薄壁零件的加工

李念周

（河南中铝装备有限公司，河南郑州 450041）

1 薄壁零件的主要特点

薄壁零件壁厚和径向尺寸比差大，甚至达到几十乃至上百倍，工件刚度弱，易装夹变形，给切削加工带来较大困难。如果加工工艺不合理，很难满足图纸要求。

薄壁零件的种类很多，常见的有套筒类、环类、盘类等。各类薄壁零件有各自的特点，在车床上加工时，要根据工件各部位不同的特点，找到其薄弱环节位置，采取不同的加工路线和装夹方法，才能保证其加工精度。如套筒类薄壁零件和环类薄壁零件的薄弱环节主要是径向刚度较弱，容易产生径向变形；盘类薄壁零件主要是轴向刚度弱，容易从轴向端面产生翘曲和变形。这些薄弱环节的变形，又往往影响到其他部位的技术要求，所以加工这类薄壁零件时，应采取相应的措施来满足薄弱环节的技术要求，从而满足质量要求。

2 车削薄壁零件易产生的主要问题

车削薄壁零件易产生的主要问题有以下几点：

（1）工件装夹不当产生变形。用三爪卡盘夹紧薄壁零件外圆车内孔时，工件产生弹性变形，工件内孔在卡爪部位变成很窄的三条直面。在这种情况下加工内孔后，在不松开卡爪前测内孔尺寸，完全符合图纸要求；松开卡爪再测尺寸时，就会发现尺寸不能满足要求了。当用三爪卡盘撑着内孔加工外圆时，也会出现类似情况。产生这种变形的原因是由于夹紧力集中在工件局部，而工件的刚度弱，承受不了这样大的夹紧力而引起了工件变形。

（2）相对位置不准产生的壁厚不均工件。夹具、刀具与车床主轴旋转中心的相对位置调整不准，都容易引起工件几何变形和壁厚不均匀。

（3）加工部位伸出过长产生变形和振动。工件薄壁部位伸出过长，在切削过程中工件受切削力影响产生振动和变形。

（4）刀具选用不合理影响精度和表面光洁度。

（5）工件受切削热的影响产生变形。对于一些线膨胀系数大的薄壁工件，半精车和精车若在一次装夹中完成时，连续切削所产生的切削热对它的精度影响很大。

（6）残余内应力产生的变形。工件在没有消除内应力时加工，会产生很大的加工后变形。

3 薄壁零件的车削加工

3.1 选择和制定合理的工艺方案

选择工艺方案要考虑如何防止切削变形和保证零件精度要求，根据薄壁零件的几何形状和技术要求，确定合理的加工工艺方案，这是保证薄壁零件最终加工质量的关键。在制订工艺方案时，从工件的毛坯形状、加工余量大小、热处理方法等方面考虑工件在车削过程中的变形问题，为减小车削加工变形创造条件。

（1）薄壁零件的毛坯一般为锻件、铸件或铆件，在车削加工前需进行热处理以减小内应力。硬度不高的钢件毛坯在退火或正火后，晶体组织更加均匀，机械性能得到提高，消除内应力的同时改善了切削性能，有利于切削加工和减少加工后的变形。硬度较高的钢件毛坯在退火或正火后，除达到上述目的外，还为工件的淬火及回火处理做了前期准备。精度要求高的薄壁零件，粗加工后要进行调质或者振动时效处理，进一步消除内应力，稳定工件的尺寸精度，使其有足够的刚度、较高的韧性，避免零件精车时产生变形。

（2）薄壁零件的切削加工，需将粗加工和精加工分开进行，粗加工后要进行热处理。因为粗加工时工件余量较大，进给量和走刀量都比较大，工件的夹紧力相应较大，车削时工件变形较大。精加工时余量小，刀具进给量和走刀量小，较小的夹紧力就能满足要求，工件变形相应小。粗加工和精加工分开进行，工件在粗加工和热处理时产生的变形量，在精加工时可以得到修正。个别形状复杂、精度要求高的薄壁零件，连续进行粗加工和精加工不能保证精度要求时，应在粗加工和精加工间增加半精加工，逐步修正变形量。

（3）用同一工艺基准在一次装夹中完成工件的粗加工和精加工时，为了修正半精车时的变形，须在精加工之前松开工件并略微旋转工件，恢复其变形，再轻轻夹紧进行精加工，这样能在精加工时修正半精加工时产生的变形。若薄壁零件在车床工序外还有钻孔及铣平面等工序时，精车工序应在这些工序后进行，避免精车得到的尺寸及形位公差被后续工序改变。

