提高薄壁零件加工精度方法研究

谷艷豐

摘 要： 為了解決薄壁零件因強度差、結構復雜帶來的難于保證加工精度的問題，作者從受力、熱變形、振動、零件工藝性等多角度分析了薄壁零件產生變形的原因，并根據實際情況分析了提高薄壁零件精度的基本途徑。

關鍵詞： 薄壁零件 加工精度 工藝分析

一、引言

在現代化的工業制造中，薄壁結構越來越多，尤其是航空航天、雷達通信等高精尖領域，這些領域的薄壁件大多數為整體框、梁、壁板等，既要保證薄壁結構的強度，又要盡可能地降低零件的重量，同時滿足零件結構復雜性和造型復雜等要求。但是薄壁構件相對剛度和強度較差、結構不規則，這就使得在制造過程中裝夾困難，零件極易發生變形，在加工過程中容易產程振動、失穩，使得加工質量大大下降，給制造帶來極大的困難。因此，從設備的選擇、工件的裝夾、刀具的選擇、零件加工工藝分析、程序的編制等多角度出發，充分分析影響薄壁零件加工質量的因素，找出對應的解決措施，是提高薄壁零件加工精度的基本途徑。

二、薄壁件產生變形的原因

1.外力夾持

在機械加工過程中，工件受到切削力、離心力、慣性力等的作用，為了保證在這些外力作用下，工件仍能在夾具中保持已由定位元件確定的加工位置，而不致發生振動或位移，在夾具結構中應設置夾緊裝置，將工件可靠夾牢。但在夾緊過程中，由于零件的結構為薄壁結構，零件強度較低，其在夾緊力的作用下極易發生變形。例如一個薄壁套筒類零件，如果采用傳統的三爪卡盤進行夾緊則造成零件的變形，圓形變形為三角形，無法保證加工的質量。

2.切削力

在機械加工過程中，通過刀具和工件之間按照一定軌跡的相對運動完成切削加工，因此在切削過程中會形成刀具和和零件間的相互作用力[3]。在車削中，切削力可以分解為軸向力和徑向力，其中徑向力垂直于零件軸線，造成零件彎曲，使零件變形較大，切削后零件表面形成鼓形表面，造成嚴重的形狀誤差。在銑削過程中，如果零件的受力表面沒有足夠的支撐，同樣會造成零件變形，使得加工表面凸起，形成所謂的欠切狀態。因此，切削力是影響薄壁零件加工精度的關鍵因素。

3.熱變形

在金屬切削過程中，由于刀具和工件之間的強力接觸和摩擦會形成比較嚴重的切削熱。切削熱會使工件發生嚴重的變形，對于薄壁件尤為明顯。同時熱量的積聚和增加會造成刀具的磨損加劇，最終造成零件加工精度的降低。

此外，主軸的高速旋轉也會產生熱量，使主軸伸長，車床中就會改變零件的加工位置，銑削中就會改變刀具的位置，但最終表現為工件和零件相對位置的改變，形成加工誤差，影響零件的加工精度。

4.振動

機械加工產生振動的原因有很多，主要包括機床自身結構形成的強迫振動，例如電動機的高速旋轉、機械結構的不平衡、油泵工作不平穩等，都會引起機床的強迫振動，這些振動會影響薄壁零件的裝卡和加工工件的精度[4]。與此同時，機床在加工過程中產生的交變力引起不衰減的振動，會使加工產程變形影響零件的精度。例如在磨削過程中，砂輪對工件產生的摩擦會引起較大的不衰減振動，影響磨削表面的質量。

5.加工工藝不合理

在機械加工中，加工工藝及加工方法直接影響零件的精度，不合理的加工工序和加工順序將造成零件變形較大，因此合理的加工工藝過程是保證零件加工變形小、提高加工質量的關鍵環節[1]。

三、提高薄壁零件加工精度的措施

1.采用專用夾具

對于薄壁零件，在加工過程中采用合適的專用夾具代替傳統的通用夾具，可以改變零件的受力特點，主要包括受力作用點、受力方向、夾緊力的大小，從而降低夾緊力造成零件變形。夾具夾緊力的作用方向應使工件變形盡可能小，夾緊力應作用在剛度較好部位，夾緊力大小要合適[4]。例如在薄壁套類零件的切削過程中，通過專用夾具將采用三爪卡盤的徑向夾緊力改成軸向受力，可以大大提高受力強度，降低夾緊力變形。在要求采用徑向夾緊的工件，采用鹿皮等軟式夾緊機構，可以加大夾緊的接觸面積，使得在同樣單位面積壓力下取得最好的夾緊效果。

2.補償切削

在薄壁件的加工過程中，在切削力的作用下，工件會產生欠切削變形，即在車削中，形成鼓形結構，在銑削過程中，造成突起表面，因此在切削過程中可以采用特殊的加工法。例如車削中通過刀具或工件相對位置人為調整進行欠切補償，銑削中通過高速加工技術進行分層對稱銑削來控制加工精度。在許多現代加工中采用數控機床進行加工，可以通過一定的實驗或計算機軟件來模擬實際加工過程，從而測定零件各個部分的變形量，在變形小的地方采用大進給量，而在變形大的地方采用小的進給量，在進行編程過程中，局部改變進給量，實現刀具偏擺，讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加補償運動，補償因變形而產生的變形，提高零件的加工精度[2]。

