薄壁零件加工工藝研究

中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所 高宏亮

引言

薄壁零件具有較差的剛性，出現(xiàn)變形的可能較大，使得加工的精度難以得到保證。加工薄壁零件存在的變形問題，在機(jī)械加工領(lǐng)域一直受到困擾，成為一大難題。減磨環(huán)（如圖1 所示）就是一種常見的薄壁零件，厚度為5.4mm，具有較高的精度要求，直徑公差應(yīng)當(dāng)在0.05mm 范圍內(nèi)。此文當(dāng)中，通過分析減磨環(huán)研究了薄壁零件加工出現(xiàn)變形的原因，同時(shí)提出了預(yù)防減磨環(huán)加工變形的措施。

圖1 減磨環(huán)

1 薄壁零件的加工特點(diǎn)

薄壁零件的重量較輕，同時(shí)具有節(jié)約材料以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，然而薄壁零件因?yàn)閯傂圆钜约皬?qiáng)度弱的原因，在實(shí)際的加工當(dāng)中存在很多變形的情況，嚴(yán)重影響了零件的加工質(zhì)量。對(duì)薄壁零件進(jìn)行車削環(huán)節(jié)中，因?yàn)榱慵膭傂允钟邢蓿貏e是壁厚小于5 毫米的薄壁零件，在三爪卡盤裝夾過程中，假如用力達(dá)不到相關(guān)要求，可能就會(huì)出現(xiàn)“桃子”橢圓形，在車刀車削力的作用下，很容易出現(xiàn)振動(dòng)以及變形。

對(duì)薄壁零件進(jìn)行車削過程中，因?yàn)榱慵傂员容^差，在切削時(shí)會(huì)存在以下情況。

1.1 受力變形

由于工件壁薄，因?yàn)閵A緊力的效果導(dǎo)致出現(xiàn)變形的情況，進(jìn)而對(duì)工件的大小精度以及形狀精度造成影響。在采取三爪卡盤對(duì)零件進(jìn)行裝夾過程中，由于夾緊力的影響，會(huì)使得零件成為三角形，造成加工內(nèi)孔過程中圓周余量不均勻，在加工完內(nèi)孔后，松開卡爪然后將零件取下，因?yàn)榛謴?fù)了彈性，零件恢復(fù)成了圓柱形，并且已經(jīng)加工完的圓形內(nèi)孔也會(huì)成為弧形三角形。

1.2 受熱變形

由于工件十分薄，工件受到切削熱的影響較大而出現(xiàn)變形，導(dǎo)致很難控制工件的尺寸。尤其是線膨脹系數(shù)較大的金屬薄壁零件，假如在一次安裝流程中連續(xù)完成粗車、半精車以及精車，因?yàn)榱慵艿角邢鳠岬挠绊懚霈F(xiàn)熱變形，會(huì)較大程度地影響到尺寸精度，更嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致零件卡死在夾具上。

1.3 振動(dòng)變形

由于切削力的作用，尤其是徑向切削力的作用影響下，特別容易導(dǎo)致振動(dòng)以及變形，對(duì)工件的尺寸精度造成影響，影響到工件的形狀以及位置精度、表面粗糙度等參數(shù)。

2 薄壁零件加工變形的原因

在加工薄壁零件過程中，有很多導(dǎo)致其出現(xiàn)變形的因素，主要從以下方面進(jìn)行分析。

2.1 裝夾變形

由于零件的壁厚較小，在裝夾環(huán)節(jié)中，因?yàn)椴扇×溯^大的夾緊力，或者零件的受力不均勻，因?yàn)榱慵坏┏霈F(xiàn)變形，性質(zhì)也會(huì)隨之受到影響，零件的尺寸精度發(fā)生改變，形狀精度也會(huì)有所變化，因此應(yīng)當(dāng)選取合適的裝夾方式，以便可以最大限度地改善零件變形的情況。

