薄壁套类零件数控车削加工工艺分析

薄壁套类零件数控车削加工工艺分析

崔运奇

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：随着加工制造业的发展，薄壁类零件的应用范围越来越广泛，技术要求越来越高。但是在薄壁套类零件的数控车削加工中还存在很多问题，影响到了加工的效率以及零件的质量，因此需要不断改进数控车削加工工艺，提高加工质量。

关键词：薄壁套类零件数控；车削加工工艺；

前言：在实际生产过程中，经常会遇到加工各种不同类型的薄壁零件，因为它具有结构小、质量轻、材料省、结构紧凑等优点，所以应用在各行各业，特别是在航空航天业应用更加广泛。薄壁件加工时由于振动、夹紧力、切削热、内应力、车削力对变形的影响，使工件产生大幅度的形状变形，导致零件尺寸精度、形状精度和位置精度超差。

一、薄壁套类零件概述

薄壁套类零件有着径向刚度差、外圆及内孔有着不规则变形导致壁厚不均匀、圆度不易控制等特点。套类零件在机械结构中主要起支撑和导向作用，为此零件需具有较高的同轴度，端面与孔轴线或与外圆有较高的垂直度要求，除了尺寸的精度要求外还对零件的几何形状精度、表面粗糙度也要求较高。在数控车削加工中急需解决的问题是控制零件装夹变形以及车削变形。

二、薄壁套类零件加工质量的影响因素

①夹紧力对加工质量的影响：零件加工对装夹刚度有较高的要求，如果零件装夹的力度过小不仅会造成脱夹导致零件的报废，甚至会引发安全事故。

②工件材料的状态对切削力的影响：材料的状态会直接影响到切削力大小，随着材料硬度、强度增高切削力增大，同时还会涉及到加工硬化等问题，加工硬化不仅会使材料产生变形还会给材料的进一步加工带来困难。

③刀具角度对工件的影响：前角大时，切削变形量和摩擦力减小，切削力减小，表面粗糙度好；前角过大，刀具楔角减小，刀具强度降低，散热能力差，磨损速度快，刀具使用寿命降低；后角大，与工件切削表面间隙大，摩擦力小，切削力也相应的减小；后角过大，会形成刀具刃部变薄，强度不足，磨损速度快，刀具使用寿命降低。

④吃刀量与进给速度对切削力的影响：背吃刀量与切削速度对切削力的交互影响当背吃刀量为常数时，切削速度增大时，切削力变化的幅度不是很大；而当切削速度为常数时，背吃刀量增大，切削力增大较明显[3]。在半精加工和精精工时吃刀量较为一致，对切削力的影响几乎一致，此时应尽量提高切削速度，以求表面粗糙度达到设计要求。

⑤冷却液对切削力的影响：切削过程会产生大量热量，如冷却不及时，会加快刀具磨损，直接影响到已加工表面的表面质量；热量传递到工件上，会导致变形量增大。

三、薄壁套类零件数控车削加工工艺分析

1.薄壁套类零件，内孔Φ52mm，外圆最大Φ58mm，最小Φ56mm，也就是最薄处厚度仅为2mm。加工起来比较困难，特别是加工内孔的时候，零件受刀具的切削力的作用，薄壁的刚性比较差，容易产生较大变形，从而导致出现圆度不足的椭圆形，或者两头大中间小的“腰形”。另外此类零件由于材料横截面积比较小，导热能力差，也就是工件的散热性能差，很容易产生热变形，导致尺寸和形位误差较大，很难达到图纸要求的精度和加工质量。怎样减小工件在受刀具的切削力时的变形，是薄壁套类零件的主要难题之一。为此在充分考虑了工艺方案对零件的加工质量影响的基础上，对工件的装夹方式、刀具几何参数设计、切削用量选用、工艺路线的制定及编程方法等方面进行多次试验，找到了减小薄壁套类零件在加工过程中因刚性问题产生的变形，保证了零件的加工精度。

2.零件特点分析。根据提供的图纸要求，工件采用无缝钢管作为原材料进行加工，孔的内表面和外圆柱面的表面粗糙度为Ra1.6μm，用车削就能达到。孔的内表面的圆柱度为0.03mm 对于薄壁套类零件来说，要求就比较高了，如果是批量生产，其工艺路线一般为：预备热处理- 车端面- 粗、精车外圆—粗、精车内孔。加工图示零件的难度主要集中在一下两点上。因为零件壁薄，变形大。批量生产，一般采用专用夹具。这样能保证工件在加工过程中的定位精度，但是车刀与工件的受力点与装夹的压紧力作用点的相对距离较远，零件又是薄壁件，刚性明显不足，在切削力较大的情况下，容易产生较大的塑性变形和热膨胀变形。