3.選擇合適的刀具

刀具和工件的接觸和摩擦是產生切削力和切削熱的主要原因，因此采用合適的刀具材料、合適的刀具角度可以大大降低切削力。通常刀具前角的大小是影響刀具鋒利程度大小的主要因素，前角越大切削變形和摩擦力越小，前角每增加一度，切削溫度及切削力會降低10%，同時刀具的振動幅度會大大減小，有助于提高加工精度和質量。但是前角太大，會使刀具的楔角減小，降低刀具的強度，并且不利于刀具散熱，使得刀具容易磨損。因此，要在刀具耐用度允許的情況下，選擇合理的刀具材料，使刀具膨脹系數小，同時選用較大的刀具前角和后角，有助于降低工件受力變形和熱變形。

4.選擇合適的切削用量

在機械加工過程中，刀具和工件間的相互作用使得切削層金屬發生彈性變形和塑性變形會產生一定的熱量，同時切屑與刀具之間的摩擦會產生熱能。縱觀各種影響因素，切削速度對切削熱影響最大，在低速加工中，隨著切削速度的提高，切削溫度明顯上升，這不僅使得工件變形明顯，還造成刀具的急劇磨損，影響加工精度。然而，隨著溫度的繼續升高，切削形成的熱量反而下降，形成所謂的高速加工。在高速加工中，由于切削速度較快，熱量及時被切屑帶走，工件熱變形較小。但高速加工中主軸熱變形會導致機床高速主軸的伸長，因此要選擇合適的切削速度，使二者的綜合效果達到最佳。從加工角度而言，根據所選擇的設備及實際工作條件，選擇合適的切削速度可以大大降低切削熱及切削力，提高加工質量。

此外，進給量對切削熱也有一定的影響。在加工過程中，切削區的熱量主要積聚在切屑中，因此應該使用連續的進給和高速進給，連續進給可以防止刀具在某一位置停留，以免造成工件局部過熱。在高速進給過程中，隨著不斷的斷屑，熱量被切屑帶走，來不及傳給工件，工件基本上不受切削熱的影響，因而避免了熱變形。

5.合理選擇機床

在加工過程中，加工設備的穩定性直接影響零件的加工精度，因此，選擇加工性能好、剛度大、熱穩定性好的機床是提高零件精度的首要條件。在機床的使用過程中要注意采用散熱、通風或間歇加工等方式，盡可能地使機床工作于熱平衡狀態，使機床不受溫度的影響。

6.進行合理的工藝設計

零件工藝設計主要包括：工序的劃分、加工順序的確定、進給路線的確定。薄壁零件加工工藝的重點應著眼于零件的結構特點，采用粗加工和精加工來劃分工序，即先進行粗加工，然后進行精加工。這種加工方法便于薄壁零件在加工過程中穿插時效處理，校正工序和調整夾緊力，使零件的殘余應力得以釋放，變形最小。在加工順序安排上，應先加工基準表面、主要表面，先粗加工后精加工。進給路線要合理安排起刀、換刀和運動疊加，既要滿足刀具的運動軌跡要求，又要保證刀具的磨損最小，工件變形最小。零件的工藝設計是個非常復雜的問題，合理設計有助于提高零件的加工精度。

7.選擇適當的切削液

在加工過程中形成大量的切削熱，除了通過切屑帶走，還可以通過冷卻液方式進行處理。根據零件材料和刀具材料的不同可以采用不同的冷卻液，例如采用高速鋼刀具精加工時，可以采用水溶液，加工鑄鐵時采用非水溶性切削液[5]。同時，不同的加工方法要選擇不同的切削液，例如在精車過程中，選擇高濃度的乳化液或油性切削液。而銑削是斷續切削，每個刀齒的切削深度持續變化，加工中振動和沖擊力較大，產生大量的切削熱，因此高速銑削時，需用冷卻性好并有一定潤滑性能的切削液。

四、結語

本文分析了薄壁零件的變形原因，并提出了減小薄壁零件變形的基本途徑，可以在薄壁零件的加工過程中充分考慮各個因素所占有的權重，合理處理每個相關環節，從零件的基本結構特點和精度要求、性價比等多角度出發，合理地控制變形量，提高零件的加工精度。

參考文獻：

[1]姚榮慶.薄壁零件的加工方法[J].機床與液壓，2007（8）.

[2]白麗艷.淺析影響薄壁零件加工精度的因素及其工藝措施[J].機電信息，2012（30）.

[3]麻東升.影響薄壁零件加工精度的因素及工藝措施[J].河北科技學院學報，2008（12）.

[4]林中.提高薄壁零件加工精度的探討[J].機電技術，2008（2）.

[5]安潤喜.不同加工方法切削液的選擇[J].機械工程與自動化，2006（8）.

本項目為沈陽工程學院校內科研項目研究論文

項目名稱：薄壁構件加工變形研究及應用

項目編號：LGYB-1307