2.2 切削變形

切削變形主要包含切削力變形以及切削熱變形：①切削力變形。通過切削力的作用，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)以及變形，尤其是徑向切削力作用下更加明顯，因此應(yīng)當(dāng)選取相吻合的刀具，選取科學(xué)合理的切削參數(shù)，再借助其他輔助措施，盡可能地將切削力因素造成的變形降低到最小。②切削熱變形。因?yàn)榱慵径际墙饘俨馁|(zhì)，并且比較薄，切削熱會(huì)對(duì)零件造成很大的影響，導(dǎo)致控制零件的尺寸難度較大，因此全面控制切削當(dāng)中產(chǎn)生的熱量，就顯得非常關(guān)鍵。

2.3 殘余應(yīng)力變形

對(duì)于毛坯來說，經(jīng)過熱成形之后，冷卻中產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)過切削之后，重新形成新的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致材料形狀發(fā)生變化，因此應(yīng)當(dāng)利用熱處理的方式消除內(nèi)應(yīng)力，縮減殘余應(yīng)力導(dǎo)致的零件變形。利用分析薄壁零件加工造成變形的原因，可以發(fā)現(xiàn)，在加工減磨環(huán)流程中，應(yīng)當(dāng)采取不同類型的工藝措施，對(duì)加工減磨環(huán)導(dǎo)致的變形進(jìn)行控制。

3 薄壁零件加工變形的控制

為了更好地控制加工減磨環(huán)導(dǎo)致的變形，從零件裝夾方面、切削以及殘余應(yīng)力等角度合理控制加工導(dǎo)致的變形。

3.1 控制裝夾變形的方法

3.1.1 扇形軟爪應(yīng)用

在裝夾零件環(huán)節(jié)，為了圓周方向上盡可能地受力均勻，應(yīng)當(dāng)盡可能增加夾具和零件的接觸面積。以便卡盤和零件的接觸面盡可能大，同時(shí)將其和零件接觸的面，和零件夾緊面配車，此種類型的夾緊設(shè)備就是扇形軟爪。因?yàn)樯刃诬涀土慵慕佑|面配車才形成，在夾緊時(shí)能夠接觸地更加徹底，達(dá)到零件均勻受力的效果，同時(shí)具備的同心度更高，此外零件的裝夾也可以更加高效合理。然而采取扇形軟爪難以完全避免出現(xiàn)變形。

在減磨環(huán)半精車環(huán)節(jié)，我們可以通過采取扇形軟爪完成工件裝夾，縮小出現(xiàn)的變形。通過若干次工藝試驗(yàn)，可以認(rèn)識(shí)到減磨環(huán)的圓度值在0.05mm 左右，達(dá)到了最初試驗(yàn)的設(shè)想。因此選取扇形軟爪裝夾工件應(yīng)用到半精車工序（如圖2 所示）。

圖2 扇形軟爪裝夾

3.1.2 軸向夾緊裝置

假如在加工零件的環(huán)節(jié)，不是采取徑向夾緊，而是采取軸向夾緊，可以較好地轉(zhuǎn)移夾緊力的作用點(diǎn)以及方向，相比于徑向夾緊時(shí)的夾緊力，應(yīng)當(dāng)對(duì)零件采取的軸向夾緊力為其六分之一，我們能夠認(rèn)識(shí)到采取軸向夾緊的方法，采取較小的夾緊力就能夠達(dá)到較好的裝夾效果，由于夾緊力的降低，零件的變形也會(huì)相應(yīng)縮小。有時(shí)為達(dá)到軸向夾緊的效果，可安裝工藝凸臺(tái)對(duì)零件進(jìn)行裝夾。

