)生的實習(xí)任務(wù)，也生產(chǎn)一定的產(chǎn)品。[1]其中一種軸套零件空心軸，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，但精度要求高，在整個產(chǎn)品中主要起關(guān)鍵作用。尺寸精度為IT5-IT7。同軸度為0.08～0.15。垂直度為0.01～0.015。是典型的精度要求高，加工中極易變形薄件零件。

二、加工中的問題難點

粗、精車完成后，因零件處于卡緊狀態(tài)，用百分表杠桿表等測量零件孔圓度都達到圖紙要求。但工件拿下時測量發(fā)現(xiàn)孔變形達0.2毫米，影響裝配。

三、薄壁零件變形原因

1、受力變形

圓形薄壁零件通常用三爪卡盤安裝，在裝夾的過程中，卡緊力的大小會導(dǎo)致工件變形，一般情況下會略微變成三邊形。加工后是圓柱孔，當(dāng)松開卡爪取下工件后，由于彈性恢復(fù)，外圓恢復(fù)成圓柱形，而內(nèi)孔變成弧形三邊形。

2、切削力引起變形

刀具在切削工件時必須克服材料的變形阻力、刀具與工件切削之間摩擦阻力、才能切削下工件表面和內(nèi)里材料，這些阻力的合力就是作用在刀具上的切削力。[2]

切削力用F表示可分為三個相互垂直的切削分力。主切削力Fz，走刀抗力Fx，吃刀抗力Fy。

主切削力Fz方向與切削速度方向一致，消耗機床功效是最大的。

走刀抗力Fx方向與進給方向相反及軸向切削力。

吃刀抗力與吃刀方向相反及徑向切削力。其反作用力作用在工件上，所以徑向切削力是影響工件變形的最大因素。例如我們加工長軸類工件，如果沒有中心架或跟刀架的應(yīng)用，刀具在加工到軸的中間部位就出現(xiàn)“讓刀”現(xiàn)象。使工件加工完后出現(xiàn)兩頭細，中間粗的腰鼓型。

軸向切削力由于工件從中心到外圓處鋼度的不一致，產(chǎn)生不同的彈性變形，最終導(dǎo)致工件端面不是一個平面，而是一個輕微凹面和凸形狀。

3、受熱變形或加工過程中切削熱引起變形

薄壁零件加工時，因工件薄，熱容量小，傳導(dǎo)慢。走刀摩擦產(chǎn)生的切削熱不能及時散發(fā)，使工件產(chǎn)生熱變形。這樣零件的尺寸精度難以控制，產(chǎn)生廢品。

4、振動變形

在切削時，徑向切削力的作用下，產(chǎn)生振動和尖叫聲。振動時刀具與工件之間產(chǎn)生相對位移，破壞工件和刀具之間正常運動軌跡，工件表面產(chǎn)生扭曲橫紋（水波紋），直接影響零件表面粗糙度。震動嚴(yán)重時無法走刀，不能正常加工，大大降低生產(chǎn)效率。

四、解決薄壁零件加工變形的方法

1、調(diào)整機床主軸徑向跳動

機床受安裝和調(diào)試的影響主軸一般都存在徑向跳動，主軸徑向跳動的危害是直接導(dǎo)致加工工件時產(chǎn)品變形，精度下降工件報廢。[3]可以通過重新調(diào)試機床，改善主軸跳動這種現(xiàn)象。主軸產(chǎn)生徑向跳動的原因是前軸承間隙大，而軸向跳動是由后軸承間隙過大造成。前后軸承都是圓錐棍子軸承，因此可調(diào)整間隙，方法是首先松開軸承螺母的緊定螺釘，轉(zhuǎn)動間隙調(diào)整螺母，使帶有錐度的滾動軸承內(nèi)圈沿軸向移動，消除間隙進行試轉(zhuǎn)，主軸高速運轉(zhuǎn)下不發(fā)生過熱，用手轉(zhuǎn)動無阻滯感就可擰緊定位螺釘。

如調(diào)試機床，無法改變主軸徑向跳動的狀況，這時可以調(diào)整薄壁零件的加工工序，先加工外表面后加工內(nèi)孔，通常我們稱先外后里，這樣對壁厚的影響較小。如主軸跳動很微小，可采用先內(nèi)后外方式加工。

2、減小受力變形

減小薄壁工件的受力變形，一般應(yīng)增大工件的支撐面和卡壓面積或增加卡壓點，必要時可增加輔助支撐力，以增加工件剛性。對小型工件常采用開口過度環(huán)或?qū)Ｓ每ㄗΓㄜ涀Γ┰龃罂ㄗεc工件的接觸面積。也可采用心軸，彈簧夾頭等專用卡具裝夾。而對于直徑大的圓盤薄壁工件，可裝卡在花盤上車削。

加工直徑稍小的薄壁件采用開口過度環(huán)裝夾，開口過度環(huán)制作時內(nèi)徑比薄壁零件的外徑大1～1.5毫米，在銑床上沿工件軸向銑出一個2～5毫米之間的槽，加工薄壁零件時，把開口套包在薄壁零件的外邊，這樣三爪卡盤的三點卡緊為整圓抱緊，使之受力均勻。

