如何減小軸類薄壁零件加工的變形量

董云發

摘要：軸類零件的變形，是加工中常見的問題。而薄壁的軸類零件，更容易受各種作用力的影響，使零件產生變形效果。而加工過程中，如何控制零件變形量，便成為了一個關鍵點。對于各種性質的作用力，我們先說說如何減小加工中刀具切削零件產生的應力，從而達到減小變形量的目的。

關鍵詞：薄壁;變形;切削力

引言：機械制造行業，代表著一個國家的科技水平和綜合國力。而薄壁軸類零件又是其中的關鍵元素。隨著科技發展，很多薄壁軸類零部件應用在各式各樣的場所，不乏有工作在高溫、高壓強震動等復雜多變的環境下，經常承受高負荷和熱沖擊，工作環境異常惡劣，從而對組成的零部件要求十分嚴格。為了滿足生產需求，改善加工方式，提高加工質量，也成了我們必然要面對的問題。零件變形基于刀具切削產生的應力，使零件變形的是最不容易控制的一種因素，我們可以從控制切削應力導致變形的兩個方面來闡述：第一，就是零件余量;第二，就是吃刀量。

1薄壁零件的特點

薄壁零件按其形狀大致可以分為：殼體類薄壁零件和軸類薄壁零件。殼體類薄壁零件通常采用銑削或冷擠壓沖加工方法，而軸類薄壁零件通常采用車削加工。下面我們來分析一般薄壁零件的具體加工方法和注意事項。薄壁零件具有重量輕，材料少，結構緊湊特點，所以在航空航天制造業中受到了越來越廣泛的應用，而薄壁零件因其薄壁而必然導致強度弱，剛性差，裝夾基準小，易變形，不易保證加工質量。采用什么方法才能提高薄壁零件的加工質量，已經成為業界越來越重視的話題。

2薄壁零件車削加工變形的原因

2.1切削熱引起的變形

切削熱定義：切削金屬時，由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都轉變為熱，這種熱叫切削熱。（金屬切削原理）[1]。熱膨脹系數是指固態物質當溫度改變攝氏度1度時，其某一方向上的長度的變化和它在20℃（即標準實驗室環境）時的長度比值。[1]

對于線膨脹系數比較大的薄壁件，在車削過程中所產生的切削熱對零件尺寸公差影響較大，會出現在加工過程中尺寸合格，在室溫下靜置一段時間后，尺寸變超差的現象。

2.2切削力的作用

零件在切削過程中會產生作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。是工件材料在刀具切削零件時產生的阻力。切削力容易產生共振和變形，會影響工件的尺寸精度，形位精度和表面質量等，有時在加工過程中會出現誤差復映現象。影響切削力的因素：

（1）加工機床自身的功率的是否滿足使用要求，它是切削力產生的客觀條件;

（2）工件本身的材質，材料的剪切屈服強度與切削力成正比關系，加工材料的塑性越好，韌性越強，相應的切削力就越大;

（3）刀具的種類和刀片參數，例如刀具角度的不同，產生切削力的大小也不同，刀具的前角增大，切削力會降低，加工脆性材料時，由于切削變形很小，所以前角對茄梨的影響不顯著。刀具刀尖圓弧半徑越大，刀尖與零件接觸面積就越大，相應產生的切削力也就越大。

2.3夾緊力

薄壁工件的裝夾，需要特殊注意，因為薄壁工件剛性差，在受夾緊力、切削力和切削熱的作用下，易產生變形。且在加工完畢將夾緊力卸載掉后，工件的彈性變形回復，會使工件的加工表面變形。

3防止和減少薄壁零件變形的方法

對于切削熱引起的變形，只要保證切削冷卻液充足即可，通常情況下是可以保證的。而夾緊力引起的變形，可通過增加裝夾的接觸面的方式，讓夾緊力均勻分布在工件上，裝夾時就不易產生變形，例如可使用夾套和特制的軟爪裝夾，用以增大工件接觸面。這兩點本文不會作為重點來分析。至于切削應力引起的薄壁零件的變形，我們可以從兩個方面來控制：第一，零件余量;第二，吃刀量。下面我們可以分別對應這兩方面舉實例來詳細闡述分析一下。[2]

