大型薄壁件車加工變形控制

摘 要：文章介紹了根據現場試驗，通過優化加工刀具、優化工藝路線、優化切削參數、優化裝夾方案等積累的一些大型薄壁零件的車加工變形控制方法和經驗。

關鍵詞：薄壁零件；變形控制；方法

引言

零件毛坯在鑄造、鍛壓、焊接等過程中，由于受熱、冷卻的作用，在零件內部產生殘余內應力，導致工件處于特別不穩定狀態，降低了工件的尺寸精度，使工件在工作過程中產生應力變形，因此加工變形是薄壁弱剛性構件普遍存在的問題。

大型薄壁殼體零件，存在兩個加工弊端，一是受零件形狀和鍛造工藝限制，毛料余量大；二是受零件材料的影響，一般大型薄壁零件均采用高溫合金、鈦合金等難加工材料，零件的切削性能差，這樣就給變形控制帶來一定的難度。下面就從以下幾方面介紹大型薄壁零件的車加工變形控制。

1 合理安排加工路線

對于毛料余量很大的零件，車加工路線分為：粗加工、半精加工、精加工，同時要合理分配各工序加工余量，在粗加工后安排去應力熱處理工序，這樣可以消除毛料中的殘余應力；在半精加工后進行自然時效或振動時效等方法消除加工應力，減少零件變形。半精車后一定要求安排車基準工序，保證加工基準面的平面度要求，提高加工質量。

振動時效消除零件殘余應力的方法比自然時效需要的時間短，可以縮短零件的加工周期，這種方法將是未來的發展方向。

2 通過夾具、輔助支撐等方式增強零件的系統剛性

由于薄壁零件的外型多樣，零件自身剛性差，在裝夾時壓緊位置的受力不同，所產生的變形量就會不同。實踐證明，增大零件與夾具的受力接觸面，減少零件的共振現象，可有效的降低零件的變形。

某大型薄壁機匣（直徑在1.3米，高0.46米），在粗車內外圓時，通過袋裝砂礫子放置在零件內圓，橡膠帶纏繞在外圓的方法，增到阻尼，有效減震，控制零件的加工變形。精加工時夾具采用內外分級輔助支撐結構，內圓均布8點兩級輔助支撐，外圓均布12點3級輔助支撐。加工中采用打表的方式進行支撐，避免支撐力過大，加工中產生彈性變形。該種裝夾方式，有效地增強了大型薄壁零件的切削剛性，減小零件加工過程中產生的振動、應力變形和讓刀現象，保證零件的表面加工質量。

組合夾具也同樣可以達到增加系統剛性的目的，成本較低，更有利于單件加工，需要注意的是輔助支撐最好采用面接觸的方式，這樣使承力面受力更均勻。另外值得注意的是，隨著零件車加工過程中壁厚尺寸的減小，零件剛性就會越來越差，所以零件各個工序加工時，要采用未加工部分作為加工部分的支撐，這樣可以增強加工位置的剛性。

3 規劃能夠減小零件變形切削路徑

科學合理地安排薄壁件的切削走刀路徑，是減少零件加工變形量的有效手段。在車加工過程中，要依據零件具體結構、毛料余量，正確安排零件各個型面的加工先后順序和刀具走刀路線。

某大型薄壁零件在加工中變形較大，所以對零件的加工路線進行了改進。該零件在進行車加工時，采用對稱加工的方式，均勻留余量，保證每道工序加工余量均勻，這樣可以均勻的釋放零件的內部應力，減少加工變形。同時每道車加工工序都進行粗精加工工步，首先粗加工后，單邊留0.5余量，松開壓板，釋放應力，然后重新裝夾找正零件，再進行精加工；在零件精車工序，零件壁厚小，剛性差，因此采用內外對稱分級交替的方式加工，即內圓加工上部，進行外圓對稱部位的加工，然后加工內圓中部，進行外圓對稱部位加工，以此類推，交替加工。經過試驗，該方法可以有效地減少加工應力變形，保證加工精度。

