鄭東華

(南京數(shù)控機(jī)床有限公司江蘇南京211100)

薄壁零件剛性差、強(qiáng)度弱，在切削加工過程中容易變形，產(chǎn)生形位誤差，往往不易保證零件的加工精度，一直是金屬切削加工中的棘手問題。為了提高零件的加工精度，本文將從薄壁零件的裝夾、切削用量的選擇、刀具的幾何角度及冷卻液的應(yīng)用等方面分析和探討，提出一些有益的工藝方法。

1 合理裝夾工件，避免裝夾變形

薄壁零件其特點(diǎn)是壁薄，徑向方向受力容易變形。合理的裝夾是提高加工精度的關(guān)鍵因素。因此，對(duì)于薄壁零件裝夾，就不能簡(jiǎn)單的用三爪卡盤直接裝夾，夾緊力集中在三點(diǎn)，極易產(chǎn)生變形。如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)單三爪盤夾零件受力

如增加薄壁零件的裝夾接觸面，使裝緊力盡可能均衡的分布，零件的受力變形就將大大改善。根據(jù)物理學(xué)的壓強(qiáng)公式:P=F/S。當(dāng)壓力一定時(shí)，受力面積越大，壓強(qiáng)越小，從理論上也證明了這一點(diǎn)。為增加薄壁零件的夾持面積，通常使用開縫夾套，扇形爪等(如圖2)，實(shí)踐證明這是一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)有效的工藝方法。

在現(xiàn)代的金屬切削加工中，數(shù)控機(jī)床被廣泛應(yīng)用，對(duì)夾具要求定位準(zhǔn)確，安裝方便，并自動(dòng)夾緊。

圖2 開縫夾套及扇形爪

如圖3的彈性心軸，薄壁套依靠彈性心軸做孔定位，端面則由夾具體定位，拉桿連接在數(shù)控車床主軸的回轉(zhuǎn)油缸上，由回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)拉桿，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊。

圖3 彈性心軸

圖4 為推程式彈簧夾頭，零件由彈簧夾頭內(nèi)的定位裝置實(shí)現(xiàn)軸向定位，彈簧夾頭起夾緊代定位的作用，推程桿則由機(jī)床的回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊。

圖4 推程套式彈簧夾頭

除此之外，對(duì)薄壁零件的裝夾，還可以改變夾緊力的作力點(diǎn)，變徑向夾緊為端面夾緊，以避免薄壁零件徑向受力變形；如圖5及圖6分別是以孔及端面定位加工外圓、以端面及外圓定位加工內(nèi)孔的端面夾緊范例。

圖5 以孔及端面定位加工孔

圖6 以端面及外圓定位加工孔

在一些大型的薄壁缸套上，為加工缸套端部的止口及螺紋，還可以采用一端由彈簧夾頭夾緊，一端采用套圈式中心架支承的加工方法(如圖7)。彈簧夾頭夾緊工件，傳遞轉(zhuǎn)矩，套圈式中心架支撐零件，限止零件的擺動(dòng)及切削中的震動(dòng)。

圖7 彈簧夾頭加套圈式中心架加工薄壁缸套

對(duì)于深孔類薄壁套筒零件，可以設(shè)計(jì)一些內(nèi)撐式脹緊心軸(圖8)。它是由機(jī)床的雙作用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)內(nèi)撐式脹緊心軸的雙拉桿，實(shí)心拉桿及脹塊撐緊深孔內(nèi)端，同時(shí)壓縮彈簧，帶動(dòng)滑套，撐起中部脹塊，起輔助支撐作用，使切削更加平穩(wěn)，空心拉桿及脹塊則撐起零件的孔口，零件的軸向定位則由零件靠緊脹緊心軸的頂部實(shí)現(xiàn)。

圖8 雙作用內(nèi)撐式脹緊心軸

2 合理的選擇切削用量

在金屬切削過程中，必然會(huì)產(chǎn)生切削力，使工件產(chǎn)生變形，切削力的大小與切削用量是密切相關(guān)的，合理的選擇切削用量就能減少切削力，從而減少變形。從金屬切削原理中可以知道:背吃刀量ap、進(jìn)給量f、切削速度V是切削用量的三要素。由于薄壁零件徑向受力變形最為突出，所以應(yīng)以切削的背向分力為研究對(duì)象。通過實(shí)際測(cè)量不同切削工況條件下的切削力，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，求得如下計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式:

