薄壁零件數控加工形變研究*

魏小兵

（江蘇省常州技師學院，江蘇 常州 213000）

目前，我國綜合國力不斷增強，工業水平正從工業大國向工業強國的目標大步邁進。在我國工業發展的各個領域，薄壁零件被廣泛應用。薄壁零件一般是指壁厚小于3 mm 的零件，因其重量輕、材料省、結構緊湊，所以被廣泛應用于航空零部件、精密測量零部件、軍用產品零部件中。薄壁零件的制造技術也隨著其廣泛應用變得越來越成熟，但相比于西方的制造技術還存在較大的差距。由于薄壁零件的剛性差，夾持過程中的夾持力難以確定。夾持力太小，加工過程中會產生振動，進而產生大量的切削熱；夾持力太大，又會導致零件夾持變形，影響零件尺寸、形狀精度及表面粗糙度。部分薄壁零件在加工中還會出現體積膨脹或縮小，伴隨著扭曲和彎曲變形，導致加工質量難以得到保障，加工效率低[1]。為了改善薄壁零件加工制造的工藝難點，筆者結合多年的工作經驗和研究，就如何在數控加工中改善加工工藝，解決在薄壁零件加工中出現的問題進行了詳細的分析，并提出改善性意見，同時進行了實際加工驗證，最終實現了薄壁零件的加工工藝改進，提高了薄壁零件產品的加工效率。本文以航空飛機中的管類零件為例，探析影響薄壁零件加工質量和效率的因素及改善措施，該零件采用304不銹鋼為毛坯，管的外徑為52 mm，薄壁厚度為2 mm，長度為248 mm。

1 工藝變形

工藝變形是指因工藝原因產生的變形問題。304 不銹鋼材料的韌性和塑性較高，但裝夾剛性差，容易產生扭曲變形、圓度及平面度誤差。根據該管狀零件的尺寸可以看出，該零件的外徑較大，零件比較薄，管體長度較長，容易在外部作用力下產生橢圓扭曲變形。在加工中，因其存在形位公差要求，需要在一次裝夾中完成管內和管外的數控車削加工。在管內加工中，刀具切削產生的切削力較大，內部會形成較大的制造殘余應力，使得工件產生彈性變形。此外，因工件加工時懸伸長度較長，采用三爪卡盤加工時剛性較差，會產生較大的夾緊力，導致工件產生加工變形，即使采用輔助裝夾也不可避免。

1.1 工藝變形原理

薄壁零件產生扭曲變形的原因是受力不均勻。經過前期研究，本課題采用測力儀分別測量了零件在軸向和徑向裝夾中的受力大小，還原了加工變形產生時該零件軸向和徑向的受力情況，并進行了有限元分析。根據薄壁零件軸向裝夾和徑向裝夾時產生的變形情況分析，數控加工時，工件在徑向裝夾狀態下受到的變形扭曲力大于軸向裝夾狀態下受到的變形扭曲力，其峰值位于工件的末端部位；而在軸向裝夾狀態下受到的變形扭曲力的峰值位于工件的中段，但受力的大小只有徑向裝夾下受力的一半。將這兩種裝夾狀態下零件受到的變形扭曲力進行比較，徑向裝夾狀態下的最大變形扭曲力是軸向裝夾狀態下的四倍，并通過計算可以得到工件徑向裝夾狀態下的變形量是軸向裝夾狀態下的十倍左右。在以上分析數據的基礎上，本課題還對軸向狀態和徑向狀態下的扭曲變形和應力大小進行了有限元分析。裝夾時，三爪卡盤對工件的端口施加了一定的夾緊力，由于夾緊力和零件材料產生的抗力及刀具切削時產生的徑向力位于同一回轉平面內，會產生較大的彎矩，導致工件局部彎曲，其中間部位部分徑向突出，產生鼓形變形[2]。工件靠近三爪卡盤的一側產生了較大的彈性變形，在軸向力的作用下，末端部位向外膨脹，靠近端部的回轉面產生徑向凹陷，表明此處產生了較大的變形應力。

1.2 優化裝夾方式解決變形問題

常規數控加工和普通三爪卡盤裝夾零件容易產生較大的扭曲變形，可通過設計專用夾具對工件內外成型面進行差異化制造。內輪廓可以選用4 根軸向均勻分布的拉桿來固定工件的端面，在止口端形成面接觸，并保證與外輪廓間有小的空隙；在加工制造外輪廓時可利用螺桿進行工裝，保證端面環狀壓板的緊固，并與工件端面有較好的接觸，同時保證與內輪廓面間保留較小的空隙。這種采用4 根拉桿和環狀壓板進行薄壁零件工裝的方法，再加上螺桿和端面壓板的協同工裝，可以保證工件加工精度的統一性，減少工序復雜造成的精度誤差，同時還避免了多次裝夾導致的裝夾力不確定性變化，有效保證工件在加工中的均勻受力，減少扭曲變形的產生。此外，利用有限元分析的受力結果顯示，環形壓板對工件的止口端面作用了軸向力，此時必須保證環形壓板的內側面對工件的外輪廓口產生作用力，避免受力集中和變形。鑒于此，受力分析后環形壓板的內側面要進行預開槽，通過控制開槽大小對工件加工中的工裝夾緊力進行調節，并利用公式對夾緊力產生的扭矩進行計算，保證夾具的夾緊力達到夾緊工件的需求即可[3]。通過以上夾具的優化設計，放棄了原有的三爪卡盤的通用夾具，而采用組合專用夾具進行工裝，并結合公式計算出的夾緊力產生的扭矩大小，成功完成了該零件的粗加工到精加工的工藝流程，最后將加工得到的零件進行實際測量，發現平面度為-0.02mm～0mm，圓度誤差為-0.02mm～-0.07mm。由此可以表明，經過受力分析并對工裝進行優化后，能有效降低薄壁零件加工中的受力變形，提高薄壁零件的制造質量和效率。

