劉從華，張 寧

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100194）

薄壁零件機加工工藝及方法研究

劉從華，張 寧

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100194）

薄壁零件一直是機械加工中較難成形的零件，這主要是由于其在機加工過程中易發(fā)生變形，尺寸以及形位公差均很難達到要求。然而薄壁零件又是各機械所必須的結(jié)構(gòu)件，這就要求必須攻克薄壁零件的機加工技術(shù)。本文就為解決薄壁零件機加工問題，分析其工藝以及方法。

薄壁零件；機械加工

1 影響薄壁零件質(zhì)量的因素

現(xiàn)代化加工技術(shù)在不斷的進步，薄壁零件加工技術(shù)日趨成熟，現(xiàn)在已經(jīng)成為高科技產(chǎn)業(yè)的重要標志之一。薄壁零件機加工技術(shù)在軍事。航天等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。航空航天急需輕質(zhì)的零部件，而薄壁零件剛好滿足輕質(zhì)的要求，而且能夠節(jié)省材料且結(jié)構(gòu)緊湊，可是因為其難加工，而且容易在加工時使零件發(fā)生形變，使其加工精度很難得到保證，這會直接影響零件的質(zhì)量。

對于薄壁零件而言，其加工工藝的精度是機械加工領(lǐng)域亟待解決的重要問題，這是精密加工面臨的重要難題之一。薄壁零件有其自身的優(yōu)勢，比如其質(zhì)量輕，可是其構(gòu)造較為復(fù)雜而且強度不高，這就給其加工帶來了難度。因此，應(yīng)把握影響薄壁零件質(zhì)量的因素，并對其進行深入分析，進而才能提出行之有效的工藝改進措施。

影響薄壁零件質(zhì)量的主要因素如圖1所示。物理因素、力的作用、工藝系統(tǒng)熱變形以及工藝路線安排等均會影響薄壁零件加工的質(zhì)量。其中物理因素主要有來自加工原理的誤差、機床精度、刀具精度、夾具精度以及零件本身的內(nèi)應(yīng)力；力作用因素主要來自夾緊力和切削力；還有包括機床熱變形、刀具熱變形以及零件熱變形在內(nèi)的工藝系統(tǒng)熱變形因素；在工藝路線方面，無論是走刀方式、銑削方式還是熱處理的安排都會對薄壁零件加工精度產(chǎn)生重要影響；除了上述的影響因素，斷刀以及機床故障同樣會影響薄壁零件的質(zhì)量。通過分析可知，通過合理的設(shè)置相關(guān)的工藝路線，并能在刀具參數(shù)的安排上予以科學(xué)的規(guī)劃，并優(yōu)化走刀路徑，就能盡可能控制零件的加工變形。

圖1 影響薄壁零件質(zhì)量因素

2 薄壁零件加工工藝及方法分析

2.1 零件裝夾

零件的裝夾會對零件加工造成重大影響，這是因為零件本身的強度所決定的。如果采用傳統(tǒng)的三爪卡盤、虎鉗或者壓板能引起應(yīng)力集中，使得在夾緊力所處的三點發(fā)生較大的形變?？紤]到壓強公式P=F/S，可想到增加薄壁零件與裝夾裝置接觸面的面積，也就是在壓力相同的情況下，通過受力面積的增加，有效的減少了其所受的壓強，同時使得受力更加均勻，最大程度上改善了因裝夾引起的變形。具體做法就是，在薄壁零件在進行機械加工的時候，應(yīng)該仔細推敲每一個零件所在的方位以及夾緊裝置。大部分的夾緊所用裝置均能夠利用特殊的夾具處理，比如輔助軸承、脹套或者施工環(huán)。除此之外，薄壁環(huán)形零件還能可以應(yīng)用軸向裝卡裝置二不是應(yīng)用徑向裝卡裝置，而且通過該部分改良優(yōu)化方法，有針對性的解決零部件的變形問題。若想提升加工精度，還需要從零件的角度考慮，其中有一個方法就是提升零部件的硬度，在這方面，比較常見的方法就是在加工時臨時將零件壁厚增加，若想完成此類操作，就應(yīng)該采用某些較為特殊的材料對預(yù)加工零件的空缺處進行澆灌，比如向其中注入石蠟或者松香，待這個加工過程結(jié)束之后，將此類澆灌材料清除。其中環(huán)形薄壁零件就可以利用夾套、墊套完成裝夾工作，如圖2所示。

