淺談薄壁環形件變形控制

孫長友　李寶峰　路芳宇　楊海濤　李丹

摘 要：薄壁零件的變形控制一直以來都是一個難題，在質量和效率之間更是難于取舍。文章主要介紹了一些簡易的變形控制的方法。

關鍵詞：薄壁；變形；控制

實際加工中應結合具體條件選擇不同的控制方法。簡單易實現的主要有優化加工刀具、優化工藝方案、進給量局部優化、優化切削參數、優化裝夾方案等，下面就從以下幾方面介紹薄壁零件的變形控制。

1 變形控制對加工工藝的要求

1.1 粗加工、精加工分開

對加工精度要求較高的薄壁類零件，應分開粗加工、半精加工、精加工進行。粗、半精、精加工分開，可避免因粗加工引起的各種變形，包括粗加工時，壓緊力引起的彈性變形、切削熱引起的熱變形以及粗加工后由于內應力重新分布而引起的變形。其目的是為了保證零件的精度及穩定性。另外，粗、精加工分開，機床設備也可得到合理的使用，即粗加工設備充分發揮其效率，精加工設備可長期保持機床的精度。

1.2 增加時效去應力工序

內應力是引起零件變形的主要因素，為防止零件變形，除應嚴格地按照材料進行熱處理，使零件具有較好的組織外，在粗、精加工之間，增加一道時效去應力工序，以最大限度地消除零件內部的應力。通常采用熱時效和自然時效的方法。這兩種方式卻都存在弊端：自然時效周期需要達到半年或兩年，周期過長；熱時效費用高，耗能高，爐溫控制難度大，零件易氧化，且易因受熱不均導致裂紋，并在冷卻過程中產生新的應力。振動時效是以金屬零件固有頻率，利用一受控振動能量對工件進行處理，使工件產生應變，達到消除零件殘余應力的目的。

1.3 利用零件的整體剛性加工薄壁零件

隨著零件壁厚的減小，其剛性降低，加工變形增大。因此，在切削過程中，盡可能地利用零件的未加工部分，作為正在切削部分的支撐，使切削過程處在剛性較佳的狀態。下面舉幾個例子，如：銑“U”型槽時可以考慮先銑類似成“口”型，最后在把“口”上的橫梁銑掉，該方法能有效地降低切削變形及其影響，降低了由于剛性降低而可能發生的切削振動。如：車加工薄壁時，可在有余量剛性較好時，先將內側及內槽等加工到位，再加壓蓋加工外側等多種靈活利用零件整體剛性的方法。

2 采用輔助支撐裝夾方式增強工藝系統剛性

由于薄壁類零件的形狀和結構的多樣性以及剛度差的特點，裝夾時受力的作用點不同，產生的變形情況就不同。大量實踐證明，增大工件與夾具之間的接觸面積或采用軸向夾緊，可有效地降低零件在裝夾時產生的變形。如在銑削加工薄壁件時，使用彈性壓板，就是增加接觸零件的受力面積；在車削薄壁套的內徑及外圓時，無論是采用簡單的過渡環，還是使用彈性芯軸、液體夾具等，均是增大零件裝夾時的接觸面積。這種方法有利于承載夾緊力，從而避免零件的變形。還可通過在內孔加帶橡膠的內支撐，以提高零件的剛性，抑制零件的加工變形；或采用石蠟、低熔點合金填充法等工藝方法，加強支撐，進而達到減小變形、提高精度的目的。也可在薄壁機匣零件的加工中，先保留部分工藝筋條加強剛性以便進行高效加工，之后再去掉。壓緊時對稱用力并夾緊力盡可能小些擰緊夾具零件時一定要使用限力扳手對點用力壓緊，保證用力均勻適度。

某環形件原銑加工工序采用簡單的止口定位、壓板夾緊裝夾方式，因壁厚較薄，在加工中產生變形、回彈現象，存在讓刀、振動等問題。采用可調輔助支撐結構夾具，增強了薄壁機匣的切削整體剛性，減小了切削過程的振動及機匣的加工變形和讓刀現象，提高了加工效率，改善了加工質量。帶有徑向輔助支撐、軟接觸精密定位新型結構的銑加工夾具，即兩帶有可調機械輔助支撐夾具結構。（見圖1）