3.1控制零件余量

一般來說，我們編制規范，梳理加工流程，都是以加工順序，加工余量為依據來實施的，零件從原始毛料到最終的成品，其中余量如何分配，在不同結構的零件有不同的分配方式，例如我們提到的薄壁零件，在編制規范，分配余量時就要考慮其變形的特性。

對于一個外圓尺寸為Φ190，壁厚只有6mm的零件來說，無疑它是一個薄壁零件。在加工時必然會出現零件變形的現象，接下來我們以此為例，來具體分析，如何通過控制余量的方式，來保證零件的變形量。

我們安排的工藝路線如下：粗車→半精車→時效處理→精車。并在粗車、半精車時去掉大部分余量。而時效的作用就是充分釋放，零件在加工過程中去除余量時產生的應力。

首先，粗加工部分：根據上文已經說到的方法，粗車時在能保證最終加工尺寸的情況下，盡量減小零件的余量，去掉大量余量給半精車做準備。現在粗車后，X方向的單邊余量和Z方向余量都只留1mm。可保證即使去除余量很多，零件變形量大，也不影響加工到零件的最終尺寸。

其次，半精車部分：粗車過后，進行半精車加工，保證半精車后，X方向單邊留0.3mm余量，Z方向留0.2mm余量。這里Z方向包括了工件的端面，而且半精車時是要去掉所有位置的余量，包括外圓槽、內孔槽等。

然后在半精車之后，進行自然時效處理，在自然狀態下放置72小時，使工件充分釋放應力，這一工序非常重要。根據零件材質，有必要時，需要進爐子加熱，對工件進行去應力處理。待完全釋放了應力，零件不再進行緩慢變形之后，再進行精車時，才不會讓零件繼續變形。

3.2控制吃刀量

如果說上文控制余量的方法是通過工序，宏觀控制的話;那么控制吃刀量的方法通過控制一個工序內的各個工步，在細微處進行控制。

一個外圓尺寸為Φ51.94，壁厚最薄處只有0.405mm的薄壁零件，加工此零件的關鍵是在精車大端，如何在精車大端時控制變形量，從而保證薄壁處的尺寸，便成了關鍵。

根據先內孔后外圓，先厚后薄的原則，安排工步順序如下：

平端面→鏜內孔Φ38.1→車外圓→鏜內孔Φ50.45→鏜內孔Φ51.13[3]

第一次鏜內孔時，內孔Φ50.45和Φ51.13兩處薄壁處，要去掉大部分余量，內孔的單邊只留1.5mm余量。這樣既保證了后面車外圓時，零件的剛性，不至于造成孔口部分塌陷，有保留了足夠的余量，可保證孔口處內孔滿足尺寸精度要求。

車外圓，按正常加工方式加工。車完外圓后，在距端面50mm范圍內外圓上套上膠皮，作用是為了減震，降低接下來鏜薄壁孔時，零件由于切削力產生的振動。

鏜內孔Φ50.45，減小吃刀量，每刀只切削0.15mm，，并使用刀尖0.2的刀片，減小刀具與零件的接觸面積，可以減小車刀切削零件時產生的應力，減小零件變形量，此工步完成后，取下膠皮套子，百分表打跳動度，看變形量。如果變形量較大，則繼續減小吃刀量;如果變形量很小，則再次套上膠皮，繼續下一工步的加工。

鏜內孔Φ51.13，可分兩次加工，第一次鏜完，單邊留0.5余量;然后再進行第二次鏜，每次進給0.1，慢慢車。刀具也使用刀尖0.2的刀片，理論與上文相同，都是減小吃刀量，降低車刀切削零件時產生的應力，減小零件變形量。

結束語：車削薄壁零件時，只要找到其結構特點，并采用合理的加工方式，便可降低由各種原因引起的零件變形，提高加工效率，提高加工一次性合格率。

參考文獻

[1]《金屬切削原理》.國防工業出版社主編龐麗君尚曉峰

[2]《現在夾具設計手冊》.機械工業出版社主編朱耀祥浦林祥

[3]《機械制造工藝學》.機械工業出版社主編王先逵