薄壁零件機(jī)加工工藝及方法研究

劉從華，張 寧

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100194）

薄壁零件機(jī)加工工藝及方法研究

劉從華，張 寧

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100194）

薄壁零件一直是機(jī)械加工中較難成形的零件，這主要是由于其在機(jī)加工過(guò)程中易發(fā)生變形，尺寸以及形位公差均很難達(dá)到要求。然而薄壁零件又是各機(jī)械所必須的結(jié)構(gòu)件，這就要求必須攻克薄壁零件的機(jī)加工技術(shù)。本文就為解決薄壁零件機(jī)加工問(wèn)題，分析其工藝以及方法。

薄壁零件；機(jī)械加工

1 影響薄壁零件質(zhì)量的因素

現(xiàn)代化加工技術(shù)在不斷的進(jìn)步，薄壁零件加工技術(shù)日趨成熟，現(xiàn)在已經(jīng)成為高科技產(chǎn)業(yè)的重要標(biāo)志之一。薄壁零件機(jī)加工技術(shù)在軍事。航天等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。航空航天急需輕質(zhì)的零部件，而薄壁零件剛好滿足輕質(zhì)的要求，而且能夠節(jié)省材料且結(jié)構(gòu)緊湊，可是因?yàn)槠潆y加工，而且容易在加工時(shí)使零件發(fā)生形變，使其加工精度很難得到保證，這會(huì)直接影響零件的質(zhì)量。

對(duì)于薄壁零件而言，其加工工藝的精度是機(jī)械加工領(lǐng)域亟待解決的重要問(wèn)題，這是精密加工面臨的重要難題之一。薄壁零件有其自身的優(yōu)勢(shì)，比如其質(zhì)量輕，可是其構(gòu)造較為復(fù)雜而且強(qiáng)度不高，這就給其加工帶來(lái)了難度。因此，應(yīng)把握影響薄壁零件質(zhì)量的因素，并對(duì)其進(jìn)行深入分析，進(jìn)而才能提出行之有效的工藝改進(jìn)措施。

影響薄壁零件質(zhì)量的主要因素如圖1所示。物理因素、力的作用、工藝系統(tǒng)熱變形以及工藝路線安排等均會(huì)影響薄壁零件加工的質(zhì)量。其中物理因素主要有來(lái)自加工原理的誤差、機(jī)床精度、刀具精度、夾具精度以及零件本身的內(nèi)應(yīng)力；力作用因素主要來(lái)自?shī)A緊力和切削力；還有包括機(jī)床熱變形、刀具熱變形以及零件熱變形在內(nèi)的工藝系統(tǒng)熱變形因素；在工藝路線方面，無(wú)論是走刀方式、銑削方式還是熱處理的安排都會(huì)對(duì)薄壁零件加工精度產(chǎn)生重要影響；除了上述的影響因素，斷刀以及機(jī)床故障同樣會(huì)影響薄壁零件的質(zhì)量。通過(guò)分析可知，通過(guò)合理的設(shè)置相關(guān)的工藝路線，并能在刀具參數(shù)的安排上予以科學(xué)的規(guī)劃，并優(yōu)化走刀路徑，就能盡可能控制零件的加工變形。

