轴类薄壁零件的工艺特征及加工分析

孟博凤 董惠珍 崔礼泉

【摘 要】文章从对轴类薄壁件的特性分析入手，对影响零件加工质量的因素，作了具体分析，揭示了薄壁零件切削加工的实质性问题。弹性变形与切削振动的关系，指出了提高零件在加工中防止变形，提高质量的工艺措施。

【中图分类号】 F407.44【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0250-02

前 言

随着社会的发展，人们对产品的质量要求不断提高，希望其产品轻巧、美观、环保、节约原材料，所以薄壁零件被更多应用到产品中。因此，提高薄壁零件的加工质量，对满足产品高品质的要求起着重要的作用。而该类零件的突出特征是零件的刚度低，精度高，在加工中容易产生变形，加工制造的难度大。因此对薄壁零件的加工进行深入的研究有着十分重要的意义。下面我们主要对轴类薄壁零件的加工作出分析研究。

一 、 薄壁零件的特性

薄壁零件的壁厚和零件的整体尺寸相比，很小。因而使零件本身刚性减弱，当受到外力的作用时容易引起变形。薄壁零件的工艺稳定性差。对于轴类薄壁零件，壁厚的大小对零件的加工质量影响很大。壁厚大的，刚度大。壁厚越小，零件的刚度越小，变形量越大。这是造成加工误差的天然因素，也即内因。有时为满足设计要求我们难以改变，那么我们就只能从构成加工误差的外部因素加以分析。下面我们分析造成加工误差的其他因素。

二、 薄壁零件加工误差分析

由上述分析可知，薄壁零件的刚度低，是造成加工误差的内部因素，构成加工误差的外因，一方面，与机床本身的精度，刀具的性状有关。另一方面，与零件所受外力有直接影响。

1、 切削力的影响

例如，在车床上或外圆磨床上加工长轴时，零件被装卡在两顶针之间。切削力Py，使零件发生弯曲变形。因而，在零件的全长范围内，切去的金属层厚度不均匀，在中间部分切去的金属层最薄，形成腰鼓形误差。（图1）

对于壁厚不均匀的零件，当加工偏心外圆时，由于切削力的影响，就会在薄壁处出现内外表面塌陷（图2-1），或外圆表面凸起的情况（图2-2）。

1） 发生永久变形时产生误差的情况；2） 发生弹性变形时产生误差的情况

2、 夹紧力的影响

利用三爪卡盘夹持零件进行镗孔时，零件的内孔，是当零件发生了弹性变形的情况下成形的（图3），当取下零件后，由于弹性的恢复，加工好的内孔，就会向原夹紧力的相反方向伸长，造成圆度误差。

3、 弹性变形与切削振动的影响

综上分析，尽管各类零件的形状结构不同，加工方法各异。但对影响加工误差的原因，却有一个共同点。这就是：外力引起的弹性变形，产生加工误差。其误差的大小，与零件发生弹性变形的程度有关。

切削过程中的弹性变形，是产生切削振动的重要根源。

切削振动，反回来又加剧薄壁零件的弹性变形。这种由变形引起振动，振动加剧变形的往返过程，是薄壁零件切削加工中的一个显著特点，也是造成加工误差的重要原因。

三、 改善薄壁零件切削加工的基本途径

根据薄壁零件刚度低的特点，在制定加工方案时，常常把增加零件的有效刚度，选择合理的夹紧方式，优选刀具几何参数以及改变工艺方法等手段，当作重要的措施原则。

1、增加零件的有效刚度，提高零件在加工中抵抗变形的能力。

当刀具切入刚度低的零件时，由于工件发生弹性变形，即使一把锋利的刀具，也会遇到来自工件方面的“以柔克刚”的反切削阻力。使工件与刀具的相对位移加大，切削振动加剧。在此情况下，必须提高零件的有效刚度，才能保证切削的顺利进行。例如，1）对长径比大的轴类零件，利用中心架和跟刀架，使有效长径比变小，使有效刚度增大。改变由两端顶起为一端用车头夹持，一端用顶针支撑的方式，以及对精度高的长轴，两端顶针孔必须经过研磨，获得正确的锥孔及高的光洁度等方法，都是减少接触变形，增大支承刚度的有效措施。2）对于薄壁筒零件欲增加其有效刚度，可以增加有效厚度着手，在零件受加持的部位，衬一足够厚度的整圆衬圈，连同衬圈一起加紧零件，使薄壁受到支撑，避免夹紧处的应力集中，减少夹紧变形。

