胡新華

摘要： 薄壁零件作為數(shù)控車(chē)床中難以加工的零件，加工零件的同時(shí)主要解決變形及精度上的問(wèn)題。在研究中，將薄壁汽缸作為加工對(duì)象，分析薄壁零件及影響薄壁零件精度的因素，在把握問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出加強(qiáng)數(shù)控車(chē)床薄壁零件加工的措施，為薄壁零件加工提供幫助。

Abstract： Thin wall parts are difficult to process in CNC lathe. While processing parts， it mainly solves the problems of deformation and accuracy. In the research， the thinwalled cylinder is taken as the processing object， the thinwalled parts and the factors affecting the precision of thinwalled parts are analyzed， and on the basis of grasping the problems， the measures to strengthen the processing of thinwalled parts on NC lathe are put forward to provide help for the processing of thin-walled parts.

關(guān)鍵詞： 數(shù)控車(chē)床;薄壁零件;加工措施

Key words： CNC lathe;thin wall parts;processing measures

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0105-03

0 ?引言

數(shù)控車(chē)床是機(jī)械加工的設(shè)施，在車(chē)床加工過(guò)程中，對(duì)加工產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格管理，才能保證加工的零件質(zhì)量，滿足質(zhì)量要求的產(chǎn)品會(huì)進(jìn)行售賣(mài)，進(jìn)入人們的生活中。在實(shí)際加工過(guò)程中，涉及一些特殊的薄壁零件，此類(lèi)零件的加工難度較大，生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量不容易控制，出現(xiàn)不合格產(chǎn)品的概率高。在機(jī)械加工企業(yè)中，薄壁零件加工讓操作員感到困擾，對(duì)此，還需掌握薄壁加工中影響加工精度的因素，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)處理，解決零件加工變形問(wèn)題，保證薄壁零件的加工精度。

1 ?薄壁零件簡(jiǎn)述

薄壁零件指的是薄形板材及加強(qiáng)筋條形成的輕量化構(gòu)件，薄壁零件厚度及內(nèi)徑曲率比值<5%，此類(lèi)零件使用的材料量小，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量輕。薄壁零件本身結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，硬度及剛度不足，在生產(chǎn)過(guò)程中容易發(fā)生變形及翹起，對(duì)薄壁零件感官產(chǎn)生影響的同時(shí)，也會(huì)影響薄壁零件的使用效果。薄壁零件在尺寸及造型上特殊，本身屬于特殊材料，經(jīng)常使用的薄壁加工材料是鈦合金、復(fù)合材料，此類(lèi)材料均針對(duì)不同的生產(chǎn)場(chǎng)景，在不同場(chǎng)景中生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)品。自薄壁零件加工及工藝角度進(jìn)行分析，薄壁零件最終的加工效果反映加工水平，薄壁零件一般應(yīng)用于高精尖領(lǐng)域，加工水平直接影響后續(xù)的組裝產(chǎn)品質(zhì)量。自車(chē)削工藝角度上看，切削量及道具材料、幾何參數(shù)均會(huì)對(duì)薄壁加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2 ?薄壁零件加工精度的影響因素

①受力變形：薄壁零件輕薄，在夾裝時(shí)受到壓迫性因素影響，發(fā)生彈性變形的概率高，容易導(dǎo)致薄壁零件表面形狀及尺寸、位置發(fā)生變化，合理選擇夾緊力及支撐力位置，對(duì)薄壁零件質(zhì)量產(chǎn)生影響，對(duì)降低附加應(yīng)力具有重要意義。②受熱變形：薄壁加工的工件應(yīng)克服材料變形問(wèn)題，包括彈性變形及塑性變形，此類(lèi)因素會(huì)導(dǎo)致工件發(fā)生熱變形，操作人員往往無(wú)法控制工件尺寸，導(dǎo)致加工的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)圖紙存在偏差。經(jīng)大量的研究發(fā)現(xiàn)，切削溫度影響薄壁零件形狀，多數(shù)加工中以縮減切削熱以免發(fā)生受熱變形。通過(guò)減小切屑力的方法，避免切削溫度不斷增高，加大道具尖部散熱面積及加注足夠的切削液，可改善切削熱情況。③車(chē)削振動(dòng)變形：機(jī)械加工中，會(huì)產(chǎn)生徑向切削力，導(dǎo)致薄壁零件發(fā)生振動(dòng)及變形。水平面徑向切削力就縱向走刀向垂直，刀具及工件的抗力作用會(huì)導(dǎo)致工件變形，薄壁零件對(duì)切削質(zhì)量要求較高，選擇的切削工具較小，加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生斷裂屑，導(dǎo)致刀尖與工件的切削抗力發(fā)生變化，加工產(chǎn)品與刀具振動(dòng)從而引發(fā)變形。