圖1 影響薄壁零件質(zhì)量因素

2 薄壁零件加工工藝及方法分析

2.1 零件裝夾

零件的裝夾會(huì)對(duì)零件加工造成重大影響，這是因?yàn)榱慵旧淼膹?qiáng)度所決定的。如果采用傳統(tǒng)的三爪卡盤(pán)、虎鉗或者壓板能引起應(yīng)力集中，使得在夾緊力所處的三點(diǎn)發(fā)生較大的形變。考慮到壓強(qiáng)公式P=F/S，可想到增加薄壁零件與裝夾裝置接觸面的面積，也就是在壓力相同的情況下，通過(guò)受力面積的增加，有效的減少了其所受的壓強(qiáng)，同時(shí)使得受力更加均勻，最大程度上改善了因裝夾引起的變形。具體做法就是，在薄壁零件在進(jìn)行機(jī)械加工的時(shí)候，應(yīng)該仔細(xì)推敲每一個(gè)零件所在的方位以及夾緊裝置。大部分的夾緊所用裝置均能夠利用特殊的夾具處理，比如輔助軸承、脹套或者施工環(huán)。除此之外，薄壁環(huán)形零件還能可以應(yīng)用軸向裝卡裝置二不是應(yīng)用徑向裝卡裝置，而且通過(guò)該部分改良優(yōu)化方法，有針對(duì)性的解決零部件的變形問(wèn)題。若想提升加工精度，還需要從零件的角度考慮，其中有一個(gè)方法就是提升零部件的硬度，在這方面，比較常見(jiàn)的方法就是在加工時(shí)臨時(shí)將零件壁厚增加，若想完成此類操作，就應(yīng)該采用某些較為特殊的材料對(duì)預(yù)加工零件的空缺處進(jìn)行澆灌，比如向其中注入石蠟或者松香，待這個(gè)加工過(guò)程結(jié)束之后，將此類澆灌材料清除。其中環(huán)形薄壁零件就可以利用夾套、墊套完成裝夾工作，如圖2所示。

圖2 環(huán)形薄壁零件裝夾方式

2.2 銑削方式

當(dāng)其他條件固定的情況下，零件進(jìn)行機(jī)械加工所需工時(shí)的長(zhǎng)短主要是與走刀軌跡有關(guān)，如何能合理的選取走刀軌跡，就能很大程度上提升加工的效率。對(duì)于腔體零部件而言，走刀的軌跡分為行切法與環(huán)切法，兩者相比，環(huán)切法使得零件所受的切削力更加均勻，還能使應(yīng)力得以釋放，進(jìn)而促進(jìn)零件的加工精度。如果零件上存在對(duì)稱腔體，最好不采用加工完一個(gè)腔體后再進(jìn)行另一個(gè)腔體的加工，而且采取分層對(duì)稱環(huán)切方法，進(jìn)而使得產(chǎn)品質(zhì)量得到控制。

在進(jìn)行精加工的過(guò)程中，通常其內(nèi)腔已經(jīng)完成了粗加工，此時(shí)若想對(duì)其外壁進(jìn)行加工，就屬于加工一種既薄又長(zhǎng)的零件。這時(shí)候應(yīng)該采用單邊順銑的方法，這是因?yàn)榇朔椒ǖ那邢骱穸认啾扔谀驺姸愿螅邢鞫糖液瘢易冃螘?huì)相對(duì)較小，此時(shí)零件單邊受力，切削的紋理一致性較好，切削震動(dòng)比較小，其所加工出的零件精度比雙向銑削行切法好。

2.3 切削用量

金屬切削時(shí)由于切削力的作用使被切削零部件發(fā)生形變，與切削力大小息息相關(guān)的就是切削量，切削量越小則切削力越小，變形也越小，但是這會(huì)使得加工時(shí)間增長(zhǎng)，所以應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)那邢饔昧浚诒ＷC加工時(shí)間的前提下保證薄壁零件的加工精度。金屬切削原理給出了切削用量的三要素，分別是背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度。因?yàn)楸”诹慵趶较蚍较蛏嫌捎谑芰λ鸬淖冃屋^為顯著，因此將切削的背向分力作為研究對(duì)象。經(jīng)過(guò)實(shí)踐和理論分析，可知道，當(dāng)切削方法以及條件固定，那么切削力系數(shù)以及修正系數(shù)就一定，切削力大小就會(huì)隨著背吃刀量以及進(jìn)給量的增加而增加。對(duì)于薄壁零件而言，可以通過(guò)一定程度上進(jìn)給量的增加而使得背吃刀量有所減少，對(duì)加工余量進(jìn)行合理的分配，控制走刀的次數(shù)以及切削力。在進(jìn)行精加工的時(shí)候，背吃刀量通常選擇0.2～0.5 mm.進(jìn)給量會(huì)選擇0.1～0.2 mm/r，或者更小的背吃刀量，一次來(lái)控制切削力的大小。在進(jìn)行精車的時(shí)候可以通過(guò)高速切削來(lái)提升加工表面的質(zhì)量，可是應(yīng)通過(guò)控制刀具的角度、輔助支撐等多方面的因素來(lái)控制工件的共振，進(jìn)而提升零件的加工精度。

