數控車床加工薄壁零件的工藝及參數選擇

平艷玲

（長治職業技術學院，山西 長治 046000）

薄壁類零件本身的結構相對薄弱，加工難度較大，并且在目前數控機床操作環節，對于操作人員而言，最難的問題就是對薄壁零件的加工。因此在設計過程中采取工裝夾具等來分析具體電氣設備中的支護件結構，然后利用數控車床進行加工，判斷影響其加工精度的相關因素，以優化設計來促進后續加工工作順利開展。同時，也需注重后續加工質量的保障措施，提升薄壁類零件的加工精度。

1 零件結構分析

目前所加工的薄壁零件是指壁厚在1 mm以下的零件，其本身質量輕、結構硬、耗材少，在各種工業建筑工程中應用范圍較廣。但是由于在加工期間其本身的剛性與強度較低，導致加工難度提升，容易引起多種工藝質量問題，難以發揮出其具體的功能性[1]。數控加工能夠改善薄壁零件的質量和精密度，但是在實際加工過程中會受到加工工藝、機床和刀具等各個方面因素的影響。因此需要分析對其結構與加工精度有影響的因素，改善工藝質量的同時提升加工精度。

以某電氣設備中的支護件為例，該支護件為45#鋼材質，屬于典型的薄壁零件，其中，該零件的兩翼支腿部分高度為30 mm，最薄壁厚為1 mm，最厚壁厚為2 mm。兩腿連接的大板有著較大的尺寸，壁厚為2 mm，豎直與水平方向都存在薄壁部分。該零件本身的可裝夾性較差，在具體加工中存在的難度如下：對于兩支腿之間的尺寸控制存在難度，支腿位置1 mm處的尺寸精度較難控制，并且還需保障大板表面的粗糙程度，這些都是本部件加工的難點。

2 影響薄壁零件加工精度的因素

2.1 受力產生的變形問題

目前，我們所研究的薄壁零件其自身厚度決定了其是否需要實施夾緊等工作內容，并且該支護件本身的可裝夾性較弱，這樣在力的作用下，不僅容易發生變形，而且容易產生位置的變化。因此選擇部件夾緊力和支撐的位置十分重要，如果位置選擇不當，很容易產生附加力，影響其加工精度[2]。

2.2 受熱產生的變形問題

一般薄壁的支護件本體加工需要對這些材料本身的切削熱和塑性等進行限制，避免出現熱變形等問題，這樣則需要操作人員對工件的實際尺寸進行嚴格控制，結合相關理論和實踐分析。薄壁零件會受到切削過程所產生的溫度影響而產生變形[3]，因此在實際操作中，切削熱的減少是目前避免零件變形的主要方法，且在此過程中為防止溫度上升速度過快，通常都會將刀具、刀尖散熱面積增大，并且加入足量的切削液，這樣也可有效減少切削熱的產生，避免部件發生熱變形的問題。

2.3 車削振動導致的變形問題

在機械加工期間，零件會受到機械對其造成的徑向的力，發生變形等問題。另外在水平面上，也會在處于垂直的走刀方向和切削力作用下發生變形，基于薄壁部件的特征，對于背吃刀量的要求較高，因此可選擇較小的切削刀具來實現具體的切削效果[4]。但是由于斷裂切削的存在，導致工件與刀尖之間的切削抗力會發生變化，發生劇烈振動，產生振動力。零件在這樣強力的振動下會產生變形問題。

3 薄壁零件加工優化設計

3.1 夾具的優化設計

為了使加工過程中薄壁零件的表面在裝夾后不會發生變形，一般會采取軸向的裝卡與定位方法，并根據技術要求創建一套避免零件變形的優化方案，該方案的內容在實際加工過程中也十分常見。

