薄壁零件車削加工策略

段好運，衛 鋒，王 華

（1.商丘技師學院，河南 商丘，476000；2.商丘職業技術學院，河南 商丘，476000）

隨著新興技術產業的不斷發展，用戶對產品質量的要求越來越高，機械零件既要體現產品輕巧、資源節約的原則，又要突出產品的科學性和實用性。薄壁零件具有壁厚薄、質量輕的優勢，在航空航天、現代機械工程領域有著廣泛應用[1]，但薄壁工件剛性差、強度低、易變形，加工精度很難控制[2]。對操作者來說，如何合理安排加工方案，有效破解加工變形難題，高效完成薄壁零件加工，具有很大的挑戰性。

1 薄壁零件車削加工特點解讀

薄壁零件是車削加工中的常見零件，薄壁零件最大的特點是壁薄、剛度差、強度低，在車削過程中容易產生變形，工件精度難以控制。[3]變形常見表現形式主要有夾緊變形、振動變形和熱變形三種，它們直接影響著工件的尺寸精度、形狀精度、位置精度和表面粗糙度等，圍繞工件產生變形的原因，找出解決變形的合理方案，是車削薄壁零件的關鍵環節。

2 薄壁零件車削任務分析

根據零件圖樣要求，完成如圖1所示薄壁套零件的加工，工件材料為45鋼。該零件軸向尺寸小，但直徑方向尺寸較大，并且內外輪廓均有一個臺階，輪廓內外表面同軸度一致性較高，相關表面的形狀、位置精度要求嚴格，加工難度大。

（1）工件外圓尺寸為?80h7，內孔尺寸為?72H7，壁厚4 mm，屬于典型的薄壁工件。

（2）外圓?80h7軸線與內孔?72H7軸線的同軸度公差為0.03 mm，外圓圓度公差為0.02 mm。

（3）工件右端面對內孔軸線的垂直度公差為0.02 mm。

3 薄壁零件車削加工策略

3.1 工件定位和裝夾方案的設計和優化

3.1.1 薄壁零件常用定位和裝夾方法

（1）用三爪卡盤或四爪卡盤裝夾。適用于軸向尺寸短、徑向尺寸小的薄壁工件，在一次裝夾中能把零件上所有要加工表面加工完成，以減少定位誤差對尺寸精度的影響。

（2）用卡盤和心軸裝夾。粗、精加工分開實施：第一步，根據圖樣要求進行粗車工件；第二步，用卡盤裝夾外圓精車內輪廓表面和端面；第三步，用脹力心軸裝夾工件內表面，精車外圓和端面。

（3）用花盤裝夾。適用于直徑大、要求高的盤類薄壁工件。首先進行粗車加工；第二步，在磨床上磨削兩端面至尺寸要求；第三步，將工件裝夾在花盤上精車內孔、外圓至圖樣尺寸。

（4）在專用工具上裝夾車削薄壁工件。適用于批量較大的薄壁零件，需要根據零件圖樣定制專用工具。

3.1.2 圖1所示薄壁零件裝夾和定位方案的設計

采用常用的裝夾和定位方案，不容易高質量完成車削加工，需要對工件定位和裝夾方案進行優化設計，將工件的局部受力改變為大面積受力，并且受力分散均勻，改善車削加工條件。[4]結合實際零件圖樣要求，可以考慮設計扇形軟爪、脹力心軸、開口套筒、彈簧夾頭等輔助夾具，目的是增大夾具與被加工零件的接觸面積，讓夾緊力較均勻分布在工件周圍或者軸向平面上，有效防止或減少工件變形。

第一，設計軸向夾緊裝置裝夾工件，用軸向夾緊方式替代徑向夾緊方式，改變夾緊力的受力位置和方向，避免裝夾變形，如圖2所示。

第二，用開口套筒裝夾工件，對于長度較長、直徑較大的薄壁工件，可以選用開口套筒裝夾工件，增大徑向接觸面積，使夾緊力均勻分布在工件周圍上，從而減小夾緊變形，如圖3所示。