2.4 刀具角度

在薄壁零件加工過(guò)程中，刀具幾何角度對(duì)切削力大小的影響十分顯著，切削力在軸向以及徑向方向上的分配以及切削產(chǎn)生的熱變形或者是零件粗糙度均有十分重要的影響。刀具前角的大小是影響刀具鋒利與否的關(guān)鍵因素，一般前角越大，則刀具越鋒利，而且會(huì)降低切削力，使刀具與零件之間的摩擦力有效減少的同時(shí)減少了熱變形。可是當(dāng)前角過(guò)大，就會(huì)減小刀具鍥角，使其強(qiáng)度下降，這就會(huì)使得刀具的耐用度有所下降。例如，對(duì)40Cr進(jìn)行加工的時(shí)候，如果采用硬質(zhì)合金刀具，那么通常所選擇的前角為5°～ 16°，如果要進(jìn)行粗車，則前角在 5°～ 8°，這樣就能有效的提升刀具的耐用程度，如果進(jìn)行精車，那么前角會(huì)選擇8°～16°，進(jìn)而使刀具鋒利程度有所提升。

刀具與工件之間會(huì)有摩擦產(chǎn)生，這主要取決于刀具后角的大小，后角直接影響著刀具后表面與工件之間的摩擦程度。通常后角越大，那么摩擦力就會(huì)越小，由此產(chǎn)生的切削熱也會(huì)有所下降。可是后角若是持續(xù)增大，就會(huì)削弱刀具的強(qiáng)度，進(jìn)行薄壁零件切削的過(guò)程中，一般會(huì)根據(jù)精車和粗車的特點(diǎn)進(jìn)行后角的選擇，如果是精車，就選擇后角略大的刀具，如果粗車，就選擇后角較小的刀具。例如，材料為40Cr的零件在進(jìn)行切削時(shí)，會(huì)采用硬質(zhì)合金刀，粗車的過(guò)程中為了能有效保障刀具的剛性，后角選在5°～8°，在精車的時(shí)候，后角則選擇8°～12°，這樣就能有效的降低刀具和工件之間的摩擦，從而提升加工平面的表面質(zhì)量。

而切削力的分配情況就是由主偏角所決定的，這對(duì)于薄壁零件的切削是十分重要的。如果主偏角增加，那么徑向的切削力就會(huì)減小，軸向切削力增加，反之徑向方向切削力大軸向減小，因此薄壁零件應(yīng)選擇主偏角大的刀具。通過(guò)增大主偏角，來(lái)使得其徑向方向的切削力得到有效控制。

刀具副偏角的大小直接影響著零件的表面粗糙度，而且對(duì)刀具的強(qiáng)度也有著重要的影響。如果副偏角太小，則會(huì)使得其與加工表面的摩擦增加，發(fā)生震動(dòng)。因此在進(jìn)行對(duì)薄壁零件進(jìn)行切削加工的時(shí)候，通常選擇副偏角為8°～15°.在粗車的時(shí)候副偏角選擇大角度，精車選擇小的副偏角，這樣就能有效的提升刀具的耐用程度的同時(shí)還能確保加工表面的粗糙度。

3 實(shí)例分析

下面以一環(huán)形內(nèi)筒的薄壁零件加工為例進(jìn)行剖析，其零件圖如圖3所示。該零件長(zhǎng)391 mm，最小壁厚約2 mm，屬于典型的細(xì)長(zhǎng)的薄壁管件。在車削的時(shí)候很容易發(fā)生車漏現(xiàn)象，合理運(yùn)用上述分析內(nèi)容，將工藝制定如圖4.

