浅谈薄壁环形件变形控制

孙长友　李宝峰　路芳宇　杨海涛　李丹

摘 要：薄壁零件的变形控制一直以来都是一个难题，在质量和效率之间更是难于取舍。文章主要介绍了一些简易的变形控制的方法。

关键词：薄壁；变形；控制

实际加工中应结合具体条件选择不同的控制方法。简单易实现的主要有优化加工刀具、优化工艺方案、进给量局部优化、优化切削参数、优化装夹方案等，下面就从以下几方面介绍薄壁零件的变形控制。

1 变形控制对加工工艺的要求

1.1 粗加工、精加工分开

对加工精度要求较高的薄壁类零件，应分开粗加工、半精加工、精加工进行。粗、半精、精加工分开，可避免因粗加工引起的各种变形，包括粗加工时，压紧力引起的弹性变形、切削热引起的热变形以及粗加工后由于内应力重新分布而引起的变形。其目的是为了保证零件的精度及稳定性。另外，粗、精加工分开，机床设备也可得到合理的使用，即粗加工设备充分发挥其效率，精加工设备可长期保持机床的精度。

1.2 增加时效去应力工序

内应力是引起零件变形的主要因素，为防止零件变形，除应严格地按照材料进行热处理，使零件具有较好的组织外，在粗、精加工之间，增加一道时效去应力工序，以最大限度地消除零件内部的应力。通常采用热时效和自然时效的方法。这两种方式却都存在弊端：自然时效周期需要达到半年或两年，周期过长；热时效费用高，耗能高，炉温控制难度大，零件易氧化，且易因受热不均导致裂纹，并在冷却过程中产生新的应力。振动时效是以金属零件固有频率，利用一受控振动能量对工件进行处理，使工件产生应变，达到消除零件残余应力的目的。

1.3 利用零件的整体刚性加工薄壁零件

随着零件壁厚的减小，其刚性降低，加工变形增大。因此，在切削过程中，尽可能地利用零件的未加工部分，作为正在切削部分的支撑，使切削过程处在刚性较佳的状态。下面举几个例子，如：铣“U”型槽时可以考虑先铣类似成“口”型，最后在把“口”上的横梁铣掉，该方法能有效地降低切削变形及其影响，降低了由于刚性降低而可能发生的切削振动。如：车加工薄壁时，可在有余量刚性较好时，先将内侧及内槽等加工到位，再加压盖加工外侧等多种灵活利用零件整体刚性的方法。

2 采用辅助支撑装夹方式增强工艺系统刚性

由于薄壁类零件的形状和结构的多样性以及刚度差的特点，装夹时受力的作用点不同，产生的变形情况就不同。大量实践证明，增大工件与夹具之间的接触面积或采用轴向夹紧，可有效地降低零件在装夹时产生的变形。如在铣削加工薄壁件时，使用弹性压板，就是增加接触零件的受力面积；在车削薄壁套的内径及外圆时，无论是采用简单的过渡环，还是使用弹性芯轴、液体夹具等，均是增大零件装夹时的接触面积。这种方法有利于承载夹紧力，从而避免零件的变形。还可通过在内孔加带橡胶的内支撑，以提高零件的刚性，抑制零件的加工变形；或采用石蜡、低熔点合金填充法等工艺方法，加强支撑，进而达到减小变形、提高精度的目的。也可在薄壁机匣零件的加工中，先保留部分工艺筋条加强刚性以便进行高效加工，之后再去掉。压紧时对称用力并夹紧力尽可能小些拧紧夹具零件时一定要使用限力扳手对点用力压紧，保证用力均匀适度。

某环形件原铣加工工序采用简单的止口定位、压板夹紧装夹方式，因壁厚较薄，在加工中产生变形、回弹现象，存在让刀、振动等问题。采用可调辅助支撑结构夹具，增强了薄壁机匣的切削整体刚性，减小了切削过程的振动及机匣的加工变形和让刀现象，提高了加工效率，改善了加工质量。带有径向辅助支撑、软接触精密定位新型结构的铣加工夹具，即两带有可调机械辅助支撑夹具结构。（见图1）