4 合理的選擇刀具

加工中，刀具受到來自工件和機床的作用，產生一定量的變形，對工件的加工質量有影響，根據刀具變形產生的原因，可分為受熱變形和彈力變形。選擇合理的刀具主要是在刀具本身強度、鋒利程度、耐磨程度等方面做出合理的選擇。根據零件材料選擇合適的刀具材料，根據加工部位選擇合理的刀具角度，根據不同嘗試，確定最優的選刀方案。

4.1 高溫合金材料的加工

大型薄壁件大多采用高溫合金材料，故要求刀具鋒利，一般情況下宜選取較小正前角，較大后角，較大工作主偏角。加工鎳基高溫合金的刀具應該選用耐磨性和穩定性好的材料，主要為硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷刀具等，其中陶瓷刀具適合余量大的粗加工工序。精加工應該選用硬質合金、涂層硬質合金刀具。車削時刀具的幾何參數：前角γ0=5°～10°，后角α0=10°～15°，刀尖圓弧半徑R=0.4～0.8mm，刀頭前刃面應作斷屑槽或采用可轉位刀片。

4.2 鈦合金材料的加工

車削鈦合金時，應盡可能使用硬質合金刀具，以提高生產率，應該選用與鈦合金親和力小，熱導性能良好的高強度細晶粒鎢鈷類（YG類）硬質合金。為提高切削刃強度和散熱能力，刀具應采用較小的前角（5°～10°）和較大的后角（6°～15°）。刀尖采用圓弧過渡刃，刀刃上避免有尖角出現。刀刃上避免有尖角出現。刀刃的粗糙度應盡可能小，以保證排屑流暢和避免蹦刀。

4.3 加工中的具體應用

粗加工刀具的選擇：粗加工時選擇耐磨刀具，W6R0.4切刀片以及R1.2的方刀片進行加工，這樣可以大大提高加工效率；半精加工選擇W4R0.4和DNMG型偏刀進行加工，加工切削力小，減少零件的應力變形。精加工刀具的選擇：加工時，一般單邊余量在1mm，使用半精加工刀具加工時，產生很大的振動，變形較大。經過試驗加工，選用VB型偏刀加工型面效果較好，但是在加工長斜面時，產生嚴重的讓刀，多次光刀效果不佳，表面加工硬化，刀具非常易磨損。大膽嘗試大前角拋光刀片VCGT型刀具加工大斜面，由于該刀具鋒利，大大減少加工變形量，保證尺寸要求，同時可以保證壁厚均勻，該刀片讓刀小并且一致性好，值得推廣。

5 加工參數的選擇和優化

加工參數的合理選擇，也是控制薄壁零件加工變形的主要方法，同時可以達到優化加工、提高加工效率的目的。總體原則是粗車加工采用大切深，小進給、低轉速的強力切削方式提高材料去除率，半精車加工給精加工留均勻的余量，在精車加工時，采用大進給，小切深、高轉速的高速切削方式，保證零件的加工質量。

車削高溫合金時，應采用較小偏低的切削速度，并適當加大切削深度和進給量，保證切削刃和刀尖在硬化層下進行切削。車削鈦合金時，切削速度不宜過高（40～50）m/min，背吃刀量可以較大，進給量應適當。但是要根據不同材料選擇合適的深度，保證在加工硬化層下切削，這樣可以減少磨刀。

以上方案確定后，還要根據軟件對程序進行優化，特別是零件的轉角連接處，結構特殊位置和接刀處進行每一段程序的參數優化，優化后的程序要求進行試驗加工，然后根據現場實際加工情況進行二次優化，保證參數最優，有效控制零件的加工變形。

6 切削液的要求

切削液的作用主要是減少切削過程中刀具的磨損和降低切削溫度，在加工中為了避免零件加工變形必須合理充分的使用切削液，保證零件的加工部位切削液充足，這樣可以降低車加工時零件受熱、受力變形，提高刀具的耐用度和零件的表面質量。

7 結束語

航空領域大型薄壁零件較多，依托現有零件，主要從加工路線的選擇、切削走刀路徑的優化、輔助支撐增強零件剛性、合理選擇刀具和優化切削參數等方面對控制大直徑薄壁零件車加工變形進行探討，并總結了現場的實際加工經驗，為類似薄壁零件的加工提供技術支持。

參考文獻

[1]劉杰華，任昭容.金屬切削與刀具實用技術[M].國防工業出版社，2006.