另一種方式改裝三爪卡盤的三個卡爪，在卡爪上焊接銅卡爪（稱為軟爪）增大卡爪和工件之間夾持面積，減少對薄壁工件的夾緊變形。應(yīng)注意軟爪和原三爪卡盤的三個卡爪焊接后不能馬上使用，適當(dāng)放置一段時間讓其自然變形。然后車削軟爪，這時軟爪才能投入使用中。有資料測試表明，在同一夾緊條件下，以3點卡緊的零件變形為1，則均勻6點卡緊產(chǎn)生的變形量僅為3點的1/16，可見均勻多點夾緊會大幅減小零件的裝卡變形。

花盤的使用可使徑向夾緊力，變?yōu)檩S向拉緊力。[4]花盤是一個直徑較大的鑄鐵圓盤，其中心的內(nèi)螺紋孔可以直接安裝在機床主軸上，花盤上的T形槽，穿入壓緊螺栓可以把工件直接壓在花盤上加工，在安裝時應(yīng)注意零件的一個面與安裝面平行?；蚩變?nèi)外圓的軸線要與安裝面垂直，使用花盤時應(yīng)注意，花盤端面要保證平整并與主軸中心線垂直。

3、減小受熱變形

減小切削熱的措施除了減小切削力，通常還使用切削液來降低切削熱。切削液在金屬切削過程中具有相當(dāng)重要的作用，切削過程中，變形和摩擦所消耗的功，大部分都轉(zhuǎn)化為熱能，使切削區(qū)溫度升高，所產(chǎn)生的切削熱傳入工件會使其發(fā)生變形，影響加工精度。如果使用切削液刀具、工件和切削上的切削熱主要由切削液帶走，不用切削液時切削熱主要由工件、切屑、刀具傳散。所以切削液可以吸收大量熱量，使工件和刀具得到冷卻，還可以充分起到潤滑作用，減少切削工件與刀具之間的摩擦，降低切削溫度。有試驗證明，選用適當(dāng)?shù)那邢饕?，能降低切削區(qū)溫度60～150度，還能降低表面粗糙度1～2級。減小切削阻力20～30%。

切削液通常分為三類：水溶液、切削油、乳化液。

⑴、水溶液的主要成分水，所以冷卻性能好，但設(shè)備易生銹。水溶液的切削液里都會加防銹添加劑。水溶液切削液冷卻性能好、價格低，所以應(yīng)用廣泛。主要在粗加工用。

⑵、切削油的主要成分是礦物油，是一種以潤滑為主的切削液，主要用在精加工上。

①、礦物油：5號、7號、10號、20號、30號等機械油和柴油煤油等，適用于一般潤滑。

②、極壓切削油：它是由礦物油為基礎(chǔ)，加入植物油、極壓添加劑和防銹劑組成，具備礦物油植物油良好的潤滑性能和極壓潤滑性能。

⑶、乳化液是將乳化油用水稀釋而成，具有良好的冷卻性能，并且加了一定的防腐劑和極壓添加劑，可配成極壓乳化液和防銹乳化液。

①、普通乳化液：是由水，防腐劑，乳化劑，礦物油組成。冷卻性能好，而且有簡單的防腐和潤滑作用。

②、防銹乳化液：在普通乳化液中加入大量的防銹劑，用在環(huán)境比較潮濕的地方。

③、極壓乳化液：在普通乳化液中添加含氯、硫、磷的極壓添加劑。在切削時的高壓高溫下形成吸附膜。起到潤滑作用。

我們選擇切削液的原則是：零件在粗加工時主要解決的問題是冷卻，所以一般選用的是水性溶液。精加工中切削力小、背吃刀量小進給量也比較小，產(chǎn)生的切削熱也比較小所以潤滑為主，這個時候選油性切削液。

切削液對零件冷卻時，不能時有時無，以避免刀具出現(xiàn)冷熱而產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象，必須連續(xù)充分澆注。

加工鑄鐵材料時一般不用冷卻液。因鑄鐵切削所產(chǎn)生的切屑碎狀切屑，或粉末狀切屑不利于切削液的循環(huán)，再者鑄鐵中的石墨本身有潤滑作用。

4、合理選擇參數(shù)[5]

（1）、切削三要素的選擇

切削加工時，通常衡量工件運動量大小的參數(shù)稱為切削用量。由切削速度、進給量、背吃刀量組成。

①切削速度Uc

指單位時間內(nèi)，工件和刀具之間沿主運動方向相對移動的距離，即主運動的線速度，單位為m/s。例如在車削中Uc=πDn/1000×60

D：工件或刀具的回轉(zhuǎn)直徑，單位mm。

n：工件或刀具的轉(zhuǎn)速，單位r/min。

②進給量f

進給量f是指在主運動的一個循環(huán)內(nèi)，刀具和工件之間沿進給方向相對移動的距離。

單位mm/r。

③背吃刀量ap

待加工表面與已加工表面之間的垂直距離及切削深度。單位為mm。

ap=（D-d）/2

D、d：分別表示待加工表面、已加工表面的直徑，單位mm。

力的大小跟切削三要素密切相關(guān)，正確選擇切削三要素可減小工件振動和變形，因此在加工薄壁零件精車時，盡量用高的切削速度，但要采取一定措施防止工件的振動，而降低工件表面粗糙度值。