因为零件壁薄，表面质量的控制。

3. 解决的办法和措施。合理设计刀具几何角度。合理设计刀具的几何角度对控制切削力的大小，车削过程中产生的热变形量、工件表面的粗糙度等微观质量都是相当重要的。前角车刀的前角决定着刀具的锋利程度和切屑变形程度。前角增大，切屑的变形以及切屑与前刀面的摩擦力减小，切削抗力减小，刀具更锋利，切削效率提升。但前角增大，会使刀具楔角变小，刀具同位置的截面积减小，强度会减弱，刀具散热能力变差，磨损速度加快。后角后角增大，刀具与工件的摩擦力减小，切削抗力也相应减小，同时也会使刀具同位置的截面积减小，强度会减弱。主偏角主偏角减小，副切削刃与已加工表面的摩擦减少，刀具切削时的背向抗力减少，能降低车削工艺系统产生的弹性变形及其振动，能提高刀具的强度，改善刀具的散热条件，从而减少残留面积高度。所以， 合理的刀具几何角度如下， 前角以圆弧状角度10 ～ 15 ° 为宜， 后角4 ～ 12 ° 为宜， 修光刃为R1 ～ 1.5mm。粗车时宜取较小后角，精车时最好选用较大的后角。主偏角30 ～ 90°。粗车的副偏角取较小值，精车的副偏角取较大值。

4.内孔加工。内孔加工是本零件质量控制的关键。内孔切削要保证0.03mm 圆柱度要求是很难的，解决排屑问题和内孔车刀的刚性是车孔的关键技术。可采取了以下措施：增加刀柄的截面积一般的内孔车刀，刀尖位于刀柄的外圆柱面上，这样刀尖就占用了有限的内孔空间，刀柄截面积也就较小，还不到工件孔截面积的1/4。若将内孔车刀的刀尖设置于刀柄的中心线上，那么节约出空间，刀柄的截面积可大大增加。刀柄伸出长度缩短为了增加车刀刀柄刚性，减小切削过程中的振动，刀柄的伸出长度一般是比加工工件长度长5 ～ 8mm。 控制切屑流出方向，采用正刃倾角的内孔车刀。合理选用切削用量。背吃刀量、进给量和切削速度统称切削用量三要素。切削用量的选择直接影响切削力的大小。试验证明：进给量和背吃刀量同时增大，切削力也随之增大，变形量也增大。增大进给量，减少背吃刀量，切削力稍有下降，但工件表面的残余面积增大，也就是表面粗糙度值增大，使零件的内应力随之增加，同样会导致零件的变形增加。合理选用切削液。因为切削过程中有切削热产生，工件受热膨胀的尺寸难以掌握。需要使用切削液来减少工件的热变形。装夹方式的合理设计加工前要做一心轴，心轴的用途是把车好的薄壁零件内孔以原尺寸套住，用前后顶尖固定心轴，使它在加工外圆时处于不变形的情况下，保证外圆加工质量和精度。加工时严格遵守安全操作规程(1)穿好工作服，女工戴好工作帽；( 2)在工作中禁止戴手套；(3)合理选择进给量，刀具刃磨角度使铁削呈团状，防止铁削伤人；(4)禁止运转时清除铁削；(5)禁止运转时接触工件；(6 )工件要装夹牢固，以防在主轴旋转时松动飞出伤人或车削加工时扎刀；(7 )机床主轴启动，开始切削前应关好防护门，正常运行时禁止按“急停”按钮，加工中严禁开启防护门。如遇紧急情况应按红色“急停”按钮，及时报告维修人员，修正后经全面检查方可再进行加工。

结束语

车削薄壁套类零件，首先要对零件结构进行充分分析，根据该零件技术要求制定合理的加工工艺；其次要确保夹具、刀具、切削用量和切削液最优化等，这样才能最大程度提高对零件加工过程中的精度控制，从而进一步提高生产率。

参考文献：

[1]谭昀.铝合金薄壁件高速加工变形误差预测技术的研究[D].哈尔滨工业大学，2018.

[2]李念周.薄壁零件的加工[J].设备管理与维修，2020（02）：129-130.