在對(duì)薄壁工件進(jìn)行車削環(huán)節(jié)，盡可能不采取徑向夾緊的方式，應(yīng)當(dāng)盡可能采取軸向夾緊的方式。利用軸向夾緊套的端面，改變夾緊力的方向，夾緊力分布于工件的軸向，工件軸向具有較大的剛度，夾緊力剛好作用到工件剛性較大的位置，很難出現(xiàn)夾緊變形。在對(duì)薄壁工件進(jìn)行車削的過程中，采取特制螺母軸向夾緊工件，不再采取徑向夾緊，不再因?yàn)閵A緊力的作用而導(dǎo)致出現(xiàn)變形。可以利用特制的夾具，通過拉桿軸向拉緊工件，使得徑向夾緊轉(zhuǎn)為軸向拉緊。

對(duì)于減磨環(huán)精車來說，作為最終的成型工序，假如不可以對(duì)變形進(jìn)行有效的控制，將會(huì)出現(xiàn)加工失敗。因此在減磨環(huán)精車工序當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)選取軸向夾緊的方式，對(duì)變形進(jìn)行科學(xué)合理的控制。可以嘗試若干次工藝試驗(yàn)，更好地驗(yàn)證軸向夾緊的效果。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，軸向夾緊能夠?qū)ψ冃芜M(jìn)行有效的控制。

3.2 控制切削變形的方法

3.2.1 刀具的選擇

減磨環(huán)為鑄鐵件HT300，硬度大。從各個(gè)層面對(duì)減小殘余應(yīng)力的方式進(jìn)行分析，刀具的前角增加，會(huì)相應(yīng)降低切削溫度和切削力，當(dāng)增加1 度刀具前角，相應(yīng)的切削溫度和切削力就會(huì)減小10%。在刀具耐用度符合要求的前提下，采取的刀具前角以及后角較大，可以較好地降低切削力。切削的徑向力會(huì)受到刀具主偏角的影響。

車削薄壁套環(huán)節(jié)，需要的刀具包含外圓車刀等。工件的尺寸精度以及表面粗糙度得到保證，尤其是外圓精車刀以及內(nèi)孔精車刀的幾何形狀以及幾何參數(shù)。在車削薄壁零件的過程中，對(duì)車刀的幾何角度進(jìn)行合理的選取，直接影響到加工過程中切削力的大小，同時(shí)對(duì)車削環(huán)節(jié)造成的熱變形、工件表面的質(zhì)量都有重要的影響。車刀的前角γ0，影響車刀主切削刃的鋒利強(qiáng)度，改變切削變形和切削力大小。前角大，切削變形降低，摩擦力減小；如果前角太大，車刀楔角過小，會(huì)降低切削刃的強(qiáng)度以及散熱性。車刀主后角的大小，會(huì)相應(yīng)改變車刀主切削刃的鋒利強(qiáng)度，并且主、副后角的不同，車刀后面以及工件間的摩擦程度也會(huì)不同。后角大，主切削刃就比較鋒利，具有更小的摩擦力，相應(yīng)降低切削力，然而后角過大，也會(huì)在一定程度上降低車刀的強(qiáng)度。主偏角主要是對(duì)主切削刃的受力以及導(dǎo)熱能力造成影響，還影響到切削厚度。如果車薄壁零件的內(nèi)外圓情況下，取大的主偏角。

綜合分析，可以選取的刀具的前角為正前角，后角為7 度，主偏角為93 度。

3.2.2 切削參數(shù)的選擇

（1）切削速度的選擇

針對(duì)金屬切削加工，通過增加切削速度，有利于加工效率的提升，振動(dòng)也會(huì)有所改善。然而在加工薄壁零件過程中，切削速度的改變，也會(huì)在一定程度上改變切削力的大小，進(jìn)而造成不同程度的加工變形，所以，應(yīng)當(dāng)重視選取合適的切削速度。

按照選取的刀具，再結(jié)合減磨環(huán)的材料性質(zhì)，可以選取的切削速度為200m/min。

（2）切削深度的選擇

加工振動(dòng)在較大程度上受到切削深度的影響，不同的切削深度，會(huì)導(dǎo)致不同的切削振動(dòng)，在符合加工效率要求的前提下，選取的切削深度較小，會(huì)在一定程度上使得零件的振動(dòng)降低，提升加工的平穩(wěn)性。根據(jù)刀尖半徑0.4 毫米，為了確保減磨環(huán)表面的粗糙度符合要求，同時(shí)降低振動(dòng)，選取切削深度為0.3 毫米。