圖2 環(huán)形薄壁零件裝夾方式

2.2 銑削方式

當(dāng)其他條件固定的情況下，零件進行機械加工所需工時的長短主要是與走刀軌跡有關(guān)，如何能合理的選取走刀軌跡，就能很大程度上提升加工的效率。對于腔體零部件而言，走刀的軌跡分為行切法與環(huán)切法，兩者相比，環(huán)切法使得零件所受的切削力更加均勻，還能使應(yīng)力得以釋放，進而促進零件的加工精度。如果零件上存在對稱腔體，最好不采用加工完一個腔體后再進行另一個腔體的加工，而且采取分層對稱環(huán)切方法，進而使得產(chǎn)品質(zhì)量得到控制。

在進行精加工的過程中，通常其內(nèi)腔已經(jīng)完成了粗加工，此時若想對其外壁進行加工，就屬于加工一種既薄又長的零件。這時候應(yīng)該采用單邊順銑的方法，這是因為此方法的切削厚度相比于逆銑而言更大，切削短且厚，而且變形會相對較小，此時零件單邊受力，切削的紋理一致性較好，切削震動比較小，其所加工出的零件精度比雙向銑削行切法好。

2.3 切削用量

金屬切削時由于切削力的作用使被切削零部件發(fā)生形變，與切削力大小息息相關(guān)的就是切削量，切削量越小則切削力越小，變形也越小，但是這會使得加工時間增長，所以應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)那邢饔昧?，在保證加工時間的前提下保證薄壁零件的加工精度。金屬切削原理給出了切削用量的三要素，分別是背吃刀量、進給量和切削速度。因為薄壁零件在徑向方向上由于受力所引起的變形較為顯著，因此將切削的背向分力作為研究對象。經(jīng)過實踐和理論分析，可知道，當(dāng)切削方法以及條件固定，那么切削力系數(shù)以及修正系數(shù)就一定，切削力大小就會隨著背吃刀量以及進給量的增加而增加。對于薄壁零件而言，可以通過一定程度上進給量的增加而使得背吃刀量有所減少，對加工余量進行合理的分配，控制走刀的次數(shù)以及切削力。在進行精加工的時候，背吃刀量通常選擇0.2～0.5 mm.進給量會選擇0.1～0.2 mm/r，或者更小的背吃刀量，一次來控制切削力的大小。在進行精車的時候可以通過高速切削來提升加工表面的質(zhì)量，可是應(yīng)通過控制刀具的角度、輔助支撐等多方面的因素來控制工件的共振，進而提升零件的加工精度。

2.4 刀具角度

在薄壁零件加工過程中，刀具幾何角度對切削力大小的影響十分顯著，切削力在軸向以及徑向方向上的分配以及切削產(chǎn)生的熱變形或者是零件粗糙度均有十分重要的影響。刀具前角的大小是影響刀具鋒利與否的關(guān)鍵因素，一般前角越大，則刀具越鋒利，而且會降低切削力，使刀具與零件之間的摩擦力有效減少的同時減少了熱變形。可是當(dāng)前角過大，就會減小刀具鍥角，使其強度下降，這就會使得刀具的耐用度有所下降。例如，對40Cr進行加工的時候，如果采用硬質(zhì)合金刀具，那么通常所選擇的前角為5°～ 16°，如果要進行粗車，則前角在 5°～ 8°，這樣就能有效的提升刀具的耐用程度，如果進行精車，那么前角會選擇8°～16°，進而使刀具鋒利程度有所提升。

刀具與工件之間會有摩擦產(chǎn)生，這主要取決于刀具后角的大小，后角直接影響著刀具后表面與工件之間的摩擦程度。通常后角越大，那么摩擦力就會越小，由此產(chǎn)生的切削熱也會有所下降。可是后角若是持續(xù)增大，就會削弱刀具的強度，進行薄壁零件切削的過程中，一般會根據(jù)精車和粗車的特點進行后角的選擇，如果是精車，就選擇后角略大的刀具，如果粗車，就選擇后角較小的刀具。例如，材料為40Cr的零件在進行切削時，會采用硬質(zhì)合金刀，粗車的過程中為了能有效保障刀具的剛性，后角選在5°～8°，在精車的時候，后角則選擇8°～12°，這樣就能有效的降低刀具和工件之間的摩擦，從而提升加工平面的表面質(zhì)量。