3.2 刀具幾何參數的選擇

在對薄壁零件進行切削加工的過程中，需科學選擇刀具的幾何角度，根據材料硬度進行選擇。本次所選擇的支護件材料為45#鋼材，該材料具備良好的切削性能，所以加工重點在于鋼材的前角。但是如果該部位過大，很容易影響刀具的散熱和強度，所以需根據大量實驗推算來確定最終的前角[5]。

3.3 切削用量的合理選擇

在對薄壁零件進行精加工的過程中，加工質量是首要的關注點，然后再對其切削的效率和經濟性加以考慮。結合相關工程經驗分析，在對工件進行機械切削時，隨著主軸轉速逐漸提升，發生顫振的可能性也會提升。因此，可以減小主軸轉速來減少振動變形問題[6]。

4 薄壁零件加工

在加工過程中，需要注意加工精度會受到切削參數、零件裝夾的方式和刀具角度的刃磨等因素的影響。

4.1 刀具刃磨

為保障薄壁零部件的加工效果，需要根據實際情況來選擇合適的刀具，且刀具刃口需要保持鋒利和平滑，角度為R0.2，本次所加工的材料為45#鋼，屬于精加工的范圍。刀具選擇YT15材料，其刃口的強度與韌性良好，刃口鋒利度較高，以此來保障精加工的效果[7]。

4.2 選擇科學的切削用量

1）選擇背吃刀量ap：根據對薄壁零件所設計的圖樣的分析，外圓的半精車背吃刀量ap1=0.5 mm，精車背吃刀量ap2=0.25 mm。

2）選擇主軸轉速：精車切削速度Vc=120 m/min，經過計算得到主軸的轉速為（精車工件直徑D=32 mm）1 200 r/min。

3）選擇進給速度：結合G99指令變成每轉進給，在精車期間進給量可選擇0.1 mm/r。

4.3 工件的裝夾

1）選擇合適的夾具對內孔進行裝夾。結合專業的夾具進行裝夾作業。首先，使用三爪的定心卡盤來夾住夾具，然后在數控車床的夾具內放入薄壁零件。此時夾具外源具備螺紋，內孔的左側有臺階，以此來對軸套進行定位。其次，將螺母鎖緊，螺母內部螺紋可以壓緊軸套，且應注意軸套的內徑需要較螺母內徑尺寸小，保障薄壁軸套不被車削。軸套需向上定位，薄壁零件被加工完畢后，可拆卸螺母，如果需要大量生產，則不必拆卸螺母，直接將其在下一個零件上裝入即可。同時，在內孔進行加工期間還需要考慮到內孔車刀的剛性問題。一般會通過對內孔車刀刀柄截面積的增加來達到加工剛性要求，其中在對刀具進行刃磨的過程中，可保障刀柄和內孔車刀刀尖有著等高的中心線，進而可將孔中刀柄的截面積增大，并且一般的刀柄需要長出加工零件5 mm~8 mm，這樣可以在切削過程中減少其所發生的振動，防止部件發生振動變形的問題[8]。但是，如果太長也會對車刀刀柄的剛性造成負面影響。

2）外圓加工期間選擇合適的夾具來實現裝夾作業。利用三爪定心卡盤來夾住夾具，然后將薄壁套軸直接套在夾具上，把墊圈放在夾具的臺階軸上，利用螺母壓緊墊圈，同時壓緊薄壁套。

4.4 加工過程

1）在粗加工過程中為了提升加工效率，選擇比標準大一些的切削參數，根據零件設計圖紙的要求預留出單邊加工的余量，長度為3 mm~5 mm。如果預留的長度過長，可以先以粗加工的模式進行分段加工，在某一段加工完畢之后，再利用半精加工或者精加工來實現其他部分的加工作業，也可根據零件加工的具體需求來實現二次加工。

2）半精加工與粗加工一樣選擇分段加工，不同的位置分別留出不同的加工余量。對于長度相對較長的部件可以分為3~4段進行加工。如前1/3的位置留有0.5 mm的加工余量，中間1/3的位置留有1 mm的加工余量，后1/3的位置留有2 mm的加工余量。如果其存在端面，則可留出0.5 mm的加工余量。

