數控技能大賽中車削薄壁零件的技巧

汪立俊

（無錫機電高等職業技術學校，江蘇 無錫 214028）

1 薄壁零件車削時的特點

薄壁零件在車削過程中，經常出現以下現象：

1.1 等直徑變形

薄壁零件在夾緊力的作用下容易產生變形，影響工件的尺寸精度和形狀精度。車削時為了方便，常采用三爪自定心卡盤裝夾工件。而用三爪自定心卡盤裝夾薄壁圓柱零件加工內孔時，夾緊后的工件夾緊力不均衡，在夾緊力的作用下，使零件呈現出三邊形，如圖1（a）所示。經過車削加工后，三邊形內孔被車為圓柱孔，加工完畢松開卡爪后，卸下的工件由于彈性恢復，外圓恢復成圓柱形，而圓柱孔則變成弧形三邊形，如圖1（b）所示。若用內徑百分表或內徑千分尺測量時，可測得各個方向的直徑D相等，但實際上已變形不是內圓柱面了，這種現象稱之為等直徑變形。

圖1 薄壁圓柱零件的夾緊變形

1.2 工件熱變形

因工件較薄，對于線膨脹系數較大的金屬工件，在一次裝夾中連續加工，持續產生的切削熱會引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制，精度受到極大影響。

1.3 振動

在切削力（特別是徑向切削力）的作用下，容易產生振動和變形，影響工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。

2 企業生產加工過程中，防止和減少薄壁零件變形的方法

在企業生產加工制造過程中，由于產品批量大、精度要求高，且為了提高勞動生產率往往采用成組生產單元，即根據零件的技術要求，將待加工的零件在生產過程中分成多個工序，由一組機床和一組生產工人，共同完成相關零件組的全部工藝過程的成組生產組織形式。在此過程中，設計制造各種適合裝夾薄壁類零件的工裝夾具就顯得至關重要。常用的方法有以下幾種：

2.1 為增加裝夾接觸面，盡量采用開縫套筒（見圖2）或特制軟卡爪（見圖3）裝夾零件，使夾緊力均勻分布在工件上，減少因夾緊引起的變形。

圖2 開縫套筒裝夾工件

圖3 特制軟卡爪裝夾工件

2.2 車削薄壁零件時，盡量不使用徑向夾緊，而應優先采用軸向夾緊的夾具來減少夾緊引起的變形，如圖4所示。

圖4 軸向夾緊薄壁零件

圖5 在薄壁零件上增加工藝肋

2.3 在薄壁工件的裝夾部位增加幾根特制的輔助支承和工藝肋（見圖5），使夾緊力作用在肋上，以減少工件變形。加工完畢后，再去掉工藝肋。

3 數控車技能比賽中，加工薄壁零件的注意點

數控車技能比賽中，由于場地、設備、時間等條件的限制，多件配合的一套零件中的每個零件均以單件出現，不可能成批量加工。因此，在遇到加工薄壁零件的過程中應注意以下幾點：

3.1 切削力對薄壁零件加工時產生的影響

3.1.1 刀具的幾何參數與切削力的關系

a.前角y0與切削力的關系（見圖6）。由圖可知，進給抗力Fx、切深抗力Fy、主切削力Fz都會隨刀具前角的增大而減小。這是因為前角增大，剪切角ф隨之增大，切削變形減小，變形系數ξ減小，切屑沿前刀面流出時的摩擦力減小，因此切削力顯著減小。

圖6

圖7

圖8

b.主偏角Kr與切削力的關系（見圖7）。由圖可知，主偏角Kr=30～60時，主切削力F2隨主偏角Kr的增大而減小；主偏角Kr=75～90時，主切削力F2隨主偏角Kr的增大而增大；通常在主偏角Kr=60～75時，主切削力F2較小。此外，主偏角的增大，使Fx增大，Fy減小。這是因為，主偏角只改變Fxy的方向，而不改變Fxy大小。所以，由公式Fx=FxysinKr計算得出，Kr增大時，Fx增大；由公式Fy=FxycosKr計算可得出，Kr增大時，Fy減小。

c.刃傾角 λs與切削力的關系（見圖 8）。由圖可知，刃傾角λs的變化，對主切削力F2的變化不大，但對Fx、Fy的影響卻很大。這是因為，λs變化時只改變合力Fr的方向，不改變Fr的大小，所以λs改變時對Fr沒有影響。實驗表明，刃傾角λs增大時，使Fx增大，而Fy減小。

