浅谈提高薄壁零件加工精度的工艺方法

郑东华

(南京数控机床有限公司江苏南京211100)

薄壁零件刚性差、强度弱，在切削加工过程中容易变形，产生形位误差，往往不易保证零件的加工精度，一直是金属切削加工中的棘手问题。为了提高零件的加工精度，本文将从薄壁零件的装夹、切削用量的选择、刀具的几何角度及冷却液的应用等方面分析和探讨，提出一些有益的工艺方法。

1 合理装夹工件，避免装夹变形

薄壁零件其特点是壁薄，径向方向受力容易变形。合理的装夹是提高加工精度的关键因素。因此，对于薄壁零件装夹，就不能简单的用三爪卡盘直接装夹，夹紧力集中在三点，极易产生变形。如图1所示。

图1 简单三爪盘夹零件受力

如增加薄壁零件的装夹接触面，使装紧力尽可能均衡的分布，零件的受力变形就将大大改善。根据物理学的压强公式:P=F/S。当压力一定时，受力面积越大，压强越小，从理论上也证明了这一点。为增加薄壁零件的夹持面积，通常使用开缝夹套，扇形爪等(如图2)，实践证明这是一个非常经济有效的工艺方法。

在现代的金属切削加工中，数控机床被广泛应用，对夹具要求定位准确，安装方便，并自动夹紧。

图2 开缝夹套及扇形爪

如图3的弹性心轴，薄壁套依靠弹性心轴做孔定位，端面则由夹具体定位，拉杆连接在数控车床主轴的回转油缸上，由回转油缸驱动拉杆，实现自动夹紧。

图3 弹性心轴

图4 为推程式弹簧夹头，零件由弹簧夹头内的定位装置实现轴向定位，弹簧夹头起夹紧代定位的作用，推程杆则由机床的回转油缸驱动，实现自动夹紧。

图4 推程套式弹簧夹头

除此之外，对薄壁零件的装夹，还可以改变夹紧力的作力点，变径向夹紧为端面夹紧，以避免薄壁零件径向受力变形；如图5及图6分别是以孔及端面定位加工外圆、以端面及外圆定位加工内孔的端面夹紧范例。

图5 以孔及端面定位加工孔

图6 以端面及外圆定位加工孔

在一些大型的薄壁缸套上，为加工缸套端部的止口及螺纹，还可以采用一端由弹簧夹头夹紧，一端采用套圈式中心架支承的加工方法(如图7)。弹簧夹头夹紧工件，传递转矩，套圈式中心架支撑零件，限止零件的摆动及切削中的震动。

图7 弹簧夹头加套圈式中心架加工薄壁缸套

对于深孔类薄壁套筒零件，可以设计一些内撑式胀紧心轴(图8)。它是由机床的双作用回转油缸驱动内撑式胀紧心轴的双拉杆，实心拉杆及胀块撑紧深孔内端，同时压缩弹簧，带动滑套，撑起中部胀块，起辅助支撑作用，使切削更加平稳，空心拉杆及胀块则撑起零件的孔口，零件的轴向定位则由零件靠紧胀紧心轴的顶部实现。

图8 双作用内撑式胀紧心轴

2 合理的选择切削用量

在金属切削过程中，必然会产生切削力，使工件产生变形，切削力的大小与切削用量是密切相关的，合理的选择切削用量就能减少切削力，从而减少变形。从金属切削原理中可以知道:背吃刀量ap、进给量f、切削速度V是切削用量的三要素。由于薄壁零件径向受力变形最为突出，所以应以切削的背向分力为研究对象。通过实际测量不同切削工况条件下的切削力，经数据处理，求得如下计算切削力的经验计算公式:

式中:C为被加工材料和切削条件的切削力系数；

xp、yp、np分别为背吃刀量 ap、进给量 f和切削速度Vc对切削力的影响指数；

Kp为实际加工的条件与建立经验计算公式的试验条件不符时的计算切削力修正系数。

由公式可以得出，当切削方法、条件一定时，切削力系数C、修正系数Kp是一个定值。切削力的大小随背吃刀量、进给量增加而增加。但由于背吃刀量ap指数xp近似于等于1，进给量f指数yp小于1，所以采用大进给量f比采用大的背吃刀量ap的切削力要小。对于薄壁零件的切削加工，可适当加大进给量，减少背吃刀量，合理分配加工余量，走刀次数，把切削力控制在一定范围。在精加工时，背吃刀量一般在0.2～0.5mm.进给量0.1～0.2mm/r，甚至更小，以减小切削力。精车时可以采用高速切削，以提高加工表面品质，但要采取一定的措施，如刀具的几何角度、辅助支撑等，防止工件的共振面，影响零件的加工精度。

3 合理选择刀具的几何角度

在薄壁零件的加工中，刀具几何角度对切削力大小、切削力在轴向或径向上的分配、切削产生的热变形以及零件的粗糙度有着至关重要的作用。刀具前角的大小，决定着刀具的锋利程度。前角大，刀具锋利；切削力小，刀具与零件的摩擦力减小，热变形减小。但前角过大，会使刀具锲角减小，刀具强度减弱，刀具耐用度下降。以切削40Cr材料工件为例，使用硬质合金刀具，前角一般选取5°～16°。粗车时前角取5°～8°，以提高刀具耐用度；精车时前角取8°～16°，以提高刀具的锋利程度。

刀具的后角大小，决定着刀具后面与工件的表面摩擦程度。后角大，摩擦力小，切削刀热也相应减小。但后角过大亦会使刀具强度减弱。在切削薄壁零件时，粗车取后角小些，精车取后角大些。以切削40Cr材料工件为例，使用硬质合金刀具，粗车时一般取5°～8°，以提高刀具的刚性。精车时取8°～12°，以减少刀具与工件的摩擦，提高与加工面的表面品质。

刀具的主偏角大小，决定了切削力在轴向或径向上的分配情况。对切削薄壁零件尤其重要。主偏角增大，径向切削力减小，而轴向切削力增大；反之则径向切削力增大，而轴向切削力减小。所以在车削薄壁零件时，尽可能选用主偏角较大的刀具。

刀具的副偏角大小是影响已加工表面粗糙度的主要角度，同时也影响着刀具的强度。过小的副偏角，会增加副后面与已加工表面的摩擦，引起切削振动。在切削薄壁零件时副偏角一般取8°～15°。粗车时可取大些，精车时取小些，以提高刀具的耐用度，保证已加工面的粗糙度。

4 充分使用切削液，减少切削热对加工精度的影响

在金属切削过程中，工件阻碍刀具切削时产生的弹性变形和塑性变形，在切削区会产生大量的切削热，以及切屑、刀具、工件间的摩擦，亦会产生大量的热，导致刀具的磨损，影响工件的表面粗糙度，使工件受热变形。在车削薄壁零件时，要充分使用切削液，及时的将切削热、切屑带走，减少刀具、切屑与已加工表面的摩擦。此外还可以通过刀具的断屑槽、内冷刀具等方法，减小切削热对零件加工品质的影响。

5 结语

薄壁零件具有质量轻，节约材料，结构紧凑等特点，广泛被用于各种机械的结构中。虽刚性差，强度弱，工艺性差，但只要应用得当的工艺方法，就有可能大大提高薄壁零件的加工精度。

［1］王先逵.机械制造工艺学［M］.北京机械工业出版社，1995.

［2］王光斗，王春福，等.机床夹具设计手册［M］.上海:上海科学技术出版社，1990.

［3］陈曜.金属切削原理［M］.北京:机械工业出版社，1993.