（4）为了保证工件精车后的质量要求，在精车前应检查或修正工件的定位基准。

（5）若为单件生产，因为薄壁零件在粗加工后刚度较弱，工件装夹比较困难，可以在夹具上采取措施防止变形，或从加工工艺上采取相应措施来保证加工要求，以降低夹具成本。比如单件加工一个小型薄壁圆筒，可以预留工艺夹头，在工件内孔、外圆精加工后切除工件，使内外圆及端面在一次装夹中完成，保证几何和位置精度。

（6）薄壁零件加工过程中，加工余量的分配同样影响工件的加工质量。半精加工的余量选取应根据工件形状、大小和热处理变形情况确定，使工件在热处理后的半精加工不留黑皮，精加工余量尽可能小。

（7）套环类薄壁零件应加工内孔后再加工外圆，使工件装夹和夹具设计相对简单。加工内孔时，外圆余量保存稍大，可增加工件刚度。

3.2 防止工件装夹时的变形

（1）薄壁零件强度较弱，装夹不当极易引起工件变形，为了保证加工精度的要求，加工前的合理装夹，是保证薄壁零件加工质量的一项重要措施。对形状比较简单的薄壁零件，尽量共用定位基准面，一次装夹完成多道工序，避免多次装夹造成的变形。

（2）薄壁零件的特点决定其承受不了大的夹紧力，需选择合理的夹紧部位，使夹紧结构合理。可采用专用的夹具或胎具，或采用软金属卡爪或开口套筒，从而有效防止变形。加工薄壁零件常用的夹具还有心轴，用细牙螺纹连接胎具和工件等。工件装在夹具上后，首先检查定位是否准确、合理、稳固，否则需查找原因，例如修正工件的定位基准，或者调整和修正夹具的定位表面，使其与夹具紧密配合，定位准确、牢靠。

（3）工件夹紧部位的选择和夹紧件的结构形式要根据薄壁零件的具体结构和要求而定，并注意以下问题：①夹紧部位应选在工件刚度较强的部位；②夹紧力要均匀作用在工件上；③夹紧力必须作用在工件的支撑面上，不能作用在工件的悬空部位。在车床上夹紧工件的小端精车大端面时，由于工件刚度差，切削部位悬空，很难保证其平面度和光洁度，切削过程会产生刺耳的噪声及振动。如果在卡爪盘上增加活动支撑顶靠工件背面并锁紧，可以大幅改善加工效果。

3.3 减小切削力对工件变形的影响

影响切削力大小的因素有很多，主要有工件材料材质、刀具选用、切削用量和润滑冷却等4 个方面。

（1）工件材料材质对切削力的影响。材料的强度及表面硬度直接影响切削力的大小，热处理可以改善其性能，薄壁零件在粗加工前要进行热处理。

（2）刀具主要几何角度对切削力的影响。刀具前角的大小与切削变形情况和切屑与刀具前面摩擦情况有关。前角大时，切削变形量和摩擦力减小，切削力减小；但前角过大，会使刀具楔角减小，刀具强度降低，散热能力差，磨损速度快，所以应在精加工时取大前角，粗加工时取小前角。刀具后角的大小决定着刀具后面和工件切削表面间的摩擦情况：后角大，与工件切削表面间隙大，摩擦力小，切削力也相应的变小；但是后角过大，会形成刀具刃部变薄，强度不足等缺陷，所以在精车时取大后角，粗车时取小后角。

（3）切削用量对切削力的影响。当切削深度和进给量大时，切削力也大，但是两者对切削力的影响程度不一样。在切削面相等时，增大进给量比增大切削深度切削力小。切削速度对切削力的影响是不断变化的，但在半精车和精车时差别不大，此时尽量用较高的切削速度，提高表面光洁度。

（4）冷却润滑对切削力的影响。切削过程产生大量热量，使刀具温度上升、强度降低，磨损速度加快，导致加工表面光洁度降低；热量传递到工件上，使工件受热变形，所以车削薄壁零件应使用冷却润滑液。使用冷却润滑液不仅可减小切削力，提高刀具耐用度及加工表面的光洁度，更重要的是避免了工件因切削热而产生的变形，进一步保证了加工精度。

另外，加工合格后的薄壁零件还要注意存放和运输方式，避免合格产品成为废品。