對薄壁工件而言：粗加工時背吃車量和進給量可取大些，背吃刀量一般在1～2mm之間。進給量一般在0.2～0.5mm/r。

精加工時，背吃刀量一般在0.2～0.5mm，進給量一般在0.1～0.2mm/r甚至更小。

（2）、刀具的幾何角度

加工薄壁工件時，合理的刀具幾何角度對車削時產(chǎn)生的切削力大小，切削熱變形都很重要，通常我們可以選用硬質(zhì)合金或高速鋼刀具，例如YW1、YW2、YH1、YH2等。為了保證加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也可選用專用精密加工設(shè)計的刀具。如：超微粒硬質(zhì)合金PVD涂層刀具和金屬陶瓷類PVD涂層刀具等。

（1）、前角

前角是前刀面與基面的夾角，前角的大小影響切削刃的鋒利和切削刃強度。前角增大會使切削變形和摩擦力均減小，但前角不能太大，否則會使刀具的楔角減小，刀具強度減弱造成崩刃。硬質(zhì)合金刀加工鋼料薄壁零件時前角ro=10～20度。粗車時取小值，精車時取大值。

（2）、后角

后角是主后面與切削面之間的夾角，作用是減小切削時主后面與工件的摩擦控制刀刃的強度和鋒利程度。后角通常取2～12度。粗車取小值，精車取大值。

（3）、主偏角

主偏角是主切削刃與進給運動方向的夾角，影響徑向切削力的大小，在切削力相同時主偏角小加工工件時刀具的徑向切削力顯著增大，在加工細長軸時容易將工件頂彎，這時主偏角又選60～75度的刀具。主偏角在75～90度時，主切削力隨主偏角的增大而增大。通常主偏角在60～75度時主切削力較小。

（4）、刃傾角

刃傾角是主切削刃與基面之間的夾角。作用是影響切屑流向和刀頭強度。實驗表明，當(dāng)刃傾角增大時，使軸向切削力增大，徑向切削力減小。

（5）、鏜孔刀桿懸伸距

減小刀具伸出長度，刀具伸出長度越大加工時工件變形就越大，加工時處在不斷變化中，刀具的徑向跳動就會隨之變化，從而導(dǎo)致工件加工表面不光滑，刀具伸出長度減小20%，刀具的徑向跳動會減小50%。

鏜孔刀桿懸伸距大，鋼性差，容易產(chǎn)生振動。因此加工薄壁零件孔時，應(yīng)盡可能增加刀桿強度，同時為了容易排屑，在車刀前面開斷屑槽或卷屑槽，在合適的刃傾角下控制切屑排出方向。

5、減小加工中的振動

加工薄壁工件時，變形與振動相互影響，使工件變形更大影響工件加工精度。雖然振動不可能完全消除，但必須采取相應(yīng)的措施來減小它。

（1）、調(diào)整機床各部件，使機床處于最佳狀態(tài)。

（2）、使用一些吸振的材料

我們可以用一些吸振的材料，如軟橡膠片、橡膠管等。填充或包裹工件后進行對工件的加工，有一定的減振或消振的作用。

通常我們這樣操作，當(dāng)薄壁工件內(nèi)孔精加工完成后，精車外圓前將預(yù)先準(zhǔn)備好的軟橡膠片卷成筒狀塞入工件孔內(nèi)，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時，在離心力的作用下橡膠片將貼緊孔壁，能阻尼減振并防止振動的傳播。

五、針對本產(chǎn)品空心軸采取的措施

1、采用類似花盤類的專用卡具。利用螺栓軸向夾緊，在螺栓拉緊時拉力要均勻。

2、精加工余量減小，并多次切削。

通過改進裝夾方式等措施，使產(chǎn)品達到圖紙要求。

結(jié)論

本文針對薄壁工件難加工這個特點，從裝夾方法、刀具幾何角度、切削參數(shù)、機床性能和切削力等方面進行全面分析，優(yōu)化加工方案。保證加工質(zhì)量和尺寸精度，提高工作效率，對加工生產(chǎn)具有一定的參考價值，為加工同類零件提供借鑒。

參考文獻：

[1]沈耿 ? 薄壁件切削加工控制變形的工藝措施[J]工藝與工藝裝備，現(xiàn)代制造工程 ? ?2003 、4：50

[2]劉學(xué)杰 ?薄壁零件加工的切削力模型分析與試驗研究[D]南京航空航天大學(xué) ? ?2008

[3]晏丙午 ?高級車工工藝與技能訓(xùn)練[M]北京 ?中國勞動社會保障出版社 ? ? 2006 課題五薄壁套

[4]董光明 ? ?金工實習(xí) ?第5版[M]徐州中國礦業(yè)大學(xué)出版社 ?2011 ：78-92

[5]高頂 ? 金工實習(xí) ? 第4版[M]徐州中國礦業(yè)大學(xué)出版社 ? ?2006 ：85-96