3）在精加工前面1/3位置留有余量0 mm，半精加工中間1/3位置留有余量0.5 mm，后面1/3的位置留有余量1 mm。如果存在端面，則可留出余量0.5 mm。精加工中間1/3位置留出余量0 mm，端面留出余量0 mm。精加工后面1/3位置留出余量0.5 mm。在加工過程中零件會形成形如“金字塔”的階梯型結構，根部較粗，進而可以在后續加工過程中留出足夠的長度來實現支撐效果，保障加工的精準性。

4）在對內孔進行精加工的過程中，可選擇相應的裝夾方式來對其進行裝夾作業，在薄壁零件中加入夾具，根據部件的需求選擇適合的夾緊力。首先利用半精加工的方式來加工零件的內孔，當加工到Φ29.5 mm時，預留出0.5 mm的精加工余量[9]，最后精加工內孔Φ30 mm達到圖紙的要求。

5）在對外圓進行精加工的過程中，選擇適合的夾具實施裝夾作業，以適當的夾緊力進行夾緊。首先利用半精加工對外圓進行加工，精加工的余量可以保持在0.5 mm[10]，最后精加工外圓Φ32 mm達到圖紙的要求。

5 加工效果分析

通過上文的工裝和加工過程對多個工件車削加工后，檢測工件尺寸、粗糙度、精度、形位公差等相關參數，本次檢測合格率高達97%，并且工裝效率在設計的科學性要求下也出現巨大提升，滿足設計圖紙的要求與工程需要。

6 案例應用分析

經過上述對支護件的加工分析，下面以某玩具汽車中的電機座為例，進一步探討數控車床中對于薄壁零件加工的實際過程與應用。

6.1 零件圖紙的分析

對該零件圖紙進行分析：壁厚為1.5 mm，長度為67 mm，毛坯為Φ40 mm圓柱，使用透明的硬質塑料材料所制作。

6.2 工藝路徑的設計

經過分析得出，該電機座后端的直徑為Φ38 mm，前端直徑為Φ30 mm，內孔為Φ27 mm，壁厚為1.5 mm。由于其屬于塑料件的材質，很容易出現破裂和變形等問題。因此要想完成該零件的加工，必須合理科學地選擇加工的工藝與參數。

1）調頭前。在實際加工過程中，需要注意的是，孔加工難度要高于外圓加工，所以選擇零件時，需要加工其后壁的尺寸外壁，這樣可以產生較小程度的變形問題，可以將內孔先加工到Φ27 mm，孔深度為78.5 mm，然后將外圓加工到Φ38 mm，保障零件總長度不小于80 mm，并且將其切斷。

2）調頭后。為了避免其塑料零部件發生變形，在裝夾過程中選擇較長的芯軸來減少零件加工期間的變形，而本案例中只是為了保障裝夾期間受力程度的提升。在具體調頭之后，需要采取粗加工的方式進行同步實施，統一安排刀具的軌跡。在粗加工過程中，外圓的直徑已經被車到Φ38 mm，單邊加工余量為4 mm，所以該位置不能再去實施粗加工作業。且在半精加工過程中，主要由于零件較長，因此可將半精加工分為四段來逐段進行，直到最后一段完成精加工之后可保障零件的總長度，并將其切斷。具體的零件加工在VERICUT軟件中的仿真效果圖，如圖1所示。

圖1 零件加工在VERICUT中的仿真效果圖

7 結語

綜上所述，可以在薄壁類零件設計過程中采取工裝夾具等來分析具體電氣設備中的支護件結構，然后利用數控車床進行加工，判斷影響其加工精度的因素，以優化設計來促進后續加工工作的順利開展。同時也需注重后續加工質量的保障措施，提升薄壁類零件的加工精度。