2、选择合理的夹紧方式，消除或减少零件的夹紧变形。

1）在细长轴零件的加工中，由于零件的热扩散性能差，切削热会导致零件产生很大的线膨胀，加剧零件的弯曲变形和振动。若采用弹性夹头和塑性液压顶针并使用跟刀架，工件与卡爪间为线接触，起万向调节作用，可以减少零件的弯曲变形。同时采用反向走刀的切削方式，可提高加工质量。

由于零件很长，刀具由一段走到另一端，会因磨损过大而很快降低切削能力并带来加工误差。因此，在跟刀架的作用下，工件的刚度低，已不再成为矛盾的主要方面，而如何提高刀具的耐用度，则是能否完成这一切削过程的关键。于是，采用大走刀、小吃刀和低速切削的方法，常能收到满意效果。

2）选择轴向夹紧，改善工件的受力条件

当工件的内孔或外圆存在有圆度误差时，不论夹持外圆或内孔，夹紧变形都是难以避免的。可实施轴向夹紧。对于薄壁筒类零件，实行轴向夹紧的优点在于，当圆筒形零件承受外力时，从力学的观点分析，在互相垂直的轴向和径向，零件承受的应力（δ）是不相等的。当轴向夹紧时零件许可承受的外力，比径向夹紧时许可承受的外力大得多。因此，实施轴向夹紧，可以保证夹紧力的作用方向始终通过零件本身刚性最强的截面。

3、 改进工艺方法

对于一些薄壁环状零件，像光学玻璃压圈、隔圈、垫环等。都具有壁厚小，两端面平行度高的特点，为避免第二次装卡时产生夹紧变形，多采用一次装卡的方法完成最终工序的加工。

4、 优选刀具几何参数，提高切割能力

刀具几何参数的合理选择，是反映切削过程中多因素综合效果的重要标志。各个几何参数，包括切削角度、刀口形状、刀刃形状。在切削过程中都不是孤立的在起作用，而是互相影响、互相制约。选择时除应遵循一般的切削规律，还应针对薄壁零件的工艺特征，侧重于保持刀刃的锋利和切削过程的稳定。例如，从降低切削力，减少切削变形，加强刀具的切割能力来看，应选择大的前角和后角及小的刀尖角。为消除由于前后角的增大对刀刃强度的影响，可采用带倒棱的刃口形式达到锐中求固的目的。

但从减少切削振动来看，往往采用较小的后角，以增大刀具后面与工件的接触面积。限制振动的振幅，达到消振的目的。尤其当对薄壁筒零件进行车削加工时，在刀具的主、付刀面上，用油石劈出后角等于零到负五度的消振棱。有助于消除由于零件刚度小而产生的低频振动。

为减小由于刀具的推挤作用产生的加工误差。应采用大的主偏角（φ=75°～90°），使切削力的分布有利于防止零件受力变形，减小切削振动。为不使刀口强度过多的削弱，可在刀尖处做出局部的小主偏角φ，形成圆弧或直线的过渡刃。

刃倾角的作用主要是控制住刀刃强度和排屑方向。针对薄壁零件刚度小，切削力不大的情况，一般刃倾角取负值（刀尖高），既可以保护已加工表面不被流屑擦伤，又可降低切削分力Py引起的振动。

参考文献

[1] 仪器制造工艺学 ——————————————北京工学院

[2] 金属切削加工基本原理和机床（美）布斯罗伊德———— 山东科技出版社

[3] 技术切削理论与实践 ———————————— 北京出版社