薄壁零件数控加工形变研究*

魏小兵

（江苏省常州技师学院，江苏 常州 213000）

目前，我国综合国力不断增强，工业水平正从工业大国向工业强国的目标大步迈进。在我国工业发展的各个领域，薄壁零件被广泛应用。薄壁零件一般是指壁厚小于3 mm 的零件，因其重量轻、材料省、结构紧凑，所以被广泛应用于航空零部件、精密测量零部件、军用产品零部件中。薄壁零件的制造技术也随着其广泛应用变得越来越成熟，但相比于西方的制造技术还存在较大的差距。由于薄壁零件的刚性差，夹持过程中的夹持力难以确定。夹持力太小，加工过程中会产生振动，进而产生大量的切削热；夹持力太大，又会导致零件夹持变形，影响零件尺寸、形状精度及表面粗糙度。部分薄壁零件在加工中还会出现体积膨胀或缩小，伴随着扭曲和弯曲变形，导致加工质量难以得到保障，加工效率低[1]。为了改善薄壁零件加工制造的工艺难点，笔者结合多年的工作经验和研究，就如何在数控加工中改善加工工艺，解决在薄壁零件加工中出现的问题进行了详细的分析，并提出改善性意见，同时进行了实际加工验证，最终实现了薄壁零件的加工工艺改进，提高了薄壁零件产品的加工效率。本文以航空飞机中的管类零件为例，探析影响薄壁零件加工质量和效率的因素及改善措施，该零件采用304不锈钢为毛坯，管的外径为52 mm，薄壁厚度为2 mm，长度为248 mm。

1 工艺变形

工艺变形是指因工艺原因产生的变形问题。304 不锈钢材料的韧性和塑性较高，但装夹刚性差，容易产生扭曲变形、圆度及平面度误差。根据该管状零件的尺寸可以看出，该零件的外径较大，零件比较薄，管体长度较长，容易在外部作用力下产生椭圆扭曲变形。在加工中，因其存在形位公差要求，需要在一次装夹中完成管内和管外的数控车削加工。在管内加工中，刀具切削产生的切削力较大，内部会形成较大的制造残余应力，使得工件产生弹性变形。此外，因工件加工时悬伸长度较长，采用三爪卡盘加工时刚性较差，会产生较大的夹紧力，导致工件产生加工变形，即使采用辅助装夹也不可避免。

1.1 工艺变形原理

薄壁零件产生扭曲变形的原因是受力不均匀。经过前期研究，本课题采用测力仪分别测量了零件在轴向和径向装夹中的受力大小，还原了加工变形产生时该零件轴向和径向的受力情况，并进行了有限元分析。根据薄壁零件轴向装夹和径向装夹时产生的变形情况分析，数控加工时，工件在径向装夹状态下受到的变形扭曲力大于轴向装夹状态下受到的变形扭曲力，其峰值位于工件的末端部位；而在轴向装夹状态下受到的变形扭曲力的峰值位于工件的中段，但受力的大小只有径向装夹下受力的一半。将这两种装夹状态下零件受到的变形扭曲力进行比较，径向装夹状态下的最大变形扭曲力是轴向装夹状态下的四倍，并通过计算可以得到工件径向装夹状态下的变形量是轴向装夹状态下的十倍左右。在以上分析数据的基础上，本课题还对轴向状态和径向状态下的扭曲变形和应力大小进行了有限元分析。装夹时，三爪卡盘对工件的端口施加了一定的夹紧力，由于夹紧力和零件材料产生的抗力及刀具切削时产生的径向力位于同一回转平面内，会产生较大的弯矩，导致工件局部弯曲，其中间部位部分径向突出，产生鼓形变形[2]。工件靠近三爪卡盘的一侧产生了较大的弹性变形，在轴向力的作用下，末端部位向外膨胀，靠近端部的回转面产生径向凹陷，表明此处产生了较大的变形应力。

1.2 优化装夹方式解决变形问题

常规数控加工和普通三爪卡盘装夹零件容易产生较大的扭曲变形，可通过设计专用夹具对工件内外成型面进行差异化制造。内轮廓可以选用4 根轴向均匀分布的拉杆来固定工件的端面，在止口端形成面接触，并保证与外轮廓间有小的空隙；在加工制造外轮廓时可利用螺杆进行工装，保证端面环状压板的紧固，并与工件端面有较好的接触，同时保证与内轮廓面间保留较小的空隙。这种采用4 根拉杆和环状压板进行薄壁零件工装的方法，再加上螺杆和端面压板的协同工装，可以保证工件加工精度的统一性，减少工序复杂造成的精度误差，同时还避免了多次装夹导致的装夹力不确定性变化，有效保证工件在加工中的均匀受力，减少扭曲变形的产生。此外，利用有限元分析的受力结果显示，环形压板对工件的止口端面作用了轴向力，此时必须保证环形压板的内侧面对工件的外轮廓口产生作用力，避免受力集中和变形。鉴于此，受力分析后环形压板的内侧面要进行预开槽，通过控制开槽大小对工件加工中的工装夹紧力进行调节，并利用公式对夹紧力产生的扭矩进行计算，保证夹具的夹紧力达到夹紧工件的需求即可[3]。通过以上夹具的优化设计，放弃了原有的三爪卡盘的通用夹具，而采用组合专用夹具进行工装，并结合公式计算出的夹紧力产生的扭矩大小，成功完成了该零件的粗加工到精加工的工艺流程，最后将加工得到的零件进行实际测量，发现平面度为-0.02mm～0mm，圆度误差为-0.02mm～-0.07mm。由此可以表明，经过受力分析并对工装进行优化后，能有效降低薄壁零件加工中的受力变形，提高薄壁零件的制造质量和效率。