2 受熱變形

切削熱是所有切削加工中都會產生的物理現象，熱量來源于切削過程中刀具和毛坯材料間的摩擦。切削熱會使得刀具和工件的溫度升高，溫度升高容易引起摩擦系數的上升和積屑瘤的產生，最終影響刀具的使用壽命，工件的表面粗糙度會變差，彈性變形增加。在薄壁零件加工中，切削熱是薄壁零件產生受熱變形的重要因素，受熱后會產生整體變形和局部變形。通過實驗分析，切削熱的產生主要是受到切削用量、刀具幾何參數和切削液的影響。

2.1 分析薄壁零件特點，合理安排切削用量

切削用量即切削三要素：切削速度、背吃刀量、進給量。其中切削速度對切削熱的產生影響最大，熱量會隨著切削速度的上升而增多，當達到額定的速度后繼續加速，切削溫度會急劇上升。次之是進給量，但它對溫度的影響遵循一定的規律。進給量為0.1 mm/r 以下時，切削熱產生較少，溫度保持恒定狀態；進給量為0.1 mm～0.2 mm/r時，切削溫度與進給量呈正比例關系；當進給量上升到0.3 mm/r時，切削熱會急劇增加。對切削熱影響最小的是背吃刀量，背吃刀量增加，會使切屑的寬度增加，而切屑帶走的熱量也會相應增加，使得停留在工件表面的熱量不會劇烈增加。通過切削三要素對熱量產生的單因素實驗可知，粗精加工時，切削速度在100～120 m/min時產生的熱量穩定，不易導致熱變形[4]。進給量保持在0.1 mm～0.2 mm/r 時，工件表面溫度穩定，變形較小。背吃刀量在粗加工2 mm、精加工0.2 mm～0.5 mm時，產生的熱量在工件變形溫度承受范圍中。

2.2 按照工藝要求，選擇合適的刀具

薄壁零件加工中，選擇刀具尤為重要。對于本課題中的航空零件，由于材料為304 不銹鋼，一般用YG8、YG813或者W1、W2系列牌號的刀具進行加工。合理選擇刀具，幾何角度對切削過程中的切削力和產生的熱變形及表面質量都有很大的影響。刀具前角的大小對應刀具的鋒利程度和散熱狀態，一般前角大，則刀具鋒利，切削力和摩擦較小，切屑能帶走大量的熱量，但刀具的散熱慢，刀具壽命低；反之則切削力大，工件熱量高，但刀具壽命高。本課題中的材料是304 不銹鋼，且為薄壁零件，選用YG8 類數控刀具，刀具前角為5°～30°較好。粗加工時可選擇較小的前角，精加工則選擇較大的前角，保證薄壁零件在精加工時受到較小的切削力。刀具的主偏角對刀具的受力影響較大，主要決定著軸向切削力和徑向切削力的大小。主偏角大，徑向切削力小但軸向切削力大；主偏角小，徑向切削力大而軸向切削力小[5]。加工304 不銹鋼材料時主偏角選擇75°～90°較好，粗加工時可選擇75°的主偏角刀具，精加工時可選擇較大的主偏角。

2.3 選擇合理的切削液，保證充分散熱

304 不銹鋼塑性大，溫度稍微升高，變形就會產生。切削液在304薄壁零件加工中非常重要，其主要作用是降低刀具和工件在加工時的溫度，減少變形。采用油性冷卻液對提升304 不銹鋼薄壁零件的表面質量較好。為改善刀具的切削性能，避免積屑瘤的產生，還可在切削液中添加抗膠合劑，阻斷高溫斷屑與刀具的黏合。根據加工中的實際情況，本課題采用了不同材料的冷卻液進行了相同切削三要素下的切削研究，結果顯示選擇油性冷卻液生產的零件質量及變形要好于選擇乳化液冷卻液。

3 結語

本文主要研究了薄壁零件的數控加工中切削三要素、工藝方法、切削熱、冷卻液等原因對零件變形產生的影響，并對產生影響的部分數據進行了分析，選擇了合理的切削三要素加工數值。工藝裝夾中主要研究了夾具工裝對薄壁零件的軸向扭曲變形的影響，結合研究結果提出了薄壁零件的專用夾具工裝方法。研究切削熱對工件變形的影響時，分析了刀具幾何角度、切削用量、切削液對變形的影響，并進行了優化選擇，選擇的所有最佳參數在加工本課題的304薄壁零件時都產生了較好的切削質量，變形要求也在零件允許的公差范圍中，本次研究達到預期效果。