現代化機械設計制造工藝及精密加工技術探討

摘 要：精密加工就是在超精密機床設備上，利用零件與刀具之間產生的具有嚴格約束的相對運動 ，對材料進行微量切削，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過程。當前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度小于 0.025μm，以及所用機床定位精度的分辨率和重復性高于 0.01μm 的加工技術，亦稱之為亞微米級加工技術。

關鍵詞：機械；精密加工；技術

一、前言

精密鑄造成形、精密模壓成形、塑性加工、薄板精密成形技術在工業發達國家受到高度重視，并投入大量資金優先發展。20世紀 70 年代美國空軍主持制訂“鍛造工藝現代化計劃”，目的是使鍛造這一重要工藝實現現代化，更多地使用CAD/CAM，使新鍛件的制造周期減少。1992年，美國國防部提出了“軍用關鍵技術清單”，其中包含了等壓成型工藝、數控計算機控制旋壓、塑變和剪切成形機械、超塑成型 / 擴散連接工藝、液壓延伸成型工藝等精密塑性成型工藝。

國外近年來還發展了以航空航天產品為應用對象的“大型模鍛件的鍛造及葉片精鍛工藝”、“快速凝固粉末層壓工藝”、“大型復雜結構件強力旋壓成型工藝”、“難變形材料超塑成形工藝”、“先進材料（如金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等）成形工藝”等。我國的超塑成形技術在航天航空及機械行業也有應用，如航天工業中的衛星部件、導彈和火箭氣瓶等，采用超塑成形法制造偵察衛星的欽合金回收艙。與此同時，還基本上掌握了鋅、銅、鋁、欽合金的超塑成形工藝，最小成形厚度可達 0.3mm，形狀也較復雜。此外，國外已廣泛應用精密模壓成形技術制造武器。常用的精密模壓成形技術，如閉塞式鍛造、采用分流原理的精密成形及等溫成形等國外已用于軍工生產。目前，精密模壓技術在我國應用還較少，精度也較差，國外精度為±0.05～0.10mm，我國為±0.1～0.25mm。

二、典型薄壁零件的加工技巧

（一）加工問題的提出

薄壁零件的加工屬機械加工中比較棘手的問題，內外橢圓薄壁零件的加工更是如此。原因是薄壁零件剛性差，強度弱，在加工中極易變形，致使零件的形位誤差增大，降低零件的加工質量。為此，對薄壁零件的裝夾，加工中刀具的合理選用以及切削用量的選擇，提出了特殊要求。

我們加工的內外橢圓薄壁零件為壁厚1.2 mm，材料：鋁合金（牌號2A80 ）、外徑214 mm， -67.9 mm的薄壁零件。

技術要求如下：

（1）內壁的型線包含一個氏15mm的直線段，和一個2：1的標準圓，橢圓中心位于兩條中心線的交點。

（2）半氏軸為（105+—0.05）mm，半短軸為（52.5+—0.05）mm，直徑（210+ -0.1）mm，薄壁2mm，圓度0.2 mm。

（3）未注公差按GB /T1804.f執行。

（二）工藝分析

根據薄壁類零件的加工特點及防比和減少變形的各類方法，我們在編制工藝路線時考慮了以下幾點。

1、車加工分粗車、精車。粗車時吃刀量和進給量可取大些，精車時吃刀量和進給量選相對小些，以此消除加工時因切削力過大而引起的變形。

2、在粗加工后精加工前增加熱處理工序。使用熱處理方法增加零件材料強度和硬度，達到改善零件受力變形狀態，從而減少精加工后的變形。

3、選擇前角相對大一點的刀具，保持刀具鋒利，以便減小切削力。

4、應用軸向夾緊夾具。車薄壁工件時，一般不使用徑向夾緊，而是選擇軸向夾緊，用螺母端來壓緊工件，使夾緊力沿工件軸向分布，這樣可防比夾緊變形。

（三）示意圖

（四）薄壁零件加工問題分析

（1）工件裝夾不當產生變形用自定心卡盤夾緊薄壁外圓，車削完成卸下后，被卡爪夾緊部分會因彈性變形而脹大，導致零件呈多角形。為了減少變形，使用前車削扇形軟卡爪內孔及內端而并符合零件定位外圓尺寸，且保持內孔與端而垂直，同時采用外加開口套筒或改用特殊軟爪等措施來增大接觸而積，使夾緊力均勻分布。