3 ?數(shù)控車(chē)床薄壁零件加工質(zhì)量控制措施

3.1 薄壁汽缸零件施工

3.1.1 加工工藝及加工階段

薄壁汽缸零件生產(chǎn)較為復(fù)雜，這種零件是基礎(chǔ)性零件，側(cè)面結(jié)構(gòu)及構(gòu)成具有多樣化特點(diǎn)，構(gòu)成細(xì)節(jié)尺寸具有顯著的差異。一般情況下，薄壁汽缸零件表面會(huì)增加一層稀有金屬，達(dá)到保護(hù)薄壁的目的，并保持薄壁的美觀性。薄壁零件內(nèi)部也要加工，從而降低薄壁汽缸零件內(nèi)部的阻力及磨損率。薄壁零件內(nèi)孔及臺(tái)階面孔表面有公差，公差一般在0.02mm左右。自總體上看薄壁汽缸對(duì)加工的要求較高，且此類(lèi)零件的剛度差，容易發(fā)生變形，對(duì)最終的加工質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生影響。在薄壁零件加工過(guò)程中，會(huì)使用獨(dú)特的夾具及刀具，合理選擇工藝路線，對(duì)滿足圖紙要求具有重要意義，具體的質(zhì)量控制措施如下。

在本文研究中，將薄壁汽缸作為案例（見(jiàn)圖1），薄壁汽缸加工質(zhì)量要求較高、剛性差，加工余量大，合理劃分施工階段具有重要意義。對(duì)圖紙進(jìn)行分析，在加工過(guò)程中，可以分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段是粗加工，對(duì)外圓及內(nèi)孔進(jìn)行處理，將大部分加工量去除，及時(shí)發(fā)現(xiàn)上述分析中的變形因素，掌握毛坯材料缺陷，為后續(xù)加工奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第二個(gè)階段是半加工，針對(duì)零件表面進(jìn)行處理。第三個(gè)階段是精加工，此階段的加工是精車(chē)外圓，滿足精度要求。

3.1.2 定位選擇

在薄壁汽缸零部件加工中，汽缸內(nèi)孔及臺(tái)階孔對(duì)精度的要求較高，包括位置及尺寸，加工過(guò)程中通過(guò)統(tǒng)一精準(zhǔn)定位可滿足標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合零件加工工藝，將外圓表面及C端面作為加工定位基準(zhǔn)面。將C面作為基準(zhǔn)面對(duì)提升加工精度具有一定的優(yōu)勢(shì)。在一次夾裝中可以對(duì)外圓面及內(nèi)孔、端面、臺(tái)階面等處理，進(jìn)一步提升零件的生產(chǎn)效率，也能保證各個(gè)面對(duì)精度要求。在加工中同時(shí)展開(kāi)外圓及內(nèi)孔加工，保證零件壁厚均勻，縮減誤差率。將C端面作為定位基準(zhǔn)面，也能避免設(shè)計(jì)及加工上的誤差，提升薄壁汽缸的加工質(zhì)量。

