錢萍

【摘 要】在實際生產(chǎn)加工中，薄壁零件由于其剛性差、易變形等特點，導致其尺寸精度、形位精度及表面質(zhì)量難以得到保證，給加工增加了不少難度。本文對切削加工中常見問題進行分析，提出相應(yīng)方案加以解決改善，并對幾種新型的切削加工方法進行了簡單介紹。

【關(guān)鍵詞】薄壁零件；加工變形；工藝措施；誤差補償；高速切削

薄壁零件通常也叫薄殼零件，這類零件的壁厚和它的軸向或徑向尺寸比較相差很懸殊，一般認為零件的壁厚與零件最大尺寸比值小于1/20時，就屬于薄壁零件。由于這類零件具有重量輕，節(jié)省材料，結(jié)構(gòu)緊湊，占空間位置少等特點，因此在機械、航空航天、船舶等很多領(lǐng)域中有較廣泛的應(yīng)用。當然這類零件的加工方法有多種，例如車削、沖壓、焊接、滾壓等，但對于一些截面比較復雜而尺寸精度和表面粗糙度要求又比較高的薄壁零件，經(jīng)常采用車削的方法來加工，因此車床上車削加工薄壁零件是一種很重要很普遍的加工方法。

在實際車削加工過程中，由于薄壁零件的毛坯剛性差、強度弱，所以容易發(fā)生變形，導致零件的幾何精度、位置精度、表面質(zhì)量等受到影響，易保證零件的加工質(zhì)量，給車削加工帶來一定的困難。因此如何提高薄壁零件的加工精度，減少加工變形，保證產(chǎn)品合格率是業(yè)界內(nèi)越來越關(guān)心的話題。因此對薄壁零件切削過程中的常見問題及解決方法作如下討論。

1.工件裝夾不當產(chǎn)生變形

薄壁零件在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，影響工件的尺寸精度和形狀精度。車削時為了方便，常采用三爪自定心卡盤裝夾工件，如圖所示，用三爪自定心卡盤裝夾薄壁圓柱零件外圓加工內(nèi)孔時的示意圖。當卡爪夾緊工件時，由于卡爪和工件外圓表面間的接觸面太小，導致夾緊力分布不均勻，在夾緊力的作用下，工件與卡爪接觸的部位產(chǎn)生彈性變形，使零件呈現(xiàn)出三棱形如圖1。三棱形內(nèi)孔經(jīng)過車削加工為圓柱孔后，不松開卡爪測量孔的尺寸，完全能符合零件圖所規(guī)定的尺寸要求如圖2。但由于內(nèi)孔的加工是在工件已產(chǎn)生彈性變形的狀態(tài)下車出來的，加工完畢松開卡爪后，卸下的工件外圓因彈性變形恢復成圓形，而已加工出的圓柱孔則變成三棱形，如圖3所示。

同理用一般三爪卡盤的卡爪漲緊薄壁件的內(nèi)孔加工外圓表面時，也會出現(xiàn)類似的變形情況。

為避免出現(xiàn)這種情況，可用措施如下：

1.1采用開口過渡環(huán)

根據(jù)工件的外徑做一個開口過渡環(huán)，將其裝配在工件在外面，三爪卡盤直接和過渡環(huán)接觸夾緊，而工件則通過開口過渡環(huán)來夾緊，這樣夾緊力也就均勻分布在極大的工件接觸面上，可避免工件的裝夾變形，如圖4所示。

1.2采用專用卡爪

專用卡爪也就是軟卡爪，采用軟金屬材料并加大接觸面，工件夾緊時夾緊力就能較均勻地分布在較大的工件接觸面上，可有效地避免裝夾變形。使用軟卡爪裝夾薄壁零件是一種即簡便又行之有效的裝夾方法，軟卡爪可根據(jù)工件的實際情況做成不同的形狀。為提高定位精度，在使用卡爪前，應(yīng)使其在夾緊或漲緊狀態(tài)下，根據(jù)工件尺寸對其定位基面精車一刀，使它和工件定位基準尺寸一致，如圖5所示。