（2）相對位置調整不準，產生壁厚不均工件、夾具、刀具與機床主軸旋轉中心的相對位置調整不準，引起工件幾何形狀變化和壁厚不均勻。

（3）有些薄壁零件均勻性要求很高，但其尺寸精度要求卻不高這類工件若采用剛性定位，則誤差較大，壁厚極易超差。

（4）刀具的選用會影響零件的精度和表而粗糙度精車薄壁零件孔時，刀桿的剛度要高，修光刃不宜過長（一般取0. 2 - 0. 4mm），刀具刃口要鋒利，同時注意冷卻潤滑，否則影響加工表而粗糙度；精車深孔薄壁時，還要注意刀具的磨損情況，特別是車削高強度材料的薄壁時，往往由于刀具逐漸磨損而使工件孔徑出現錐度。

（五）薄壁零件車削過程中常出現的問題、原因及解決辦法

1.薄壁零件的種類及加工要求

薄壁零件的種類很多，在車削加工中經常碰到的薄壁零件有3種類型。

（1）軸套薄壁件，這類零件內、外圓的直徑差很小，軸向尺寸大于徑向尺寸；一般對孔的圓度、圓柱度、各圓柱表面的同軸度、孔軸線的直線度等都有嚴格的要求（如圖1所示）。

（2）環類薄壁件，這類零件內、外圓的直徑差很小，徑向尺寸大于軸向尺寸，端面面積小；一般與套類薄壁件的要求基本相同，但有時有1個或2個端面對孔軸線的垂直度有嚴格的要求（如圖2所示）。

2.薄壁零件加工問題分析

車削各類薄壁零件時，會遇到各種問題，要解決這些問題就必須根據其不同的特點，找出薄弱環節，選用不同的工藝路線和裝卡方法來保證加工要求。

（1）工件裝卡不當產生變形。用三爪卡盤夾緊薄壁外圓，車削完成卸下后，被卡爪夾緊部分會因彈性變形而脹大，導致零件呈多角形。為了減少變形，使用前先車削扇形軟卡爪內孔及內端面，并符合零件定位外圓尺寸的士0. OS mm，且保持內孔與端面垂直，同時采用外加開口套筒或改用特殊軟爪等措施來增大接觸面積，使夾緊力均勻分布。

（2）相對位置調整不準，產生壁厚不均。工件、夾具、刀具與機床主軸旋轉中心的相對位置調整不準，引起工件幾何形狀變化和壁厚不均勻。

（3）有些薄壁零件的壁厚均勻性要求很高，但其尺寸精度要求卻不高。這類工件若采用剛性定位，則誤差較大，壁厚極易超差。可采取以下措施：a縮小工件基準尺寸的公差，成批產品需保證批差為0.03mm； b采用彈性定心元件，如塑性漲胎等；c利用夾具定位元件做初定位，按百分表找正后再夾緊工件。

（六）典型薄壁零件的加工技巧

1.分析圖樣、毛坯及加工的難點

（1）零件毛坯分析。毛坯是由生產廠家鑄造成型的粗坯，需要加工零件的端面、外圓和薄壁等距寬槽部分，其中寬槽是加工重點，每個槽肋都非常薄，同時還要考慮批量生產的效率。

（2）加工難點分析。工件裝夾位置有限。既要考慮如何保證工件加工時的定位精度，又要考慮裝夾方便、可靠，而我們通常都是用三爪卡盤夾持外圓或撐內孔的裝夾方法來加工，但此零件較薄，車削受力點與加緊力作用點相對較遠，還需車削的薄壁寬槽，受力很大，剛性不足，容易引起變形，因此要充分考慮如何裝夾定位的問題。

2.設計零件的裝夾

1、對零件薄壁右端外圓的裝夾設計。從圖5中可以看到，零件是在三爪自定心卡盤上裝夾，零件只受到三個爪的夾緊力，夾緊力不均衡，從而使零件變形。如果將零件上的每一點的夾緊力都保持均衡，換句話說，就是增大零件的裝夾接觸面，而減少每一點的夾緊力。如圖6所示，采用開縫環套裝夾，通過試驗證明！后一種方法夾緊，零件的變形小，方法可行。

