薄壁零件车削加工策略

段好运，卫 锋，王 华

（1.商丘技师学院，河南 商丘，476000；2.商丘职业技术学院，河南 商丘，476000）

随着新兴技术产业的不断发展，用户对产品质量的要求越来越高，机械零件既要体现产品轻巧、资源节约的原则，又要突出产品的科学性和实用性。薄壁零件具有壁厚薄、质量轻的优势，在航空航天、现代机械工程领域有着广泛应用[1]，但薄壁工件刚性差、强度低、易变形，加工精度很难控制[2]。对操作者来说，如何合理安排加工方案，有效破解加工变形难题，高效完成薄壁零件加工，具有很大的挑战性。

1 薄壁零件车削加工特点解读

薄壁零件是车削加工中的常见零件，薄壁零件最大的特点是壁薄、刚度差、强度低，在车削过程中容易产生变形，工件精度难以控制。[3]变形常见表现形式主要有夹紧变形、振动变形和热变形三种，它们直接影响着工件的尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度等，围绕工件产生变形的原因，找出解决变形的合理方案，是车削薄壁零件的关键环节。

2 薄壁零件车削任务分析

根据零件图样要求，完成如图1所示薄壁套零件的加工，工件材料为45钢。该零件轴向尺寸小，但直径方向尺寸较大，并且内外轮廓均有一个台阶，轮廓内外表面同轴度一致性较高，相关表面的形状、位置精度要求严格，加工难度大。

（1）工件外圆尺寸为Ø80h7，内孔尺寸为Ø72H7，壁厚4 mm，属于典型的薄壁工件。

（2）外圆Ø80h7轴线与内孔Ø72H7轴线的同轴度公差为0.03 mm，外圆圆度公差为0.02 mm。

（3）工件右端面对内孔轴线的垂直度公差为0.02 mm。

3 薄壁零件车削加工策略

3.1 工件定位和装夹方案的设计和优化

3.1.1 薄壁零件常用定位和装夹方法

（1）用三爪卡盘或四爪卡盘装夹。适用于轴向尺寸短、径向尺寸小的薄壁工件，在一次装夹中能把零件上所有要加工表面加工完成，以减少定位误差对尺寸精度的影响。

（2）用卡盘和心轴装夹。粗、精加工分开实施：第一步，根据图样要求进行粗车工件；第二步，用卡盘装夹外圆精车内轮廓表面和端面；第三步，用胀力心轴装夹工件内表面，精车外圆和端面。

（3）用花盘装夹。适用于直径大、要求高的盘类薄壁工件。首先进行粗车加工；第二步，在磨床上磨削两端面至尺寸要求；第三步，将工件装夹在花盘上精车内孔、外圆至图样尺寸。

（4）在专用工具上装夹车削薄壁工件。适用于批量较大的薄壁零件，需要根据零件图样定制专用工具。

3.1.2 图1所示薄壁零件装夹和定位方案的设计

采用常用的装夹和定位方案，不容易高质量完成车削加工，需要对工件定位和装夹方案进行优化设计，将工件的局部受力改变为大面积受力，并且受力分散均匀，改善车削加工条件。[4]结合实际零件图样要求，可以考虑设计扇形软爪、胀力心轴、开口套筒、弹簧夹头等辅助夹具，目的是增大夹具与被加工零件的接触面积，让夹紧力较均匀分布在工件周围或者轴向平面上，有效防止或减少工件变形。

第一，设计轴向夹紧装置装夹工件，用轴向夹紧方式替代径向夹紧方式，改变夹紧力的受力位置和方向，避免装夹变形，如图2所示。

第二，用开口套筒装夹工件，对于长度较长、直径较大的薄壁工件，可以选用开口套筒装夹工件，增大径向接触面积，使夹紧力均匀分布在工件周围上，从而减小夹紧变形，如图3所示。