3 采用電化學加工工藝方法控制加工變形

現代去除材料加工方法還有電火花銑、電解、化學腐蝕等許多特種加工方法，與機械加工相比電加工沒有切削力，適合應用于薄壁零件的加工變形控制。電火花銑采用銅管電極進行差補運動，利用高溫放電腐蝕的原理去除材料，加工過程中沒有切削力，適合薄壁件粗加工，但存在高溫放電熱影響區，加工表面會產生殘余拉應力，仍然存在應力釋放的變形趨勢。電解加工使電流通過電解質溶液，以電極作為陰極加工工具，利用工件被加工表面產生陽極溶解的原理，去除零件材料；現代精密電解設備具有很高的精度，因其沒有切削力和熱影響區，適合薄壁機匣大余量去除材料加工，具有加工效率高、沒有加工應力的特點。但電解加工工藝對環境影響較大，應做好污染防護措施。

4 優化加工方案、走刀路線、切削參數控制加工變形

目前，薄壁類零件內外表面精加工基本采用數控車、數控銑等機械加工方法，機械加工方法促使薄壁構件加工變形的兩大因素是：切削力和切削熱。控制因切削力引起薄壁機匣加工變形有兩種方法，一是增強工藝系統剛性，也包括刀具本身的剛性；二是合理選用加工刀具，走刀路線、切削參數等，減小切削力。切削熱是加工殘余應力產生的主要原因，加工刀具相對于零件材料的擠壓、剪切作用，產生很高溫度的切屑，大量的高溫切削熱作用于零件表面產生冷作硬化現象，形成加工表面殘余應力層。減少切削熱帶來的殘余應力有兩種方法：一是合理的冷卻方式，采用高壓冷卻設備、內冷結構刀具，使冷卻液直接作用于切屑，冷卻效果更充分；二是采用高速切削技術，快速去除材料。

4.1 規劃減小環形件加工變形的切削走刀路徑

科學合理地安排薄壁環形件的切削走刀路徑，能夠減小零件加工后的變形量，因此，在規劃零件的切削加工過程時，應根據金屬切削原理，針對零件的設計結構、精度要求和毛坯加工余量的大小，合理安排零件各個表面的加工次數和全部加工表面的先后加工順序，合理安排每一次切削的刀具進給方向。

4.2 刀具切削方向和刀具進給方向

對稱切削，可以使毛坯初始殘余應力對稱釋放，可以有效減小零件的加工變形。對薄壁零件，采用內外表面去除余量均等的原則，進行輪流加工。加工時采用余量依次遞減的原則，輪流的次數越多，其應力釋放越徹底，工件加工后變形越小。這是典型的傳統薄壁零件加工方案。

4.3 優化切削參數

通過試驗初定加工參數，如在粗加工階段采用大切深、小進給、低轉速的強力切削方法提高材料去除率，而半精加工時盡量給精加工留均勻的加工余量，在精加工階段采用高轉速、大進給、小切深的高速切削方法，提高材料去除率、保證零件質量。這些都固定后，還要通過現場試驗和使用VERICUT優化數控程序中的加工參數，每個程序都根據局部且削余量和機床主軸受力情況優化程序中每段的加工參數，使其達到最優化，尤其針對余量不均勻、轉圓角、接刀、刀軸矢量變化等處的參數優化。

4.4 切削液的要求

在加工中為防止零件變形必須合理使用充分的切削液，必須及時有效地對加工區域進行冷卻。因為它不僅能減少切削過程中的摩擦和降低切削溫度，還能提高刀具的耐用度和加工表面質量、加工精度。采用高壓冷卻設備、內冷結構刀具，使冷卻液直接作用于切屑，冷卻效果更充分。

總之，通過有優化工藝方案、裝夾方案、加工方法、優化加工刀具、切削參數及進給量局部優化等，可以對薄壁零件的加工變形進行控制，在質量與效率之前取得最佳平衡點。