3 采用电化学加工工艺方法控制加工变形

现代去除材料加工方法还有电火花铣、电解、化学腐蚀等许多特种加工方法，与机械加工相比电加工没有切削力，适合应用于薄壁零件的加工变形控制。电火花铣采用铜管电极进行差补运动，利用高温放电腐蚀的原理去除材料，加工过程中没有切削力，适合薄壁件粗加工，但存在高温放电热影响区，加工表面会产生残余拉应力，仍然存在应力释放的变形趋势。电解加工使电流通过电解质溶液，以电极作为阴极加工工具，利用工件被加工表面产生阳极溶解的原理，去除零件材料；现代精密电解设备具有很高的精度，因其没有切削力和热影响区，适合薄壁机匣大余量去除材料加工，具有加工效率高、没有加工应力的特点。但电解加工工艺对环境影响较大，应做好污染防护措施。

4 优化加工方案、走刀路线、切削参数控制加工变形

目前，薄壁类零件内外表面精加工基本采用数控车、数控铣等机械加工方法，机械加工方法促使薄壁构件加工变形的两大因素是：切削力和切削热。控制因切削力引起薄壁机匣加工变形有两种方法，一是增强工艺系统刚性，也包括刀具本身的刚性；二是合理选用加工刀具，走刀路线、切削参数等，减小切削力。切削热是加工残余应力产生的主要原因，加工刀具相对于零件材料的挤压、剪切作用，产生很高温度的切屑，大量的高温切削热作用于零件表面产生冷作硬化现象，形成加工表面残余应力层。减少切削热带来的残余应力有两种方法：一是合理的冷却方式，采用高压冷却设备、内冷结构刀具，使冷却液直接作用于切屑，冷却效果更充分；二是采用高速切削技术，快速去除材料。

4.1 规划减小环形件加工变形的切削走刀路径

科学合理地安排薄壁环形件的切削走刀路径，能够减小零件加工后的变形量，因此，在规划零件的切削加工过程时，应根据金属切削原理，针对零件的设计结构、精度要求和毛坯加工余量的大小，合理安排零件各个表面的加工次数和全部加工表面的先后加工顺序，合理安排每一次切削的刀具进给方向。

4.2 刀具切削方向和刀具进给方向

对称切削，可以使毛坯初始残余应力对称释放，可以有效减小零件的加工变形。对薄壁零件，采用内外表面去除余量均等的原则，进行轮流加工。加工时采用余量依次递减的原则，轮流的次数越多，其应力释放越彻底，工件加工后变形越小。这是典型的传统薄壁零件加工方案。

4.3 优化切削参数

通过试验初定加工参数，如在粗加工阶段采用大切深、小进给、低转速的强力切削方法提高材料去除率，而半精加工时尽量给精加工留均匀的加工余量，在精加工阶段采用高转速、大进给、小切深的高速切削方法，提高材料去除率、保证零件质量。这些都固定后，还要通过现场试验和使用VERICUT优化数控程序中的加工参数，每个程序都根据局部且削余量和机床主轴受力情况优化程序中每段的加工参数，使其达到最优化，尤其针对余量不均匀、转圆角、接刀、刀轴矢量变化等处的参数优化。

4.4 切削液的要求

在加工中为防止零件变形必须合理使用充分的切削液，必须及时有效地对加工区域进行冷却。因为它不仅能减少切削过程中的摩擦和降低切削温度，还能提高刀具的耐用度和加工表面质量、加工精度。采用高压冷却设备、内冷结构刀具，使冷却液直接作用于切屑，冷却效果更充分。

总之，通过有优化工艺方案、装夹方案、加工方法、优化加工刀具、切削参数及进给量局部优化等，可以对薄壁零件的加工变形进行控制，在质量与效率之前取得最佳平衡点。