2、對于毛坯上2.5mm厚凸圓的右端面以及右端外圓和寬槽的車削，應該如何裝夾，我們采用的辦法就是！先在三個卡盤的卡爪上分別焊接一個康型凸臺，凸臺厚度大概為2mm，將卡爪改進成如圖7所示的情況，用來夾住零件的左端，然后在零件的右端設計一個專用夾具，如圖呂所示，用來頂住零件右端，從而形成一夾一頂的牢固裝夾，其裝夾方式如圖9所示。

2.選擇合理的切削參數

薄壁零件車削時變形是多方面的。裝夾工件時的夾緊力，切削工件時的切削力，工件阻礙刀具切削時產生的彈性變形和塑性變形，使切削區溫度升高而產生熱變形。切削力的大小與切削用量密切相關。

我們在試驗中發現：背吃刀量和進給量同時增大，切削力也增大，變形也大，對車削薄壁零件極為不利。減少背吃刀量，增大進給量，切削力雖然有所下降，但工件表面殘余面積增大，表面粗糙度值大，使強度不好的薄壁零件的內應力增加，同樣也會導致零件的變形。所以，應根據切削用量的選用原則，合理地確定數控車床的各項切削參數。

①外圓粗車時，主軸轉速每分鐘500一600轉，進給速度F100一120，留精車余量 0.3一0.5mmo

②外圓精車時，主軸轉速每分鐘1 100一1 200轉，進給速度F120一1明，采用一次走刀加工完成。

③寬槽加工時，用3個G75指令進行定位加工，主軸轉速每分鐘560轉。進給速度F20一300

參考文獻：

[1]康戰，聶鳳明，劉勁松，張廣平. 單點金剛石精密數控車削加工技術及發展前景分析[J]. 光學技術，2016，02：163-167.

[2]官邦貴，劉頌豪，章毛連，王玉連，劉慧. 激光精密加工技術應用現狀及發展趨勢[J]. 激光與紅外，2016，03：229-232.

[3]袁巨龍，張飛虎，戴一帆，康仁科，楊輝，呂冰海. 超精密加工領域科學技術發展研究[J]. 機械工程學報，2016，15：161-177.

[4]董紅磊. 精密加工與精密測量技術的發展[J]. 宇航計測技術，2017，06：20-22+26.

[5]張建明. 現代超精密加工技術和裝備的研究與發展[J]. 航空精密制造技術，2017，01：1-7.

[6]王大偉，崔宇，楊坤，陳喜龍. 精密和超精密加工技術的發展[J]. 科技資訊，2017，14：12.

[7]趙健. 綜論超精密加工技術的發展[J]. 機械研究與應用，2017，05：6-8.

[8]李圣怡，戴一帆，彭小強. 超精密加工機床及其新技術發展[J]. 國防科技大學學報，2015，02：95-100.

[9]李圣怡，戴一帆. 超精密加工技術的發展及對策[J]. 中國機械工程，2015，08：7-10+1.

[10]李圣怡，朱建忠. 超精密加工及其關鍵技術的發展[J]. 中國機械工程，2015，Z1：186-188+235+8.

[11]楊輝. 高效、極致——精密超精密加工技術的發展與展望[J]. 航空制造技術，2018，11：26-31.

[12]簡金輝，焦鋒. 超精密加工技術研究現狀及發展趨勢[J]. 機械研究與應用，2017，01：4-8.

[13]袁哲俊，周明. 加速發展我國的精密和超精密加工技術[J]. 工具技術，2016，02：2-7.

[14]王先逵. 超精密加工技術的發展[J]. 航空精密制造技術，2017，01：1-6.

[15]許茂桃. 超精密加工技術的發展及其對策[J]. 制造技術與機床，2016，01：13-15.

[16]張蘭娣，馬軼群，梁建明. 超精密加工技術的發展[J]. 河北建筑工程學院學報，2015，01：81-84+90.

[17]賀大興，盛伯浩. 超精密加工技術的發展現狀與趨勢[J]. 新技術新工藝，2017，05：2-3.

[18]張順國，谷志強，龍劍，張恩僑. 超精密加工技術的發展狀況[J]. 機械工程師，2017，11：19-22.

[19]徐寧，李素玲，王淑君. 精密加工技術的現狀及發展前景[J]. 機械制造，2015，09：36-38.

作者簡介：

劉成梁，出生年月：1996.01.02，性別：男，民族：漢族，籍貫（精確到市）：湖北省襄陽市，學歷：本科，研究方向：機械設計制造及其自動化.