1.3變徑向夾緊為軸向夾緊

由于薄壁零件徑向剛性比軸向差，為減少夾緊力引起的變形，當工件結(jié)構(gòu)允許時，可采用軸向夾緊的夾具，以改變夾緊力的方向，如圖6所示。

1.4增加套類薄壁件毛坯剛性

在零件的夾持部分增設(shè)幾根工藝肋或凸邊，使夾緊力作用在剛性較好的部位以減少變形，等加工終了時再將肋或凸邊切去，如圖7所示。

2.切削力引起變形

當?shù)毒咔腥牍ぜD壓被切削金屬時，材料內(nèi)部晶粒變形，分子之間產(chǎn)生滑移，形成材料與晶粒之間的內(nèi)摩擦。當切屑形成后，它又沿著刀具前面排出，切屑和刀具前面之間、刀具后面和工件加工表面之間形成外摩擦。內(nèi)、外摩擦力在切削過程中作用在刀具上，阻止刀具進行切削，形成切削抗力即切削力。它是由幾個分力組成的空間力，為便于分析計算，一般將其分解為相互垂直的三個力：主切削力、徑向切削力和軸向切削力。

徑向（軸向）切削力使刀具在切削過程中產(chǎn)生徑向（軸向）反作用力，使工件產(chǎn)生彈性變形和振動。若工件不同部位剛度不同，則在切削加工時產(chǎn)生的彈性變形也不同，使刀具實際切去的材料厚度不同，最終導致工件產(chǎn)生變形。

例如工件兩端剛度好，越靠近中間剛度越差，則在徑向切削力的作用下，越靠近中間產(chǎn)生的彈性變形越大，即“讓刀”越嚴重，致使刀具在兩端切去的金屬多，中間切去的金屬少，則加工的工件呈現(xiàn)中間厚，兩端逐漸減薄的曲面形狀。

軸向切削力同樣由于工件從中心到外徑處剛度的不一致，產(chǎn)生不同的彈性變形，最終導致工件端面不再是一個平面而呈現(xiàn)一個凹心面或凸肚形狀。

在實際切削加工過程中，切削力是必然存在不可消除的，但可以采取有效措施來改變切削力的大小，從而減小工件因切削力而產(chǎn)生的變形量，提高加工質(zhì)量。對切削力有影響的因素有很多，主要歸納為幾下幾方面：

2.1刀具的幾何參數(shù)

2.1.1前角

在一定范圍內(nèi)，切削力隨前角增大而減小。因為前角的大小，決定著切屑變形情況和切屑與刀具前面的摩擦情況，若前角增大會使切屑變形和摩擦均減小，切削力減小。但前角不能太大，否則會使刀具的楔角減小，刀具強度減弱，刀具散熱情況差，磨損加快，所以，一般車削鋼件材料的薄壁零件時，用硬質(zhì)合金刀具，前角取 5～20°，粗車時取小值，精車時取大值。

2.1.2后角

一般情況下，切削力會刀具后角的增大而減小，因為后角決定著刀具后面與工件切削表面之間的摩擦力大小，后角大，摩擦力小，則切削力減小。但后角也不能太大，否則會引起刀具強度減弱等不良后果。在車削鋼類薄壁件時，硬質(zhì)合金刀具后角取2～12°，粗車時取小值，精車時取大值。

2.1.3主偏角

刀具主偏角 在30～60°時，主切削力隨主偏角的增大而減??；主偏角在75 ～90°時，主切削力隨主偏角的增大而增大；通常主偏角在60～75°時，主切削力較小。此外，主偏角的增大，使軸向切削力增大，徑向切削力減小。車削套筒類薄壁零件的外圓表面時，取大的主偏角。