而切削力的分配情況就是由主偏角所決定的，這對于薄壁零件的切削是十分重要的。如果主偏角增加，那么徑向的切削力就會減小，軸向切削力增加，反之徑向方向切削力大軸向減小，因此薄壁零件應(yīng)選擇主偏角大的刀具。通過增大主偏角，來使得其徑向方向的切削力得到有效控制。

刀具副偏角的大小直接影響著零件的表面粗糙度，而且對刀具的強度也有著重要的影響。如果副偏角太小，則會使得其與加工表面的摩擦增加，發(fā)生震動。因此在進行對薄壁零件進行切削加工的時候，通常選擇副偏角為8°～15°.在粗車的時候副偏角選擇大角度，精車選擇小的副偏角，這樣就能有效的提升刀具的耐用程度的同時還能確保加工表面的粗糙度。

3 實例分析

下面以一環(huán)形內(nèi)筒的薄壁零件加工為例進行剖析，其零件圖如圖3所示。該零件長391 mm，最小壁厚約2 mm，屬于典型的細長的薄壁管件。在車削的時候很容易發(fā)生車漏現(xiàn)象，合理運用上述分析內(nèi)容，將工藝制定如圖4.

圖3 環(huán)形內(nèi)筒薄壁零件圖

圖4 工藝流程圖

為減小零件的切削力，就需確保加工余量，因此在工序2的時候，粗車去外皮即可，使零件呈圓形，并將架位車出。在工序4的時候采用搖臂鉆床，并采用加長鉆桿，進而確保同軸度。在進行半精車以及精車的時候，采用兩次裝夾，相當(dāng)于正車反車交替進行，進而使其受力更加均勻。在進行車削外圓的時候，用90°的偏刀進行切削并且進給量要盡量的小，其中精車進給低于0.2 mm，這就能有效減小切削的內(nèi)應(yīng)力。

4 結(jié)論

薄壁零件加工難，但是通過分析引起其變形的原因，并與加工經(jīng)驗結(jié)合，通過理論分析，就能通過工藝方案的優(yōu)化使得零件的質(zhì)量和精度得以保證。在裝夾時應(yīng)盡量增加零件與裝夾裝置的接觸面積，進而控制其受力不均的情況，并能依據(jù)工件的形狀選取較為合理的銑削方式，并選擇合理的切削用量，以此控制切削力的作用。刀具角度也是薄壁零件加工過程中需重要考慮的因素，應(yīng)根據(jù)精加工、粗加工以及加工材料的不同進行刀具前角、后角、主偏角以及副偏角的選擇，這樣才能在保證零件精度要求的前提下提高刀具的使用壽命。

[1]王旭強.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進方法[J].中國科技投資，2016（11）：23-24.

[2]麻東升，劉長榮，張小芹 .影響薄壁零件加工精度的因素及工藝措施 [J].河北科技師范學(xué)院學(xué)報，2011（4）：62-65.

[3]張本忠.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量的改進方法[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（5）：85-87.

[4]魏 麗，鄭聯(lián)語.改進薄壁零件數(shù)控加工質(zhì)量的進給量局部優(yōu)化方法 [J].航空精密制造技術(shù)，2011（4）：10-14.

[5]季 愷.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進分析[J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2015（9）：36-37.

[6]李 洋.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進方法[J].大陸橋視野，2016（18）：58-59.

[7]李 盼.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進分析[J].電子測試，2013（21）：229-230.

[8]龍倩倩.剖竹加工工藝分析及其數(shù)控加工機床的設(shè)計[D].東北林業(yè)大學(xué)，2014：25-26.

[9]孫瑞寶.淺談提高薄壁零件數(shù)控加工精度的工藝方法[J].電子制作，2014（12）：219.

[10]舒 安.對薄壁套類零件數(shù)控車削加工工藝的探討[J].讀寫算：教育教學(xué)研究，2015（17）：18-19.

Research on Machining Technology and Method of Thin wall Parts

LIU Cong-hua，ZHANG Ning
（Beijing Spacecrafts，Beijing 100194，China）

Thin wall parts are always difficult to be formed in machining.This is mainly due to the deformation easily in the machining process，and the size and shape and position tolerances are difficult to meet the requirements.However，the thin-walled parts are the necessary structural parts of each machine，so it is necessary to overcome the machining technology of thin-walled parts.In order to solve the machining problem of thin wall parts，the process and method are analyzed.

thin-walled parts；machining

V262.3

A

1672-545X（2017）09-0217-03

2017-06-02

劉從華（1980－），男，江蘇濱海人，碩士，工程師，研究方向：CAD/CAM.