（3）進(jìn)給速度的選擇

提升進(jìn)給速度，切削力也會(huì)相應(yīng)地增加，也可能改變機(jī)床的動(dòng)態(tài)柔度特性，從而影響到加工的穩(wěn)定性。所以，針對(duì)進(jìn)給速度的選取，應(yīng)當(dāng)采取優(yōu)化選擇的方式，選取出最合理的進(jìn)給速度。根據(jù)刀具、表面粗糙度，再結(jié)合精度方面的考慮，可以選取0.2mm/r 的進(jìn)給速度。

3.2.3 切削液的選擇

在加工零件的過程中，產(chǎn)生大量的切削熱，零件的形狀會(huì)有所改變，零件表面的質(zhì)量也會(huì)發(fā)生變化，因此在切削加工零件的環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)采取較為徹底的冷卻。切削液的選取，應(yīng)當(dāng)符合科學(xué)合理的原則，這樣可以改善刀具和零件之間的摩擦問題，改變零件的切削條件，同時(shí)切削區(qū)域產(chǎn)生的熱量也被帶走，降低切削溫度，切削區(qū)域以及機(jī)床導(dǎo)軌上的微小切屑和其他的雜物，也可以通過流動(dòng)的切削液將其沖走。

對(duì)于鑄鐵件來說，一般情況下不需要切削液，可以采取半合成切削液，對(duì)減磨環(huán)加工的切削溫度進(jìn)行改善。半合成切削液具有很多不可替代的優(yōu)勢(shì)，例如防銹的特性，此外還有清洗的優(yōu)勢(shì)等，使得加工精度得到明顯提升。

3.3 控制殘余應(yīng)力變形

在加工零件的環(huán)節(jié)，由于應(yīng)力的釋放，很容易出現(xiàn)變形，一般采取粗加工和精加工分開進(jìn)行的處理方式，粗加工的流程完成后，采取去應(yīng)力操作，也就是先對(duì)零件進(jìn)行粗加工，再對(duì)零件進(jìn)行去應(yīng)力處理，然后再進(jìn)行精加工的處理流程。針對(duì)變形較為復(fù)雜的高精度零件，還應(yīng)當(dāng)采取半精加工，同時(shí)采取不止一次地去應(yīng)力處理。

對(duì)于減磨環(huán)，可以設(shè)計(jì)三次去應(yīng)力處理。通過三次去應(yīng)力處理的流程，可以使得毛坯、粗車以及半精車工序形成的殘余應(yīng)力得到最大限度的釋放，使得最終的精車精度得到保證。

3.4 工件分階段加工

可以分階段加工工件，分為粗車和精車兩個(gè)階段加工薄壁零件，在粗車階段夾緊力可以稍大，對(duì)應(yīng)的變形也應(yīng)該稍大，然而因?yàn)榫哂休^大的切削余量，不會(huì)對(duì)工件的最終精度造成影響；在粗車加工流程完成以后，自然冷卻工件，在精車加工階段可以稍微降低夾緊力，不但具有較小的夾緊變形，而且在精車加工階段，粗加工導(dǎo)致的熱變形也會(huì)得到糾正。

3.5 控制薄壁零件加工變形方法的工藝固化

數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來越普遍，可以通過工藝固化的方式，來實(shí)施控制薄壁零件變形的措施，防止由于操作人員的穩(wěn)定性不同而導(dǎo)致質(zhì)量不同。所以，在加工減磨環(huán)的流程當(dāng)中，可以使用數(shù)控車床，再結(jié)合相吻合的夾具。通過這些措施，可以使得工藝過程的穩(wěn)定性得到有效的保證。