2.1.4刃傾角

刃傾角的變化，對主切削力的變化不大，但對軸向、徑向切削力的影響卻很大。實驗表明，當刃傾角增大時，使軸向切削力增大，徑向切削力減小。

2.2切削用量的選擇

車削過程中，背吃刀量和進給量增大時，切削面積將增大，導致切削力增大。但當切削面積相同時，增大進給量比增大背吃刀量對切削力增大的影響要小。所以，粗加工時，背吃刀量和進給量可以取大些，背 吃 刀 量 一 般 在 0.2～2mm，進 給 量 一 般 在0.2～0.35mm/r：精加工時，背 吃 刀 量 一 般 在 0.2～0.5mm，進 給 量 一 般 在0.1～0.2mm/r 甚至更小。

當切削速度大于50m/min時，隨著切削速度的增加，前刀面上的摩擦系數(shù)減少，剪切角增大，變形系數(shù)減小，切削力將減小。因此粗車時要選用50～80m/min，精車時用盡量高的切削速度，可選用60～120m/min，但不易過高。因此在切削加工時，需合理選用三要素才能有效減少切削力，從而減少變形。

3.切削熱引起變形

在車削過程中，由于切屑變形和切屑、刀具、工件間的摩擦，產(chǎn)生大量的熱，它傳到刀具上使刀具的硬度降低，加速刀具的磨損，使工件加工表面光潔度降低，它傳到工件上，使工件產(chǎn)生熱變形。使用切削液能夠吸收并帶走切削區(qū)域大量的熱量，減小工件因熱變形產(chǎn)生的誤差，切削液還能滲透到工件和刀具之間，減小摩擦并沖走吸附在刀具和工件上的細小切屑。因此合理地使用切削液能減小切削力，提高刀具耐用度，提高加工表面質(zhì)量，使工件不受切削熱的影響而產(chǎn)生變形，保證加工精度要求。車削鋼類薄壁零件時，一般建議使用乳化液，而工件表面質(zhì)量要求高時使用礦物油較好。

4.振動影響精度

車削薄壁工件時，變形與振動相互影響，使工件變形加劇，影響工件加工精度。雖然振動不可能完全消除，但采取必要的措施可以減少振動。

（1）調(diào)整車床的主軸、刀架、床鞍等運動部件的間隙，使其處于最佳運轉(zhuǎn)狀態(tài)，加強工藝系統(tǒng)自身的剛度。

（2）使用吸振材料。

用軟橡膠片、橡膠軟管、泡沫塑料等吸振材料，填充或包裹工件后進行車削，有減振甚至消振的作用。薄壁工件內(nèi)孔精加工完畢后，精車外圓前可將預(yù)先準備好的軟橡膠片卷成筒狀，塞入工件孔內(nèi)，當工件旋轉(zhuǎn)時，在離心力的作用下橡膠片將緊貼孔壁，能阻尼減振并防止振動的傳播，若薄壁工件的外圓已完成精車，需繼續(xù)精加工內(nèi)孔時，可將軟橡膠膠管均勻地繞在工件外圓上，也能獲得較少振動的效果。

（3）遠離振源。

車削中途發(fā)生振動應(yīng)立刻停止，先用降低主軸轉(zhuǎn)速、減小背吃刀量、增大進給量的方法消除振紋。然后對刀具幾何角度是否合格，工藝系統(tǒng)剛度的好壞等進行仔細檢查，無誤后重新開始車削。

5.工藝路線的擬定

薄壁零件由于本身剛度差，易變形，因此其工藝過程可劃分為粗車、半精車和精車三個階段來擬定工藝路線。在粗車中產(chǎn)生的誤差和變形可以通過半精車和精車給予修正，并逐步提高零件的精度和表面質(zhì)量，得到合格產(chǎn)品。

