提高薄壁零件加工精度方法研究

谷艳丰

摘 要： 为了解决薄壁零件因强度差、结构复杂带来的难于保证加工精度的问题，作者从受力、热变形、振动、零件工艺性等多角度分析了薄壁零件产生变形的原因，并根据实际情况分析了提高薄壁零件精度的基本途径。

关键词： 薄壁零件 加工精度 工艺分析

一、引言

在现代化的工业制造中，薄壁结构越来越多，尤其是航空航天、雷达通信等高精尖领域，这些领域的薄壁件大多数为整体框、梁、壁板等，既要保证薄壁结构的强度，又要尽可能地降低零件的重量，同时满足零件结构复杂性和造型复杂等要求。但是薄壁构件相对刚度和强度较差、结构不规则，这就使得在制造过程中装夹困难，零件极易发生变形，在加工过程中容易产程振动、失稳，使得加工质量大大下降，给制造带来极大的困难。因此，从设备的选择、工件的装夹、刀具的选择、零件加工工艺分析、程序的编制等多角度出发，充分分析影响薄壁零件加工质量的因素，找出对应的解决措施，是提高薄壁零件加工精度的基本途径。

二、薄壁件产生变形的原因

1.外力夹持

在机械加工过程中，工件受到切削力、离心力、惯性力等的作用，为了保证在这些外力作用下，工件仍能在夹具中保持已由定位元件确定的加工位置，而不致发生振动或位移，在夹具结构中应设置夹紧装置，将工件可靠夹牢。但在夹紧过程中，由于零件的结构为薄壁结构，零件强度较低，其在夹紧力的作用下极易发生变形。例如一个薄壁套筒类零件，如果采用传统的三爪卡盘进行夹紧则造成零件的变形，圆形变形为三角形，无法保证加工的质量。

2.切削力

在机械加工过程中，通过刀具和工件之间按照一定轨迹的相对运动完成切削加工，因此在切削过程中会形成刀具和和零件间的相互作用力[3]。在车削中，切削力可以分解为轴向力和径向力，其中径向力垂直于零件轴线，造成零件弯曲，使零件变形较大，切削后零件表面形成鼓形表面，造成严重的形状误差。在铣削过程中，如果零件的受力表面没有足够的支撑，同样会造成零件变形，使得加工表面凸起，形成所谓的欠切状态。因此，切削力是影响薄壁零件加工精度的关键因素。

3.热变形

在金属切削过程中，由于刀具和工件之间的强力接触和摩擦会形成比较严重的切削热。切削热会使工件发生严重的变形，对于薄壁件尤为明显。同时热量的积聚和增加会造成刀具的磨损加剧，最终造成零件加工精度的降低。

此外，主轴的高速旋转也会产生热量，使主轴伸长，车床中就会改变零件的加工位置，铣削中就会改变刀具的位置，但最终表现为工件和零件相对位置的改变，形成加工误差，影响零件的加工精度。

4.振动

机械加工产生振动的原因有很多，主要包括机床自身结构形成的强迫振动，例如电动机的高速旋转、机械结构的不平衡、油泵工作不平稳等，都会引起机床的强迫振动，这些振动会影响薄壁零件的装卡和加工工件的精度[4]。与此同时，机床在加工过程中产生的交变力引起不衰减的振动，会使加工产程变形影响零件的精度。例如在磨削过程中，砂轮对工件产生的摩擦会引起较大的不衰减振动，影响磨削表面的质量。

5.加工工艺不合理

在机械加工中，加工工艺及加工方法直接影响零件的精度，不合理的加工工序和加工顺序将造成零件变形较大，因此合理的加工工艺过程是保证零件加工变形小、提高加工质量的关键环节[1]。

三、提高薄壁零件加工精度的措施

1.采用专用夹具

对于薄壁零件，在加工过程中采用合适的专用夹具代替传统的通用夹具，可以改变零件的受力特点，主要包括受力作用点、受力方向、夹紧力的大小，从而降低夹紧力造成零件变形。夹具夹紧力的作用方向应使工件变形尽可能小，夹紧力应作用在刚度较好部位，夹紧力大小要合适[4]。例如在薄壁套类零件的切削过程中，通过专用夹具将采用三爪卡盘的径向夹紧力改成轴向受力，可以大大提高受力强度，降低夹紧力变形。在要求采用径向夹紧的工件，采用鹿皮等软式夹紧机构，可以加大夹紧的接触面积，使得在同样单位面积压力下取得最好的夹紧效果。

2.补偿切削

在薄壁件的加工过程中，在切削力的作用下，工件会产生欠切削变形，即在车削中，形成鼓形结构，在铣削过程中，造成突起表面，因此在切削过程中可以采用特殊的加工法。例如车削中通过刀具或工件相对位置人为调整进行欠切补偿，铣削中通过高速加工技术进行分层对称铣削来控制加工精度。在许多现代加工中采用数控机床进行加工，可以通过一定的实验或计算机软件来模拟实际加工过程，从而测定零件各个部分的变形量，在变形小的地方采用大进给量，而在变形大的地方采用小的进给量，在进行编程过程中，局部改变进给量，实现刀具偏摆，让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加补偿运动，补偿因变形而产生的变形，提高零件的加工精度[2]。