式中:C為被加工材料和切削條件的切削力系數(shù)；

xp、yp、np分別為背吃刀量 ap、進(jìn)給量 f和切削速度Vc對(duì)切削力的影響指數(shù)；

Kp為實(shí)際加工的條件與建立經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的試驗(yàn)條件不符時(shí)的計(jì)算切削力修正系數(shù)。

由公式可以得出，當(dāng)切削方法、條件一定時(shí)，切削力系數(shù)C、修正系數(shù)Kp是一個(gè)定值。切削力的大小隨背吃刀量、進(jìn)給量增加而增加。但由于背吃刀量ap指數(shù)xp近似于等于1，進(jìn)給量f指數(shù)yp小于1，所以采用大進(jìn)給量f比采用大的背吃刀量ap的切削力要小。對(duì)于薄壁零件的切削加工，可適當(dāng)加大進(jìn)給量，減少背吃刀量，合理分配加工余量，走刀次數(shù)，把切削力控制在一定范圍。在精加工時(shí)，背吃刀量一般在0.2～0.5mm.進(jìn)給量0.1～0.2mm/r，甚至更小，以減小切削力。精車時(shí)可以采用高速切削，以提高加工表面品質(zhì)，但要采取一定的措施，如刀具的幾何角度、輔助支撐等，防止工件的共振面，影響零件的加工精度。

3 合理選擇刀具的幾何角度

在薄壁零件的加工中，刀具幾何角度對(duì)切削力大小、切削力在軸向或徑向上的分配、切削產(chǎn)生的熱變形以及零件的粗糙度有著至關(guān)重要的作用。刀具前角的大小，決定著刀具的鋒利程度。前角大，刀具鋒利；切削力小，刀具與零件的摩擦力減小，熱變形減小。但前角過大，會(huì)使刀具鍥角減小，刀具強(qiáng)度減弱，刀具耐用度下降。以切削40Cr材料工件為例，使用硬質(zhì)合金刀具，前角一般選取5°～16°。粗車時(shí)前角取5°～8°，以提高刀具耐用度；精車時(shí)前角取8°～16°，以提高刀具的鋒利程度。

刀具的后角大小，決定著刀具后面與工件的表面摩擦程度。后角大，摩擦力小，切削刀熱也相應(yīng)減小。但后角過大亦會(huì)使刀具強(qiáng)度減弱。在切削薄壁零件時(shí)，粗車取后角小些，精車取后角大些。以切削40Cr材料工件為例，使用硬質(zhì)合金刀具，粗車時(shí)一般取5°～8°，以提高刀具的剛性。精車時(shí)取8°～12°，以減少刀具與工件的摩擦，提高與加工面的表面品質(zhì)。

刀具的主偏角大小，決定了切削力在軸向或徑向上的分配情況。對(duì)切削薄壁零件尤其重要。主偏角增大，徑向切削力減小，而軸向切削力增大；反之則徑向切削力增大，而軸向切削力減小。所以在車削薄壁零件時(shí)，盡可能選用主偏角較大的刀具。

刀具的副偏角大小是影響已加工表面粗糙度的主要角度，同時(shí)也影響著刀具的強(qiáng)度。過小的副偏角，會(huì)增加副后面與已加工表面的摩擦，引起切削振動(dòng)。在切削薄壁零件時(shí)副偏角一般取8°～15°。粗車時(shí)可取大些，精車時(shí)取小些，以提高刀具的耐用度，保證已加工面的粗糙度。

4 充分使用切削液，減少切削熱對(duì)加工精度的影響

在金屬切削過程中，工件阻礙刀具切削時(shí)產(chǎn)生的彈性變形和塑性變形，在切削區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，以及切屑、刀具、工件間的摩擦，亦會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致刀具的磨損，影響工件的表面粗糙度，使工件受熱變形。在車削薄壁零件時(shí)，要充分使用切削液，及時(shí)的將切削熱、切屑帶走，減少刀具、切屑與已加工表面的摩擦。此外還可以通過刀具的斷屑槽、內(nèi)冷刀具等方法，減小切削熱對(duì)零件加工品質(zhì)的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

薄壁零件具有質(zhì)量輕，節(jié)約材料，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，廣泛被用于各種機(jī)械的結(jié)構(gòu)中。雖剛性差，強(qiáng)度弱，工藝性差，但只要應(yīng)用得當(dāng)?shù)墓に嚪椒?，就有可能大大提高薄壁零件的加工精度?/p>

［1］王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)［M］.北京機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］王光斗，王春福，等.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990.

［3］陳曜.金屬切削原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.