3.1.3 刀具選擇

企業(yè)在生產(chǎn)中，數(shù)控車(chē)床常見(jiàn)的切削刀具是白鋼刀、硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金中包括YT類(lèi)及YG類(lèi)，YT類(lèi)刀具常見(jiàn)加工碳素鋼及合金鋼。而YG道具常見(jiàn)加工不銹鋼及鑄件等。針對(duì)薄壁汽缸零件的特點(diǎn)及材料要求，加工過(guò)程中使用機(jī)夾可轉(zhuǎn)車(chē)刀，見(jiàn)表1。

3.1.4 切削量

在切削過(guò)程中，對(duì)切削加工的速度及深度進(jìn)行研究，切削量關(guān)系到零件加工的精度及表面粗糙情況，應(yīng)當(dāng)將刀具的功能充分發(fā)揮，保證刀具的切削功能及耐久度。將機(jī)床性能發(fā)揮，最大程度提升生產(chǎn)率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，見(jiàn)表2。

3.1.5 夾具設(shè)計(jì)

夾具多數(shù)在主軸前端安裝，與主軸共同活動(dòng)，對(duì)此，夾具應(yīng)當(dāng)在合理定位下，保持可靠的松弛度。在夾具設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)保持結(jié)構(gòu)緊湊、懸伸短。家具重心盡可能的靠近主軸，縮減慣性力及回轉(zhuǎn)力矩。合理控制配重，保持平衡，降低振動(dòng)率，避免結(jié)構(gòu)變形。夾具裝置安全耐用，在工件最大位置夾緊，夾緊力足夠大的情況下，避免離心力及慣性力影響而發(fā)生夾具松動(dòng)。夾具及機(jī)床保持穩(wěn)定聯(lián)結(jié)，降低安裝引發(fā)加工誤差。為保證薄壁汽缸零件滿足加工要求，加工過(guò)程中通過(guò)開(kāi)槽套筒使零件壁厚增加，提升零件剛性，降低振動(dòng)率，避免內(nèi)孔加工時(shí)，扇形軟三爪的夾緊力不足，導(dǎo)致內(nèi)孔周?chē)l(fā)生變形。

3.1.6 修改刀具路徑

在實(shí)際施工過(guò)程中，除上述具體操作外，也要合理對(duì)刀具路徑進(jìn)行調(diào)整，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，在修改刀具路徑過(guò)程中，需要嚴(yán)格根據(jù)規(guī)定對(duì)線路進(jìn)行調(diào)整，避免發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量改變問(wèn)題。薄壁汽缸生產(chǎn)中，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求較高，需嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量，避免人為操作失誤而發(fā)生誤差，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生過(guò)大的影響。自薄壁汽缸產(chǎn)品上看，薄壁汽缸屬于輕工業(yè)產(chǎn)品，對(duì)參數(shù)的要求較高嚴(yán)格，避免后期發(fā)生變形，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保證產(chǎn)品質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)，一旦產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，容易發(fā)生變形，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。對(duì)此，修改刀具路徑是非常有效的方案，在施工中對(duì)加工精度進(jìn)行計(jì)算，選擇合適的切削角度，有利于提升產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1.7 調(diào)整進(jìn)給量

在薄壁汽缸加工中，為減少進(jìn)給量問(wèn)題，控制工件變形，提出進(jìn)給量局部調(diào)整方法，在剛性變形關(guān)鍵區(qū)大量進(jìn)給，帶剛性變形大區(qū)域小量進(jìn)給，確定關(guān)鍵區(qū)域后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲得分布圖。邊界點(diǎn)是道具路徑的關(guān)鍵交接位置，根據(jù)幾何算法獲得曲線路徑，使用CAM軟件生成道具路線圖，根據(jù)工差補(bǔ)齊分線段，將道具放在合適的區(qū)域。在薄壁汽缸加重，相關(guān)技術(shù)人員對(duì)工藝進(jìn)行跟進(jìn)及解讀，合理解決變形問(wèn)題，保證薄壁汽缸的加工質(zhì)量。