3.1.2 切削用量與切削力的關系

a.背吃刀量ap、進給量f與切削力之間的關系（見圖 9（a）、9（b））。背吃刀量 ap和進給量f增大時，都會使切削面積增大，切削力增大，但兩者對切削力的影響程度不同。當背吃刀量ap增大時，切削寬度成正比增大，但變形系數ξ不變，所以切削力成正比增大。以ap對F2的影響為例，切削力的經驗公式中，ap的指數對xFz≈1，所以ap增大一倍，F2也增大一倍。進給量f增大時，切削厚度成正比增大，但變形系數ξ有所下降，使切削力不能成正比增大。以f對F2的影響為例，由切削力的經驗公式得到：進給量f的指數yFz=0.75，所以f增大一倍時，主切削力F2僅增大68%。

圖9 （a）

圖9 （b）

圖10

b.切削速度Vc與切削力的關系（見圖10）。以Vc對F2的影響為例，當切削速度Vc≤20m/min時，隨著切削速度的增加，切削力 F2減小；當 20＜Vc≤50m/min時，隨著切削速度的增加，切削力F2增大；當Vc＞50m/min時，隨著切削速度的增加，前刀面上的摩擦系數μ減少，剪切角ф增大，變形系數ξ減小，故切削力F2將減小。

3.2 要注意到的是在切削過程中，所出現的切削變形、切削溫升、刀具耐用度及工件表面質量等一系列問題大都與上述刀具的幾何參數及選用的切削用量有關。

4 數控車技能比賽中，車削薄壁零件的技巧

4.1 要減小切削力，首先應合理選用刀具的幾何參數，特別在精加工時，更要保證刀刃的鋒利，一般可選擇較大的主偏角Kr=80～93，車刀的前角取γ0=10～20，刃傾角通常取正值 λs=3～10。

4.2 其次，要合理選擇切削用量，在工藝系統剛度確定的前提下，隨著背吃刀量和進給量的增大，切削力、切削熱隨之增大，使變形加大，對車削薄壁零件極為不利；而當背吃刀量減少，進給量增大時，切削力雖然有所下降，但工件表面殘余面積及表面粗糙度值增大，使強度不好的薄壁零件的內應力增加，同樣也會導致零件的變形。

a.粗加工時，切削速度 Vc=50～80m/min；背吃刀量 ap=0.2～2mm；進給量 f=0.2～0.35mm/r。

b.精加工時，切削速度 =60～120m/min；背吃刀量 =0.2～0.5mm；進給量 =0.08～0.15mm/r。

精車時選用的切削速度不易過高，只有合理選擇的切削用量就能減少切削力，從而減少變形。

4.3 要嚴格區分粗、精加工的過程。對加工精度要求較高的薄壁類零件，應把粗、精加工分開進行。粗、精加工分開，可避免因粗加工引起的各種變形，包括夾緊力大而引起的彈性變形、切削熱引起的熱變形以及內應力引起的變形等。

4.4 要工藝上盡可能采用一次裝夾的方法，如圖11所示，即加工完薄壁零件后，將其切下。

圖11 一次裝夾車削簿壁零件

4.5 根據加工工件的材料，合理選擇刀具類型及刀片牌號，以便增加刀具的切削剛度。

4.6 要合理選擇并充分澆注切削液，可以減少刀具與工件的摩擦，使切削力減少，同時起到降低切削溫度，減少工件熱變形的作用。

5 結語

通過在數控車削薄壁類零件過程中對上述技巧的綜合應用，參賽選手在遇到此類零件時已能應對自如，尺寸精度及表面質量均有大幅度提高，在各級各類數控車技能比賽中屢創佳績。

[1]王杰,李方信,肖素梅.機械制造工程學[M].北京:北京郵電大學出版社,2005。

[2]許兆豐.車工工藝學[M].北京:機械工業出版社,2006.