薄壁零件的車削加工技術研究

肖利，孫朝海

(沈陽飛機工業 (集團)有限公司，遼寧沈陽 110032)

工程實踐中，薄壁零件通常指的是零件直徑與零件壁厚之比大于15的零件。此類零件剛性差、易變形、對切削熱敏感，而尺寸精度、形位公差往往要求嚴格，加工過程中稍不注意，極易產生不合格品乃至廢品。因此有必要對其加工工藝特點進行研究，以保證零件合格、提高生產效率。

1 薄壁零件加工的特點及產生原因

因為壁薄，零件剛性差，加工中最突出的問題就是零件變形，一旦變形量超出允許值，就導致不合格零件的產生。導致加工不合格的原因主要有以下幾種:

(1)夾緊定位方案不合理、夾緊力不合適，造成較大的夾緊變形;

(2)切削力造成零件局部較大變形;

(3)夾具設計不合理，造成定位誤差;

(4)切削熱導致零件熱變形;

(5)切削過程中的振動造成零件表面質量低、尺寸超差。

2 薄壁零件車削時因注意的問題

根據上述薄壁零件容易出現的問題，在薄壁零件加工時必須在選擇加工設備、制定工藝、設計夾具、進行加工等方面對這些問題給予充分的考慮，綜合各個因素選擇最佳的方案。

針對薄壁零件容易出現變形，工程實踐中往往采用以下措施:

(1)使夾緊力盡量均勻

對于一般的零件加工，三爪卡盤定位夾緊可以滿足加工需要。但是對于薄壁件而言，其加工精度和形位誤差通常要求較高，不適當的夾緊定位會使得零件的夾緊變形量足以讓零件加工超差，因此對于薄壁零件要采用必要措施來減少夾緊變形的影響。

方法一:增加夾緊點數量

經過卡盤廠商的實驗驗證，多點夾緊是減少薄壁零件變形的有效措施。通常的方案是在三爪卡盤上配置擺動爪，如圖1(a)所示［1］。頂爪通過銷軸與基爪連接，并可以繞軸旋轉，一個頂爪上有兩個夾緊點，這樣在三爪卡盤上就可以實現六點夾緊。這是一種經濟型的方案。還可以選擇六點夾緊的卡盤，如雄克的ROTA NCR、ITW的6-jaw ECC等，成本要高一些。

對于軸向長度較大的工件，還可以設計更復雜的結構來實現十二點乃至二十四點的夾緊，其結構形式如圖1中 (b)、(c)所示［1］。

方法二:增加卡爪與工件的接觸面積

通過增大卡爪與工件的接觸面積，在夾緊力相同的前提下可以有效降低夾緊部位的應力，使工件變形更小、受力更均勻。

比較簡單的做法是直接在基爪上安裝幅面較寬的卡爪即所謂的扇形卡爪，安裝后對卡爪進行自車，保證卡爪尺寸一致。需要注意的是卡爪幅面不能太大，否則過大的卡爪幅面容易使頂爪不穩定而且夾具與工件的貼合率無法保證。

對于尺寸較小、壁厚較薄的工件，更常見的裝夾方案是使用漲套。其原理是利用定位元件的彈性，通過外力作用使定位圓柱面尺寸增大或縮小，通過定位面與工件之間的摩擦力來抵抗切削抗力，實現工件的定位夾緊。工件與夾具接觸面積大，工件、夾具成為一個整體，提高了工件的剛度，可以對工件進行較大余量的切削，定位精度高。但是漲套的漲緊量有限，不同尺寸的定位孔/定位直徑需要對應不同尺寸的漲套。

圖1 多點夾緊卡盤

漲套的漲緊可以通過機械結構或液壓來實現。機械漲套的原理如圖2所示。通過拉桿3向下運動，端頭錐面將拉桿的軸向運動轉化為漲套1的徑向變形，漲套1張開與工件2貼合，依靠漲套與工件接觸面的摩擦力使工件固定。需要注意的是必須保證錐面的接觸率，否則無法保證定位面與工件的可靠貼合。

液壓漲套采用所謂的靜壓膨脹技術，其原理如圖3所示［2］。當擰緊螺釘時，油腔里的油壓升高，使芯軸的薄壁向外膨脹，漲緊工件定位孔;當螺釘放松時，油腔油壓下降，在薄壁的彈性力作用下芯軸尺寸恢復，工件被放松。由于液壓力的特點，漲套各處變形均勻，與工件貼合緊密，因此液壓漲套精度很高。

圖2 機械漲套原理圖

圖3 液壓漲套原理

(2)改變定位夾緊方案

車削加工中，工件的定位通常是通過外圓或內孔、用卡爪以三點定圓的原理實現。為了減少圓周(徑向)夾緊定位對工件尺寸精度的影響，可以通過改變壓緊方式來實現，即改徑向夾緊為端面定位夾緊，采用端面定位壓緊的方式進行零件加工。

此種方案的優勢是:避免了工件尺寸敏感方向的變形，能夠通過增加端面摩擦力來增加切削抗力。缺點是:需要專門的定位機構來保證工件回轉中心與主軸中心的重合。因為三爪卡盤三點可以確定圓心，圓心定位的精度決定于卡盤，無需額外的定心結構。