3.2 無(wú)縫鋼管棒料加工

在無(wú)縫鋼管棒料加工過(guò)程中，通過(guò)自定心三爪卡盤(pán)夾緊，完成一次性裝夾加工、在操作過(guò)程中，先粗車(chē)隨后精車(chē)，使用粗車(chē)對(duì)車(chē)內(nèi)孔進(jìn)行處理，達(dá)到？準(zhǔn)33.5mm，外圓？準(zhǔn)38.5mm、？準(zhǔn)42.5mm，利用精車(chē)刀對(duì)內(nèi)孔及外圓進(jìn)行處理，最后完成切斷，通過(guò)一次性?shī)A裝保證同軸垂直度。工藝方案的缺陷是零件壁淡薄，容易發(fā)生振動(dòng)，機(jī)床主軸較為松懈，導(dǎo)致機(jī)床剛性低，容易發(fā)生振動(dòng)，切斷刀在切斷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。在第一道工序中，零件是無(wú)縫鋼管棒料，通過(guò)自定心三爪卡盤(pán)固定，完成粗加工，尺寸預(yù)留在0.5-0.8mm。通過(guò)大面積扇形軟抓夾裝，精加工內(nèi)孔徑在？準(zhǔn)34mm。若采取普通自定心三爪卡盤(pán)固定，零件可能發(fā)生變形，受力集中在三點(diǎn)的情況下，薄壁強(qiáng)度降低，容易發(fā)生變形。夾力較小時(shí)，零件在車(chē)削時(shí)受到力學(xué)影響容易導(dǎo)致零件松懈，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生撞刀。大面積扇形軟爪可縮減變形，主要是軟爪夾裝應(yīng)當(dāng)與零件外徑配合。可最大程度獲得接觸面積，從而增大夾緊力，使夾緊力均勻分布在零件上，對(duì)端面進(jìn)行固定。在加工過(guò)程中，軟爪加工應(yīng)當(dāng)完成一次性?shī)A裝，提升零件精度，避免零件在加工時(shí)發(fā)生變形。

第三道工序則是對(duì)外圓進(jìn)行精加工，外圓？準(zhǔn)42mm，保證零件總體長(zhǎng)度。椎體軸心在夾裝過(guò)程中，包括椎體及墊圈、推薦塊，工作方式是對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行加工，對(duì)內(nèi)六角螺釘進(jìn)行禁錮，椎體在移動(dòng)時(shí)，夾具會(huì)膨脹，從而使內(nèi)部?jī)?nèi)孔受力均勻。精加工完成后，將六角螺釘松解，實(shí)現(xiàn)椎體向外移動(dòng)，避免夾具膨脹，最后將零件松開(kāi)。

在實(shí)際施工過(guò)程中，使用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，鋼強(qiáng)度及彈性較好，在施工過(guò)程中也要注意，不同截面夾裝可以保證垂直度，在加工過(guò)程中保持合適的截面，內(nèi)孔尺寸應(yīng)當(dāng)在0.05-0.08mm，便于零件夾裝。椎體內(nèi)六角螺釘在配合過(guò)程中，椎體大徑在28.4mm，錐度設(shè)置為8°。內(nèi)六角螺釘應(yīng)當(dāng)是M10*90，椎體及內(nèi)六角螺釘配合保持松動(dòng)狀態(tài)，對(duì)此，在固定過(guò)程中應(yīng)當(dāng)把推件塊穩(wěn)定，在固定過(guò)程中，距離椎體2mm。在零件加工后，將內(nèi)六角螺釘固定，從而將零件松開(kāi)。