圖3 環(huán)形內(nèi)筒薄壁零件圖

圖4 工藝流程圖

為減小零件的切削力，就需確保加工余量，因此在工序2的時(shí)候，粗車去外皮即可，使零件呈圓形，并將架位車出。在工序4的時(shí)候采用搖臂鉆床，并采用加長(zhǎng)鉆桿，進(jìn)而確保同軸度。在進(jìn)行半精車以及精車的時(shí)候，采用兩次裝夾，相當(dāng)于正車反車交替進(jìn)行，進(jìn)而使其受力更加均勻。在進(jìn)行車削外圓的時(shí)候，用90°的偏刀進(jìn)行切削并且進(jìn)給量要盡量的小，其中精車進(jìn)給低于0.2 mm，這就能有效減小切削的內(nèi)應(yīng)力。

4 結(jié)論

薄壁零件加工難，但是通過(guò)分析引起其變形的原因，并與加工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，通過(guò)理論分析，就能通過(guò)工藝方案的優(yōu)化使得零件的質(zhì)量和精度得以保證。在裝夾時(shí)應(yīng)盡量增加零件與裝夾裝置的接觸面積，進(jìn)而控制其受力不均的情況，并能依據(jù)工件的形狀選取較為合理的銑削方式，并選擇合理的切削用量，以此控制切削力的作用。刀具角度也是薄壁零件加工過(guò)程中需重要考慮的因素，應(yīng)根據(jù)精加工、粗加工以及加工材料的不同進(jìn)行刀具前角、后角、主偏角以及副偏角的選擇，這樣才能在保證零件精度要求的前提下提高刀具的使用壽命。

[1]王旭強(qiáng).薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)方法[J].中國(guó)科技投資，2016（11）：23-24.

[2]麻東升，劉長(zhǎng)榮，張小芹 .影響薄壁零件加工精度的因素及工藝措施 [J].河北科技師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（4）：62-65.

[3]張本忠.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量的改進(jìn)方法[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（5）：85-87.

[4]魏 麗，鄭聯(lián)語(yǔ).改進(jìn)薄壁零件數(shù)控加工質(zhì)量的進(jìn)給量局部?jī)?yōu)化方法 [J].航空精密制造技術(shù)，2011（4）：10-14.

[5]季 愷.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)分析[J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（9）：36-37.

[6]李 洋.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)方法[J].大陸橋視野，2016（18）：58-59.

[7]李 盼.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)分析[J].電子測(cè)試，2013（21）：229-230.

[8]龍倩倩.剖竹加工工藝分析及其數(shù)控加工機(jī)床的設(shè)計(jì)[D].東北林業(yè)大學(xué)，2014：25-26.

[9]孫瑞寶.淺談提高薄壁零件數(shù)控加工精度的工藝方法[J].電子制作，2014（12）：219.

[10]舒 安.對(duì)薄壁套類零件數(shù)控車削加工工藝的探討[J].讀寫(xiě)算：教育教學(xué)研究，2015（17）：18-19.

Research on Machining Technology and Method of Thin wall Parts

LIU Cong-hua，ZHANG Ning
（Beijing Spacecrafts，Beijing 100194，China）

Thin wall parts are always difficult to be formed in machining.This is mainly due to the deformation easily in the machining process，and the size and shape and position tolerances are difficult to meet the requirements.However，the thin-walled parts are the necessary structural parts of each machine，so it is necessary to overcome the machining technology of thin-walled parts.In order to solve the machining problem of thin wall parts，the process and method are analyzed.

thin-walled parts；machining

V262.3

A

1672-545X（2017）09-0217-03

2017-06-02

劉從華（1980－），男，江蘇濱海人，碩士，工程師，研究方向：CAD/CAM.