許光彬

(阜陽職業(yè)技術學院 工程科技學院，安徽 阜陽 236016)

?

數(shù)控車削薄壁零件的工藝優(yōu)化

許光彬

(阜陽職業(yè)技術學院 工程科技學院，安徽 阜陽 236016)

摘要：針對薄壁零件剛性差，在加工過程中極容易變形，加工精度不易保證等問題，通過分析車削薄壁零件過程變形產(chǎn)生的原因，從工件的裝夾、刀具幾何參數(shù)選擇、加工工藝等方面提出優(yōu)化方案，為解決車削薄壁零件的變形問題提供有效方法與途徑。

關鍵詞：數(shù)控車削；薄壁零件；工藝優(yōu)化

0引言

在機械制造行業(yè)中，通常把直徑與壁厚之比大于12∶1的回轉(zhuǎn)零件稱為薄壁套筒類零件[1]。薄壁零件的徑向剛度很低，加工工藝性也差，在夾緊力、切削力、切削溫度等因素的影響下易發(fā)生加工變形[2]。薄壁零件車削困難的主要原因在于零件受力變形、熱變形和工藝系統(tǒng)振動，難以保證加工質(zhì)量。要車削加工出合格的薄壁零件，關鍵是要控制加工工件的變形，一般從優(yōu)化切削參數(shù)、優(yōu)選刀具及優(yōu)化加工工藝路徑、優(yōu)化裝夾方法等方面對變形進行控制[3]。薄壁零件車削產(chǎn)生的變形主要由切削力、裝夾方法、切削熱和殘余應力等因素造成，主要表現(xiàn)為：①切削過程中受車刀擠壓與摩擦產(chǎn)生的切削力導致的工件變形。②由于薄壁零件本身剛性低，在切削過程中易產(chǎn)生振動而產(chǎn)生的變形。③薄壁零件體積小，總的熱容量小，切削溫度容易升高而引起的熱變形。④當每切除一層金屬層時，由于切削力卸載工件應力釋放，而引起的殘余應力變形。⑤裝夾時由于夾具徑向夾緊力的作用而引起的裝夾變形。⑥工件壁厚不均，相對裝夾位置調(diào)整不準，引起工件幾何形狀變化或變形。⑦刀具材料或者幾何參數(shù)選用不當，造成的零件變形。⑧工藝系統(tǒng)剛性不足等其他因素引起的變形，如機床-刀具-工件系統(tǒng)振動等[4]。

針對薄壁零件加工時易出現(xiàn)的變形問題，合理選擇裝夾方法、刀具材料與刀具幾何角度，以及合理的切削用量和充分加注切削液，都是保證薄壁零件加工精度的關鍵。

1車削薄壁零件的裝夾優(yōu)化方案

裝夾不當是零件加工誤差產(chǎn)生的主要原因之一，因此通過優(yōu)化裝夾方案來減小裝夾引起的彈性變形是提高加工精度的重要途徑。薄壁零件用普通三爪自定心卡盤裝夾時，由于夾緊力的作用零件會發(fā)生變形(變成三角形)，導致內(nèi)孔加工余量出現(xiàn)不均勻，如圖1所示。當內(nèi)孔加工完成后，松開卡盤，零件由于彈性恢復，恢復為圓柱形，而已加工的圓形內(nèi)孔會變成弧形或三角形，從而產(chǎn)生很大的變形而無法保證加工精度，如圖2所示。因此，可以增大裝夾時的接觸面積或改變裝夾定位方案來減小零件變形。

圖1　三爪卡盤裝夾

圖2　零件卸載后的變形

(1)開縫套簡裝夾。如圖3所示，可采用外加開口套筒1、包裹工件2的裝夾方式來增大接觸面積，使夾緊力均勻分布。使用開縫套簡裝夾薄壁工件，可以增大裝夾時的接觸面積，使夾緊力均勻地分布在工件表面上，夾持開口夾套時，開縫套筒的內(nèi)孔初始曲率半徑要與工件外圓相當，開縫不宜過大，并且要使開口在兩夾爪的中間位置。這種方法還可以減少薄壁工件裝夾產(chǎn)生的變形，提高三爪自定心卡盤的安裝精度，以達到較高的同軸度。

1-開縫套筒；2-工件圖3　開縫套筒裝夾

(2)扇形軟卡爪裝夾。使用前，應在卡爪下裝夾相應的圓形工件，將卡爪車削成形，卡爪幅面不能太小，否則夾具與工件的貼合率無法保證。如圖4所示，使用特制的扇形軟卡爪裝夾薄壁工件來增大接觸面積，夾緊力均勻地分布在工件表面上，在夾緊力相同的前提下可以有效降低夾緊部位的應力。