2 受热变形

切削热是所有切削加工中都会产生的物理现象，热量来源于切削过程中刀具和毛坯材料间的摩擦。切削热会使得刀具和工件的温度升高，温度升高容易引起摩擦系数的上升和积屑瘤的产生，最终影响刀具的使用寿命，工件的表面粗糙度会变差，弹性变形增加。在薄壁零件加工中，切削热是薄壁零件产生受热变形的重要因素，受热后会产生整体变形和局部变形。通过实验分析，切削热的产生主要是受到切削用量、刀具几何参数和切削液的影响。

2.1 分析薄壁零件特点，合理安排切削用量

切削用量即切削三要素：切削速度、背吃刀量、进给量。其中切削速度对切削热的产生影响最大，热量会随着切削速度的上升而增多，当达到额定的速度后继续加速，切削温度会急剧上升。次之是进给量，但它对温度的影响遵循一定的规律。进给量为0.1 mm/r 以下时，切削热产生较少，温度保持恒定状态；进给量为0.1 mm～0.2 mm/r时，切削温度与进给量呈正比例关系；当进给量上升到0.3 mm/r时，切削热会急剧增加。对切削热影响最小的是背吃刀量，背吃刀量增加，会使切屑的宽度增加，而切屑带走的热量也会相应增加，使得停留在工件表面的热量不会剧烈增加。通过切削三要素对热量产生的单因素实验可知，粗精加工时，切削速度在100～120 m/min时产生的热量稳定，不易导致热变形[4]。进给量保持在0.1 mm～0.2 mm/r 时，工件表面温度稳定，变形较小。背吃刀量在粗加工2 mm、精加工0.2 mm～0.5 mm时，产生的热量在工件变形温度承受范围中。

2.2 按照工艺要求，选择合适的刀具

薄壁零件加工中，选择刀具尤为重要。对于本课题中的航空零件，由于材料为304 不锈钢，一般用YG8、YG813或者W1、W2系列牌号的刀具进行加工。合理选择刀具，几何角度对切削过程中的切削力和产生的热变形及表面质量都有很大的影响。刀具前角的大小对应刀具的锋利程度和散热状态，一般前角大，则刀具锋利，切削力和摩擦较小，切屑能带走大量的热量，但刀具的散热慢，刀具寿命低；反之则切削力大，工件热量高，但刀具寿命高。本课题中的材料是304 不锈钢，且为薄壁零件，选用YG8 类数控刀具，刀具前角为5°～30°较好。粗加工时可选择较小的前角，精加工则选择较大的前角，保证薄壁零件在精加工时受到较小的切削力。刀具的主偏角对刀具的受力影响较大，主要决定着轴向切削力和径向切削力的大小。主偏角大，径向切削力小但轴向切削力大；主偏角小，径向切削力大而轴向切削力小[5]。加工304 不锈钢材料时主偏角选择75°～90°较好，粗加工时可选择75°的主偏角刀具，精加工时可选择较大的主偏角。

2.3 选择合理的切削液，保证充分散热

304 不锈钢塑性大，温度稍微升高，变形就会产生。切削液在304薄壁零件加工中非常重要，其主要作用是降低刀具和工件在加工时的温度，减少变形。采用油性冷却液对提升304 不锈钢薄壁零件的表面质量较好。为改善刀具的切削性能，避免积屑瘤的产生，还可在切削液中添加抗胶合剂，阻断高温断屑与刀具的黏合。根据加工中的实际情况，本课题采用了不同材料的冷却液进行了相同切削三要素下的切削研究，结果显示选择油性冷却液生产的零件质量及变形要好于选择乳化液冷却液。

3 结语

本文主要研究了薄壁零件的数控加工中切削三要素、工艺方法、切削热、冷却液等原因对零件变形产生的影响，并对产生影响的部分数据进行了分析，选择了合理的切削三要素加工数值。工艺装夹中主要研究了夹具工装对薄壁零件的轴向扭曲变形的影响，结合研究结果提出了薄壁零件的专用夹具工装方法。研究切削热对工件变形的影响时，分析了刀具几何角度、切削用量、切削液对变形的影响，并进行了优化选择，选择的所有最佳参数在加工本课题的304薄壁零件时都产生了较好的切削质量，变形要求也在零件允许的公差范围中，本次研究达到预期效果。