在考慮工藝路線時還應(yīng)重視熱處理的安排。在毛坯形成后，粗車前之前應(yīng)安排人工時效處理，這可消除毛坯制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，為粗車減少變形量。在粗車后，精車前，必須再安排 一次或多次時效處理，以消除粗加工時產(chǎn)生的應(yīng)力。對于提高工件表面硬度、改善工件表面力學性能的淬火、滲碳淬火等熱處理通常安排在半精加工和精加工之間。

6.薄壁零件新型加工方法

6.1誤差補償技術(shù)

薄壁零件的數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代制造企業(yè)的核心技術(shù)，誤差補償技術(shù)應(yīng)用于薄壁零件加工是通過分析各種不同的誤差來源及變化規(guī)律，建立適當?shù)恼`差模型進而有效克服切削力變形、熱變形等數(shù)控機床加工誤差因素的影響，提高零件加工精度。其中南京航空航天大學何寧教授提出的刀具偏擺數(shù)控補償工藝，基本思想是通過建立受力模型、變形模型及數(shù)控補償模型得到數(shù)控補償方案，是使用有限元分析法，模擬分析切削加工時變形的大小，在數(shù)控編程時通過刀具偏擺，讓刀具在原運動軌跡基礎(chǔ)上按變形程度附加連續(xù)偏擺，補償因變形而產(chǎn)生的讓刀量，實現(xiàn)一次清除讓刀殘余材料，使薄壁零件壁厚精度得以保證。從而保證加工精度。數(shù)控補償工藝需配備高精度五軸數(shù)控機床，適用于高端制造行業(yè)，如航天航空加工中。

6.2高速切削加工技術(shù)

高速切削是當今制造業(yè)中一項快速發(fā)展的新技術(shù)，一般認為應(yīng)是常規(guī)切削速度的5～10倍。在工業(yè)發(fā)達國家，高速切削正成為一種新的切削加工理念。切削溫度、切削力通常隨切削速度升高而升高，但超過一定范圍后，反而隨切削速度的升高而下降，如圖8所示。所以高速切削薄壁零件具有以下優(yōu)越性：

（1）高速切削時，由于采用極小的切削深度和很窄的切削寬度，因此和常規(guī)切削狀態(tài)下的切削力相比至少可減小30%，所以在加工薄壁、薄板類零件時可減小加工變形，易于保證零件的尺寸精度和形位精度。

（2）高速切削時由于切削熱的95%將被切屑帶走，工件溫度升不高，工件的熱變形小，這對于減小薄壁、薄板類零件的變形非常有利。

（3）由于工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，而高速切削時，刀具切削的激振頻率很高，遠離了零件結(jié)構(gòu)工藝系統(tǒng)的低振頻率范圍，不會造成工藝系統(tǒng)的受迫振動，從而避免切削振動，實現(xiàn)平穩(wěn)切削降低了表面粗糙度，使加工表面非常光潔，可達到磨削的水平。

（4）高速切削加工允許使用較大的進給率，比常規(guī)切削加工提高5-10倍，單位時間材料切除率可提高3-6倍，加工效率得到很大提高。

圖8 高速切削區(qū)概念

超高速機床是實現(xiàn)超高速切削的前提條件和關(guān)鍵因素，因此機床制造難度大，刀具和計算機輔助設(shè)計生產(chǎn)軟件等技術(shù)含量高，價格昂貴，投資很大，目前國內(nèi)的高速切削水平和國外相比還有較大的差距。

本文介紹薄壁零件常見種類及特點，分析了薄壁零件在加工中較易出現(xiàn)的一些問題并提出了相應(yīng)解決方法，希望在實際生產(chǎn)加工過程中能有一定的借鑒性。另外對薄壁零件高精度、高效率加工的幾種新型方法作了簡單的闡述，雖然這些技術(shù)在國內(nèi)加工水平還不夠成熟，但只要我們緊跟世界各種先進切削技術(shù)發(fā)展步伐，加強對薄壁零件加工方法及工藝技術(shù)的研究，肯定會縮小與發(fā)達國家的制造能力上的差距，使各種先進制造技術(shù)得以推廣發(fā)展。

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