比如采用磁力卡盤進行夾緊。磁力卡盤利用磁力吸附鐵磁材料的原理實現工件的夾緊。由于夾緊在軸向實現，工件徑向沒有變形。但是必須由人工進行找正，效率低，零件定心精度不易保證，而且只能應用于鐵磁性材料。為了解決磁力卡盤的定心問題，一些卡盤廠商進行了這方面的研究并推出了相關產品。比如 SAV 的 Mechatronic Chuck 224.75(圖 4(a))［3］、Schunk的ROTA NCM(圖4(b))系列，將液壓動力卡盤和磁力卡盤結合在一起，由液壓動力卡盤實現工件的定心、磁力卡盤實現工件的夾緊，從而解決了普通磁力卡盤無法定心的問題，加工效率得以提高。

圖4 可定心的磁力卡盤

比如齒圈加工的專用卡盤。SMW的DFR-ABSKOMBI(圖5)是一種專門用于薄壁齒圈加工的復合卡盤，通過兩套機械結構分別實現工件的定位和夾緊。定位機構通過齒圈外圓或節圓實現徑向定位(定心)，由擺動式鉤形壓板在軸向壓緊，避免了徑向夾緊造成齒圈圓周方向上的變形。工件裝載時，在活塞推動下，與薄膜連接的定位爪張開，壓緊爪擺向外側;零件裝載后，與薄膜連接的活塞松開，定位爪在薄膜彈力的作用下縮回實現工件的定位，而與壓緊爪連接的活塞則帶動壓緊爪向內側擺動后拉在軸向實現工件的壓緊。此種卡盤需要雙活塞油缸來分別實現 定位和夾緊的動作［4-5］。

圖5 DFR-ABS-KOMBI齒圈加工卡盤

(3)調整工藝參數，減少切削力造成的工件變形

工件切削工程中，過大的切削力也可以造成工件局部變形。切削力引起的工件變形可以通過合理選擇切削參數、刀具幾何參數來加以控制。

高速加工是減少因工件切削力引起的變形的有效方法。較高的主軸轉速不僅有助于減少切削力，而且也可以使大部分的切削熱被切削帶走，減少切削熱對工件的影響。合理的切削參數和刀具角度也可以改變切削力狀態。一般說來，減少切深可以減少切削時的吃刀力，能夠有效減少工件變形;較大的主偏角、稍大的前角、較小的刀尖圓弧半徑，也有助于減少吃刀力。這些參數可以在實踐中根據工件的加工要求進行摸索總結以達到理想的加工效果，在此不再贅述。

對于因切削熱引起的工件變形，可以通過良好的冷卻、切削液的合理選擇、切削參數調整等措施加以克服，而切削過程中的顫振則可以以切削參數調整的方式減少或消除，乃至利用振動切削以振抑振實現高精度切削。文中著重于夾緊方案及夾具結構設計，不再詳述。

3 薄壁零件加工的夾具實例

以下是已經在工程實踐中應用的薄壁工件的夾具實例。

軸承環的加工夾具。圖6所示是用于軸承環內環面加工的夾具。軸承環是典型的薄壁零件，其內外圓同軸度、圓度、端面跳動、表面粗糙度等要求嚴格。為了保證內外圓的同軸度，夾具通過軸承環外圓定位，并采用多點夾緊的方式減少夾緊力造成的工件變形。圖中，夾緊塊4每爪兩塊，形成六點夾緊;螺釘穿過轉軸3將頂爪2安裝在基爪1上，頂爪2可以繞轉軸3擺動，這樣便可以保證6個夾緊點全部與工件接觸，避免工件受力不均產生變形。實際加工結果證明，該夾具可以滿足軸承環最后磨削前的硬車削要求。采用這種方案，內外環及端面的加工需要兩臺機床完成。

圖6 六點夾緊的軸承環夾具

磁力卡盤也是軸承環加工中常常采用的方案。如圖7所示，在磁力卡盤4上使用磁極墊塊1，可以在一臺設備上實現軸承內外環及端面的三面加工，磁極墊塊通過T型塊3安裝在磁力卡盤上，可以在磁力卡盤允許范圍內進行調整來適應不同直徑的工件。使用時，對于沒有定心裝置的磁力吸盤需要設計定心裝置，還需要注意磁極墊塊高度、零件材料、零件與卡盤接觸表面粗糙度、溫度等因素對卡盤吸附力的影響，嚴格控制切削力，避免吸附力不足。由于剩磁的影響，必須對夾具的殘屑清理充分考慮［6］。

圖7 用于加工軸承環的磁力卡盤

4 結束語

薄壁零件的精度保證涉及到工藝制定、夾具設計、零件加工的整個過程，文中僅對薄壁件車削加工的夾具設計過程中如何減少和避免夾緊變形進行了原則上的討論。隨著數字化技術的發展，工件夾緊變形的分析、夾緊點的優化、夾具結構的優化甚至夾緊變形的主動補償都可以借助數字化的手段實現，工程實踐中需要在理論分析的基礎上結合客觀條件和實際工況進行調整才能實現薄壁零件的完美加工。

［1］DREHTUTTER Lathe Chucks［OL］.www.schunk.com.

［2］Hydraulic Expanding Chucks［OL］.www.positrol.com.

［3］Workholding for Rotary Operation［OL］.www.sav-workholding.com.

［4］Catalog 5E，SMW-autoblok.

［5］S idney Roth.Getting a grip on diaphragm chucks［OL］.www.gearsolution.com.

［6］Precision Workholding and Clamping Systems［OL］.www.sav-workholding.com.