第三，用特制的扇形卡爪及彈性脹力心軸裝夾，綜合優化受力方式，增大受力面積，本案例選用該種裝夾方案。

3.2 合理選擇刀具幾何參數和刀具材料

車削薄壁工件時，車刀要鋒利耐用，切削過程應省力順暢，最大限度減少刀具與工件摩擦，減少切削力和切削熱的產生，這對刀具幾何參數和刀具材料提出了較高要求。

3.2.1 車刀的幾何參數選擇

“三分工藝，七分刀具”是在機械加工中常說的一句話，足見刀具合理選擇和科學應用的重要性。車削薄壁工件一般選用較大的主偏角，減小徑向切削力和振動，減少切削變形；較大的副偏角和后角，減少摩擦，降低切削熱；適當增大前角，可使車刀切削更輕快；刃傾角選擇正值，通過刃傾角控制切屑的流動方向，刃磨斷屑槽時必須保持槽深前后一致，使切屑穩定向待加工表面排出，防止堵屑或劃傷工件的已加工表面，影響表面質量；刀尖圓弧半徑、修光刃選擇較小數值，減少振動。硬質合金刀具各參數值可參考表1。

表1 車刀幾何角度推薦數值

3.2.2 刀具材料的選擇

工件材料是鑄鐵、鑄造錫青銅等脆性金屬時，選用鎢鈷類硬質合金刀具；工件材料為鋼料等塑性金屬時，選用鎢鈦鈷類硬質合金或高速鋼刀具材料。也可以根據加工需求選用涂層硬質合金刀片、陶瓷刀片以及金剛石刀片等，無論選用何種刀具材料，都要兼顧經濟性和實用性，最終目的是充分發揮刀具的最佳切削性能，保證加工質量，提高加工效率。

3.3 正確選用切削用量

薄壁工件車削時，應根據剛度低、易變形等特點，適當降低切削用量，一般按照中速、小背吃刀量、快進給的原則進行選擇。切削用量具體數值可參考表2。

表2 車削薄壁工件時切削用量表

3.4 充分冷卻，減少熱變形

切削熱對薄壁工件的熱變形影響很大[5]，車削過程中必須充分澆注切削液，以降低切削熱的產生，并快速散熱，有效降低切削區域的溫度，提高刀具使用壽命和工件加工質量。對于不宜使用切削液冷卻的加工材料，要用壓縮空氣進行強力冷卻。

3.5 減振策略

車削薄壁工件時，出現變形會引起振動，振動又可以誘發新的變形，因而采取減振措施是必不可少的。[6]（1）調整車床各運動部件間的松緊間隙，提高車床工藝系統剛度。（2）使用吸振材料，比如泡沫塑料、軟橡膠管、軟橡膠片等，填充或包裹工件后進行車削，能起到減振效果。（3）填充低熔點物質。加工前，選用硫黃、石蠟、鉛、錫等低熔點物質作為填充物，將其加熱熔化填充至零件空隙部位，待冷卻后使其形成實體，再進行車削加工。零件加工完成后，加熱熔化填充物即可，可以有效防止工件崩角、缺邊等缺陷的發生。

3.6 適時釋放變形應力，提高加工質量

對于不需要掉頭安裝只需一次裝夾的薄壁工件，粗加工時夾緊力大，在進行精加工前可松開工件，適當減小夾緊力，以釋放內應力，再裝夾找正工件后繼續加工。另外，車削過程中可以根據需要增加熱處理正火工序，消除內應力，減小切削時的變形與振動。

3.7 合理安排加工工藝

（1）將粗車、半精車、精車削分開進行。[7]粗車時，要快速切除加工余量，夾緊力大，易產生變形。半精車和精車時，余量加工小，在保證裝夾牢固的前提下適當減小夾緊力，可以消除粗車時產生的夾緊變形。

（2）車削加工步驟

①粗車內、外圓表面，各留精車余量1～1.5 mm。夾持外圓小端，粗車端面和內孔。

夾持內孔，粗車外圓和端面。

②安裝在如圖4所示的扇形軟卡爪[8]中精車內孔?72H7，精車外圓至?980-0.1 mm及端面，直至符合圖樣加工要求。

以內孔?72H7和?98處的端面為基準，工件安裝在如圖5所示的彈性脹力心軸上，精車外圓?80h7至圖樣加工要求。

③質量檢測，按照圖樣加工要求逐項檢查，合格后取下工件。

4 結語

車削加工薄壁工件應綜合考慮影響加工變形因素，靈活運用加工策略和技巧，合理選用裝夾方法，優化制定加工方案，科學規劃走刀路徑，練好基本技能，勤于總結反思，在實踐中無論是普通車床還是數控車床加工，都可以提高薄壁工件加工質量和加工效率。