1-軟爪；2-工件圖4　扇形軟卡爪裝夾

(3)改變裝夾定位方案。改徑向夾緊為端面定位夾緊，避開敏感的徑向變形，比如采用磁力卡盤裝夾、專用夾具裝夾等。如圖5所示，使用軸向夾緊夾具裝夾以外圓定位加工內(nèi)孔，通過端面鎖緊螺母3壓住工件2的端面，夾緊力沿著工件軸向，工件依靠夾具內(nèi)孔定位。如圖6所示，以內(nèi)孔定位加工外圓。通過端面鎖緊螺母4壓緊彈性楔套3與芯軸1實現(xiàn)錐面定位，工件2依靠彈性楔套3的外圓與工件內(nèi)孔夾緊定位。采用軸向夾緊，除了專用夾具外一般裝夾需要千分表找正，保證工件回轉(zhuǎn)中心與主軸中心的重合。軸向端面壓緊工件，改變壓緊力作用點與夾緊方向，消除工件夾緊變形。為防止零件在加工中因與刀具摩擦產(chǎn)生共振，在加工半精車、精車外圓時除了選擇合適的刀具與切削參數(shù)外，可以在夾具體連接處增墊橡膠墊圈或者塑料墊圈；在孔內(nèi)空隙處填充合適的塑料、橡膠、減振泡沫，以消除共振現(xiàn)象，提高加工精度，提高零件表面質(zhì)量。

1-夾具；2-工件；3-鎖緊螺母圖5　外圓定位加工內(nèi)孔

1-芯軸；2-工件；3-彈性楔套；4-鎖緊螺母圖6　內(nèi)孔定位加工外圓

(4)膨脹芯軸裝夾。對于尺寸較小、壁厚較薄的多次裝夾完成的套筒，如內(nèi)孔精度高，可設計車用心軸，定心精度高，可保證較高的形位公差要求[5]。如圖7所示，三角塊的錐套件2與錐螺桿件5通過軸向螺母壓緊，形成可靠的錐面配合，三角塊的錐套件2與工件4形成膨脹芯軸裝夾。通過定位面與工件之間的摩擦力來抵抗切削抗力。并且三角塊的錐套件2與工件4之間安裝橡皮筋3，起到減振、吸振作用。芯軸裝夾使工件、夾具成為一個整體，將工件變形的軸向夾緊力改變?yōu)橛蓛?nèi)向外分布的徑向夾緊力，由此提高工件的剛度，可以對工件進行較大余量的切削，且定位精度高。

1-夾具主體；2-三角塊錐形套3-橡皮筋；4-工件；5-錐螺桿件圖7　膨脹芯軸裝夾

(5)專用夾具裝夾。如圖8所示，將工件直接安裝在專用夾具的定位元件上，安裝迅速方便，無需找正，定位精度較高而且穩(wěn)定。工件在夾具中的正確定位，是通過工件上的定位基準面與夾具上的定位元件相接觸而實現(xiàn)的，因此不再需要找正便可將工件夾緊，工件通過夾具相對于機床也就占有了正確的位置。通過專用夾具上的對刀裝置，保證了工件加工表面相對于刀具的正確位置。在使用夾具的情況下，機床、夾具、刀具和工件所構(gòu)成的工藝系統(tǒng)，環(huán)環(huán)相扣，相互之間保持正確的加工位置，從而保證了工件的加工精度。

1-夾具；2-工件；3-鎖緊螺母圖8　專用夾具加工內(nèi)孔

2選擇合理的刀具幾何參數(shù)

車削薄壁工件時，適當增大前角和主偏角，減小刀尖圓弧半徑，刀桿的剛度要高，修光刃不宜過長(一般取0.2～0.5 mm)，刀具刃口要鋒利，這樣會使徑向切削力減小，減小擠壓變形與顫振。

根據(jù)不同工件材料選擇合適的刀具材料與幾何參數(shù)。如圖9所示，使用硬質(zhì)合金機夾車刀：內(nèi)孔車刀、外圓車刀均選用90°硬質(zhì)合金車刀，90°可以減小徑向力，避免振動，刀片為YT15適合精車削薄壁鋼件。實踐證明：切削普通碳素鋼車刀前角為48°～50°。采用R型圈屑槽，斷屑槽不易過寬，以2 mm左右為宜。后角為14°～16°可以減小車刀后面與工件表面的摩擦。使用高速鋼刀具，前角可以取6°～30°，刀具后角取6°～12°，主偏Kr角為90°，副偏角Kr′取8°～15°。

圖9　車削薄壁工件車刀

3選擇合理的切削用量

薄壁零件車削加工除了前面闡述的裝夾方法與刀具選擇改進外，還要重點考慮刀具的切削力作用變形與切削區(qū)溫升而產(chǎn)生的熱變形。因此減少工件變形至關重要。合理劃分粗、半精、精車工序，選擇合理的切削參數(shù)，控制切削力與切削溫度。根據(jù)金屬切削原理可知，增大切削速度、背吃刀量和進給量，切削力、切削溫度也隨之增加，所以對車削薄壁零件極為不利[6]。但三者對此影響不同，應根據(jù)不同材料的薄壁工件，在粗、半精、精車加工階段采用合適比例結(jié)構(gòu)的切削參數(shù)，以最有效地減少切削力、切削溫度。所以，粗加工時，背吃刀量和進給量可以取大些；精加工時，背吃刀量一般在0.2～0.5 mm，進給量一般在0.1～0.2 mm/r，甚至更小，切削速度6～120 m/min，精車時用盡量高的切削速度，但不易過高。這樣能消除切削過程中刀具引起的振動，有效地避免薄壁工件變形。