在加工過(guò)程中也要注意減少切削變形，從而控制薄壁尺度，對(duì)加工精度進(jìn)行處理，從而提升加工精度，保證整體生產(chǎn)效率。在薄壁零件車(chē)削過(guò)程中，合理對(duì)刀具尺寸進(jìn)行處理，避免發(fā)生熱變形。刀具的幾何角度對(duì)切削力也會(huì)產(chǎn)生影響。刀具前角設(shè)置，在設(shè)置過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)關(guān)注切削的鋒利度，前角大，則切削力及摩擦力減小，刀具強(qiáng)度縮減，刀具散熱不佳，會(huì)導(dǎo)致磨損度增加。車(chē)削鋼件過(guò)程中，使用硬質(zhì)合金刀，前角設(shè)置為5°-20°時(shí)，粗車(chē)取小前角，精車(chē)取大角。刀具選擇過(guò)程中，也要關(guān)注摩擦情況，后角大的情況下，摩擦力縮減，后角過(guò)大則導(dǎo)致切削強(qiáng)度縮減。在車(chē)削加工過(guò)程中，使用硬質(zhì)合金刀具加工，后角取4°-10°，在粗車(chē)過(guò)程中，取較小前角，精車(chē)則獲得較大后角。在加工過(guò)程中，影響道具加工的因素較為復(fù)雜，包括工件表面及粗糙度，車(chē)臂薄件加工中，若徑向切削力小，軸向切削力大，若徑向切削力大，軸向則變小，車(chē)削薄壁無(wú)外圓時(shí)，需主偏角進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到95%。刀具副偏角對(duì)刀具加工摩擦情況產(chǎn)生影響，車(chē)薄壁加工過(guò)程中，粗車(chē)副偏角大，精車(chē)副偏角縮小。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控車(chē)床在加工零件過(guò)程中，企業(yè)關(guān)注加工質(zhì)量，企業(yè)加工的合格產(chǎn)品數(shù)量多，獲得較高的收益，若企業(yè)生產(chǎn)的零件精度不足，無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，企業(yè)也會(huì)面對(duì)巨大的損失。對(duì)此，在數(shù)控車(chē)床薄壁零件加工中，應(yīng)當(dāng)具體問(wèn)題具體分析。薄壁汽缸零件在加工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行分析，掌握加工的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)加工材料及切削工藝進(jìn)行分析，結(jié)合過(guò)往的研究案例，說(shuō)明加工過(guò)程中面對(duì)的常見(jiàn)性問(wèn)題，對(duì)各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行處理，保證加工精度，提升薄壁汽缸的生產(chǎn)率及生產(chǎn)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mahavir Singh， Amandeep Singh， J. Ramkumar. Thin-wall micromachining of Ti-6Al-4V using micro-wire electrical discharge machining process[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2019，41（8）.

[2]Shrikrishna Nandkishor Joshi，Gururaj Bolar. Three-Dimensional Finite Element Based Numerical Simulation of Machining of Thin-Wall Components with Varying Wall Constraints[J]. Journal of The Institution of Engineers （India）： Series C，2017，98（3）.

[3]Sylvain Pateloup，Hélène Chanal，Emmanuel Duc. Process definition of preformed part machining for taking benefit of parallel kinematic machine tool kinematic performances[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012，58（9-12）.

[4]李洲龍，朱利民，Yusuf Altintas.薄壁曲面零件五軸側(cè)銑加工過(guò)程幾何-力學(xué)仿真及變形誤差刀路補(bǔ)償[J].金屬加工（冷加工），2020（11）：87.

[5]李同，湯愛(ài)君，趙彥華.輔助支撐對(duì)彎曲薄壁件加工變形影響的有限元分析[J].機(jī)床與液壓，2020，48（16）：101-103，144.

[6]張慶.薄壁零件數(shù)控加工變形誤差控制補(bǔ)償技術(shù)[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2020（15）：118-119.

[7]王騰飛.對(duì)基于ABAQUS的薄壁件多點(diǎn)柔性加工變形的研究[J].科技風(fēng)，2020（17）：180.

[8]胡相斌.鋁合金零件加工變形原因分析及工藝控制措施[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2020，33（02）：185-187.

[9]淮妮，白瑀.基于LOM技術(shù)的大尺寸薄壁機(jī)械零件自動(dòng)化加工方法研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2020（03）：168-170，174.

[10]李洲龍，朱利民.薄壁曲面零件五軸側(cè)銑加工過(guò)程幾何-力學(xué)仿真及變形誤差刀路補(bǔ)償[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2020，56（06）：168.

[11]賈飛.薄壁鋁合金零件切削成型工藝分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（02）：96-97.