3.选择合适的刀具

刀具和工件的接触和摩擦是产生切削力和切削热的主要原因，因此采用合适的刀具材料、合适的刀具角度可以大大降低切削力。通常刀具前角的大小是影响刀具锋利程度大小的主要因素，前角越大切削变形和摩擦力越小，前角每增加一度，切削温度及切削力会降低10%，同时刀具的振动幅度会大大减小，有助于提高加工精度和质量。但是前角太大，会使刀具的楔角减小，降低刀具的强度，并且不利于刀具散热，使得刀具容易磨损。因此，要在刀具耐用度允许的情况下，选择合理的刀具材料，使刀具膨胀系数小，同时选用较大的刀具前角和后角，有助于降低工件受力变形和热变形。

4.选择合适的切削用量

在机械加工过程中，刀具和工件间的相互作用使得切削层金属发生弹性变形和塑性变形会产生一定的热量，同时切屑与刀具之间的摩擦会产生热能。纵观各种影响因素，切削速度对切削热影响最大，在低速加工中，随着切削速度的提高，切削温度明显上升，这不仅使得工件变形明显，还造成刀具的急剧磨损，影响加工精度。然而，随着温度的继续升高，切削形成的热量反而下降，形成所谓的高速加工。在高速加工中，由于切削速度较快，热量及时被切屑带走，工件热变形较小。但高速加工中主轴热变形会导致机床高速主轴的伸长，因此要选择合适的切削速度，使二者的综合效果达到最佳。从加工角度而言，根据所选择的设备及实际工作条件，选择合适的切削速度可以大大降低切削热及切削力，提高加工质量。

此外，进给量对切削热也有一定的影响。在加工过程中，切削区的热量主要积聚在切屑中，因此应该使用连续的进给和高速进给，连续进给可以防止刀具在某一位置停留，以免造成工件局部过热。在高速进给过程中，随着不断的断屑，热量被切屑带走，来不及传给工件，工件基本上不受切削热的影响，因而避免了热变形。

5.合理选择机床

在加工过程中，加工设备的稳定性直接影响零件的加工精度，因此，选择加工性能好、刚度大、热稳定性好的机床是提高零件精度的首要条件。在机床的使用过程中要注意采用散热、通风或间歇加工等方式，尽可能地使机床工作于热平衡状态，使机床不受温度的影响。

6.进行合理的工艺设计

零件工艺设计主要包括：工序的划分、加工顺序的确定、进给路线的确定。薄壁零件加工工艺的重点应着眼于零件的结构特点，采用粗加工和精加工来划分工序，即先进行粗加工，然后进行精加工。这种加工方法便于薄壁零件在加工过程中穿插时效处理，校正工序和调整夹紧力，使零件的残余应力得以释放，变形最小。在加工顺序安排上，应先加工基准表面、主要表面，先粗加工后精加工。进给路线要合理安排起刀、换刀和运动叠加，既要满足刀具的运动轨迹要求，又要保证刀具的磨损最小，工件变形最小。零件的工艺设计是个非常复杂的问题，合理设计有助于提高零件的加工精度。

7.选择适当的切削液

在加工过程中形成大量的切削热，除了通过切屑带走，还可以通过冷却液方式进行处理。根据零件材料和刀具材料的不同可以采用不同的冷却液，例如采用高速钢刀具精加工时，可以采用水溶液，加工铸铁时采用非水溶性切削液[5]。同时，不同的加工方法要选择不同的切削液，例如在精车过程中，选择高浓度的乳化液或油性切削液。而铣削是断续切削，每个刀齿的切削深度持续变化，加工中振动和冲击力较大，产生大量的切削热，因此高速铣削时，需用冷却性好并有一定润滑性能的切削液。

四、结语

本文分析了薄壁零件的变形原因，并提出了减小薄壁零件变形的基本途径，可以在薄壁零件的加工过程中充分考虑各个因素所占有的权重，合理处理每个相关环节，从零件的基本结构特点和精度要求、性价比等多角度出发，合理地控制变形量，提高零件的加工精度。

参考文献：

[1]姚荣庆.薄壁零件的加工方法[J].机床与液压，2007（8）.

[2]白丽艳.浅析影响薄壁零件加工精度的因素及其工艺措施[J].机电信息，2012（30）.

[3]麻东升.影响薄壁零件加工精度的因素及工艺措施[J].河北科技学院学报，2008（12）.

[4]林中.提高薄壁零件加工精度的探讨[J].机电技术，2008（2）.

[5]安润喜.不同加工方法切削液的选择[J].机械工程与自动化，2006（8）.

本项目为沈阳工程学院校内科研项目研究论文

项目名称：薄壁构件加工变形研究及应用

项目编号：LGYB-1307