另一方面，根據(jù)Carl.J.Salomon高速切削理論[7]，高速切削是減少因工件切削力引起的變形的有效方法。相對于傳統(tǒng)切削而言，高速切削時金屬剪切變形區(qū)窄、剪切角φ較大、變形系數(shù)ξ較小，切削力降低30%～90%，切屑流速快，大部分的切削熱被屑帶走，減少了切削熱對工件的影響。而且具有切削效率高、表面質(zhì)量好、經(jīng)濟性良好等特點。高速切削是薄壁零件高精、高效加工最有效的方法，值得我們深入研究與探討。

4釋放變形應力，保證工件質(zhì)量

如果套筒壁薄、精度高可以半精加工后留0.02 mm，卸下零件自然時效1-2天后，再重新裝夾加工，以防止加工變形。粗車過后，增加半精車，并在半精車后加熱進行退火處理，可減小其內(nèi)應力，并釋放內(nèi)力，減小工件變形，保證工件質(zhì)量。在精車前松動一次后夾緊，或調(diào)整一下工件位置后再夾緊，可以減小外應力，改善薄壁工件變形，從而保證工件質(zhì)量。如果加工后需要淬火處理，則內(nèi)、外圓及端面必須在車削時留有磨削余量，車完后淬火加低溫回火，然后以內(nèi)孔為基準，把工件套在高精度的心軸上，心軸錐度為1∶1000～1∶5000，然后磨削外圓和端面。

5選擇合理的切削液

由于熱變形是影響薄壁套筒類工件加工尺寸精度的一個重要因素，因此需選擇比熱容大、粘度小、流動性好的切削液，如選擇煤油為冷卻潤滑液，既能降低工件的表面粗糙度，同時又能吸收大量的熱量，降低切削溫度，減少工件變形。也可選用潤滑性能好的高濃度極壓乳化液，并連續(xù)、充分地澆注切削液。

6結(jié)論

在實際加工薄壁零件時，應根據(jù)薄壁零件結(jié)構(gòu)、材料與工藝要求，采取有效的綜合措施以減少變形，提高加工質(zhì)量，提高零件的合格率。

(1)選擇正確的裝夾方法，應根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點首選方法簡單、操作方便的開縫套筒裝夾、軟卡爪裝夾。這兩種裝夾方法定心精度高、裝夾可靠。

(2)優(yōu)化裝夾方案，可采用膨脹芯軸裝夾、專用夾具裝夾，改徑向夾緊為軸向定位夾緊，避開敏感的徑向變形。

(3)合理選擇刀具材料、幾何參數(shù)、切削參數(shù)、切削液(例如煤油、乳化液)等措施，或者采用高速切削，以降低切削力與切削溫度，減少加工變形。

(4)根據(jù)零件特點制定工藝方案，制定合理的加工路線，要把粗、半精、精加工工序分開，中間增加熱處理工藝釋放內(nèi)力，減小工件變形。

參考文獻：

[1]劉永芳，惠藝清，李時威，等.高精度薄壁套筒類零件車削工藝[J].工具技術，2014，48(2)：60-63.

[2]董輝躍，柯映林.銑削加工中薄壁件裝夾方案優(yōu)選的有限元模型[J].浙江大學學報，2004，38(1)：17-21.

[3]鄭聯(lián)語，汪叔淳.薄壁件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進方法[J].航空學報，2001，22(5)：424-428.

[4]肖利，孫朝海.薄壁零件的車削加工技術研究[J].機床與液壓，2014，42(16)：27-30.

[5]耿國卿.數(shù)控車削編程與加工[M].北京：清華大學出版社，2011.

[6]陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[7]艾興.高速切削加高技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

(責任編校：夏玉玲)

The Process Optimization of CNC Thin-walled Turning Parts

XU Guang-bin

(College of Engineering Science and Technology， Fuyang Vocational and Technical College， Fuyang 236016， China)Abstract： The author of this paper first discusses the defects of thin-walled parts， such as poor rigidity， deformity， and imprecision， and then proposes some optimization strategies for solving the deformity problems of thin-walled turning parts， based on an analysis of the cause of deformity， the selection of workpiece clamps and the geometrical parameters of tools， and processing technology.

Key Words：CNC turning； thin-wall parts； process optimization

基金項目：安徽省教育廳項目(2014gxk107，2014zy094)

作者簡介：許光彬(1975-)，男，安徽阜陽人，副教授，碩士，主要從事數(shù)控加工技術研究。

中圖分類號：TH161

文獻標志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0080-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.022