某类薄壁非圆零件的加工

郭康康

（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳 621000）

1 非圆套筒零件精加工的情况

在机械加工企业中，薄壁件最不易加工，主要是由于加工时产生的切削应力，加上零件本身刚性不足，这样就导致零件变形难以控制，无法较好地保证零件质量，所以解决零件变形的根本方法还是尽可能减少切削应力。在经过多次的机械加工实验当中，加工中心属于断续加工，在加工薄壁件时一方面加工应力大，另外就是加工刀具受刀具长度的限制，加工时产生的震动和应力较大，车床属于连续加工，加上刀具的刃磨比较灵活，更有利于减小加工应力，加工后零件的表面质量和尺寸精度都比较高。非圆套筒是较难加工零件，其尺寸要求严格，如图1所示。工件材料为不锈钢（304），长度为160 mm，且壁厚较薄，只有2 mm，由于工件刚性较差，在精加工时会存在以下几种情况。

图1 非圆套筒

（1）在切削力（尤其是径向切削力）的作用下，工件容易产生震动和变形，影响工件的尺寸精度，形状精度，和表面粗糙度。

（2）在夹紧力的作用下，工件由于定位面平面度和夹紧力不均匀共同影像下，导致工件在还未切削的情况下已经造成了变形，导致加工时吃刀量不均匀，从而产生的变形量也无法保证，无法保证产品质量。

（3）在切削液影响下，零件在加工时会产生一定的加工热量，加上零件属于薄壁件，加上热膨胀系数，零件在口部和末端会出现不同的变形量。普通的水基切削液对零件加工时的润滑效果不好，会加快刀具的磨损，增大工件和刀具之间的摩擦力，严重影响表面粗糙度。

（4）在加工方式的影响下，普通加工方式主要分为车削加工、铣削加工、磨削加工、电加工（线切割和电火花）。

车削加工时加工回转类圆形零件，车削属于连续加工，加工时产生的震动和切削力较小，适合薄壁零件加工。在带有Y 轴和C 轴的车削中心可以实现非圆零件的插补运动，因此也可以采用车削加工此零件。

铣削加工属于断续加工，产生的震动和切削应力较大，加上零件较深，铣刀越长在刀尖位置刀具的跳动越大，产生的震动越大，因此不太适合此类零件的加工。

磨削加工一般适用于精度较高的平面，如轴、孔此类零件的加工，本零件较薄属于非圆零件，磨削加工不易实现。

电加工在加工此零件主要存在的问题就是装夹问题，加上零件较深线切割的电丝会造成磨损，导致上下尺寸不一，而且加工时间较长，因此不作为首选加工方案。

综合考虑还是选用在带Y 轴的车削中心上精加工此零件。

为保证工件的精度，应从装夹方式、刀具选用，选择合适的冷却方式、加工方式等4个方面来考虑。

2 零件粗加工

在解决精加工遇到问题之前，前期的工艺安排如下。

零件粗加工（加工中心单边留量2 mm）——热处理（消除粗加工应力）——半精加工（单边留量0.5 mm）——热处理（消除二次应力）——精加工。

装夹方式（粗加工和半精加工），粗加工和半精加工设备都选用加工中心进行加工，因为不用太考虑零件变形（可控范围），零件在加工时采用内外压紧的方式，如图2、图3所示。

图2 加工外形面装夹图

图3 加工内型面装夹图

3 零件精加工

3.1 加工刀具选择

精加工刀具选择锋利型刀片，材料为硬质合金，外圆刀和内孔刀采用较大的前角和主偏角，刀尖圆弧选用R0.2 mm，如图4所示。

图4 精加工刀具

3.2 冷却液选择

精加工选择合适的切削液可以提高零件的加工质量和效率，在套筒加工时选择的是植物菜籽油和汽油的1：1混合液，这样可以降低菜籽油的粘度，由于汽油有足够的挥发性，可以更好地带走切削热，菜籽油还可以起到润滑的作用，可以获得较好的表面质量。

3.2.1 加工方式（精加工程序编制）

精加工内程序如下（加工外程序方式一样）：西门子数控系统

半径编程（DIAMOF）；

接通C4轴（GETD C4）；

选择平面，选择工件坐标系（G17G54）；

激活刀具补偿（TOWSTD）；

调用1号刀（T=1）；

G0G90G64X40Y0Z100；

C4=0；

CYCLE832（0.005，1，1）；公差值 0.005 mm，加工方式为精加工；

刀尖基准点、中心轨迹上的恒定进给（CFTCP）；

FGROUP（X1，Y1，Z1，C4）确定轴和轨迹进给率，使线性轴和回转轴速度保持一致。

R1=0；变量r1赋值，Z 值。

R10=3000；切削速度

G94 G1 X65 Y0 Z50 F=R10

ABC：

G1 Y20 Z=R1 F=R10

G2 x65 y-20 C4=DC（180）CR=20 F=R10；

XY 为绕着圆弧旋转后的圆心坐标，C4为旋转角度，CR为圆心到几何中心的直线距离。

G1 Y20 F=R11

G2 x65 y-20 C4=DC（180）CR=20 F=R10

G1 Y0 F=R11

R1=R1-0.05

IF R1＞=-160 GOTOB ABC

G1 Y0 Z=R1+0.05 F=R11

G0 X40 Z100

M1=5

M30

为了减小切削应力和震动，加工时应当减小背吃刀量和走刀量。Vc=20 m/min，f=0.07 mm/r，ap=0.05-0.08 mm。

3.2.2 装夹方式

零件先精加工外形面，才用的装夹方式和半精加工一样采用压装工件内型面，加工时找正工件中心，以40 mm 直边作为基准方向，在压装工件之前，应将工装底平面见光保证其平面度，然后在将零件基准面进行研磨，保证其平面度在0.01 mm 以内。在工装上铣削对应的零件形状的止口，保证其完全定位。

在加工零件内型面时，由于零件壁厚此时已经比较薄，如果受力过大会造成零件变形，为了解决这一问题，必须对零件的外形面进行辅助支撑，铣削3个和零件型面一致的套环，用速干胶粘结在零件的外表面，然后在用压板压装套环进行定位，如图5、图6所示。

图5 辅助套环粘结

图6 内型面装夹图

4 结束语

薄壁零件广泛应用于现代制造业，车削薄壁零件的关键是要防止变形。引起零件变形的因素在实际车削中主要有切削力、夹紧力、切削热、定位误差和工件弹性变形等，对工件加工精度影响最大的是夹紧力和切削力。此类薄壁零件在加工时主要就是考虑切削应力和震动，在加工圆形薄壁零件也是如此，选择比较锋利的刀具和较小的刀尖半径，以及较低的切削速度，以及较小的背吃刀量和进给量，因为在壁厚较薄时较高的切削速度，会引起更高的震动频率，这样在加工时刀具会和零件产生较大的共振，造成工件表面质量不好，同时也加速了刀具的磨损，严重时甚至崩刀。其次就是选择良好的冷却方式，在选择加工方式时，应选择合适的设备。在加工非圆套筒时选用了西门子840D 数控系统的带Y 轴的车削中心，最终实现了零件的合格加工。