第三，用特制的扇形卡爪及弹性胀力心轴装夹，综合优化受力方式，增大受力面积，本案例选用该种装夹方案。

3.2 合理选择刀具几何参数和刀具材料

车削薄壁工件时，车刀要锋利耐用，切削过程应省力顺畅，最大限度减少刀具与工件摩擦，减少切削力和切削热的产生，这对刀具几何参数和刀具材料提出了较高要求。

3.2.1 车刀的几何参数选择

“三分工艺，七分刀具”是在机械加工中常说的一句话，足见刀具合理选择和科学应用的重要性。车削薄壁工件一般选用较大的主偏角，减小径向切削力和振动，减少切削变形；较大的副偏角和后角，减少摩擦，降低切削热；适当增大前角，可使车刀切削更轻快；刃倾角选择正值，通过刃倾角控制切屑的流动方向，刃磨断屑槽时必须保持槽深前后一致，使切屑稳定向待加工表面排出，防止堵屑或划伤工件的已加工表面，影响表面质量；刀尖圆弧半径、修光刃选择较小数值，减少振动。硬质合金刀具各参数值可参考表1。

表1 车刀几何角度推荐数值

3.2.2 刀具材料的选择

工件材料是铸铁、铸造锡青铜等脆性金属时，选用钨钴类硬质合金刀具；工件材料为钢料等塑性金属时，选用钨钛钴类硬质合金或高速钢刀具材料。也可以根据加工需求选用涂层硬质合金刀片、陶瓷刀片以及金刚石刀片等，无论选用何种刀具材料，都要兼顾经济性和实用性，最终目的是充分发挥刀具的最佳切削性能，保证加工质量，提高加工效率。

3.3 正确选用切削用量

薄壁工件车削时，应根据刚度低、易变形等特点，适当降低切削用量，一般按照中速、小背吃刀量、快进给的原则进行选择。切削用量具体数值可参考表2。

表2 车削薄壁工件时切削用量表

3.4 充分冷却，减少热变形

切削热对薄壁工件的热变形影响很大[5]，车削过程中必须充分浇注切削液，以降低切削热的产生，并快速散热，有效降低切削区域的温度，提高刀具使用寿命和工件加工质量。对于不宜使用切削液冷却的加工材料，要用压缩空气进行强力冷却。

3.5 减振策略

车削薄壁工件时，出现变形会引起振动，振动又可以诱发新的变形，因而采取减振措施是必不可少的。[6]（1）调整车床各运动部件间的松紧间隙，提高车床工艺系统刚度。（2）使用吸振材料，比如泡沫塑料、软橡胶管、软橡胶片等，填充或包裹工件后进行车削，能起到减振效果。（3）填充低熔点物质。加工前，选用硫黄、石蜡、铅、锡等低熔点物质作为填充物，将其加热熔化填充至零件空隙部位，待冷却后使其形成实体，再进行车削加工。零件加工完成后，加热熔化填充物即可，可以有效防止工件崩角、缺边等缺陷的发生。

3.6 适时释放变形应力，提高加工质量

对于不需要掉头安装只需一次装夹的薄壁工件，粗加工时夹紧力大，在进行精加工前可松开工件，适当减小夹紧力，以释放内应力，再装夹找正工件后继续加工。另外，车削过程中可以根据需要增加热处理正火工序，消除内应力，减小切削时的变形与振动。

3.7 合理安排加工工艺

（1）将粗车、半精车、精车削分开进行。[7]粗车时，要快速切除加工余量，夹紧力大，易产生变形。半精车和精车时，余量加工小，在保证装夹牢固的前提下适当减小夹紧力，可以消除粗车时产生的夹紧变形。

（2）车削加工步骤

①粗车内、外圆表面，各留精车余量1～1.5 mm。夹持外圆小端，粗车端面和内孔。

夹持内孔，粗车外圆和端面。

②安装在如图4所示的扇形软卡爪[8]中精车内孔Ø72H7，精车外圆至Ø980-0.1 mm及端面，直至符合图样加工要求。

以内孔Ø72H7和Ø98处的端面为基准，工件安装在如图5所示的弹性胀力心轴上，精车外圆Ø80h7至图样加工要求。

③质量检测，按照图样加工要求逐项检查，合格后取下工件。

4 结语

车削加工薄壁工件应综合考虑影响加工变形因素，灵活运用加工策略和技巧，合理选用装夹方法，优化制定加工方案，科学规划走刀路径，练好基本技能，勤于总结反思，在实践中无论是普通车床还是数控车床加工，都可以提高薄壁工件加工质量和加工效率。