薄壁零件车削加工的工艺方案

李浩权

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.085

摘 要：通用加工工艺在数控车床上加工薄壁零件，加工精度是比较难控制的。原因是薄壁零件刚性差、强度低，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大。加工中需要解决的主要问题是控制和减小变形，同时提高切削效率，缩短加工周期。其加工工艺需要从工件装夹、切削用量、刀具几何角度选用等多方面进行优化。因此对薄壁零件的装夹、刀具的合理选用、切削用量的选择等进行探讨和分析。

关键词：薄壁零件 加工变形 芯轴装夹 工艺方案

中图分类号：TG51 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（a）-0085-02

随着科学技术的发展，数控车床的普及，数控车床加工精度高、高效率、加工范围广、调试方便等优势在机械加工中占有越来越重要的地位。薄壁零件是较常用的零件，大部分薄壁零件外型并不复杂，在数控车床加工编程较为容易，但由于薄壁零件强度低、刚性差，在加工过程中会受到切削力、切削热、工装夹具、工件内应力等多方面的因素干扰，使其在实际加工中不易操作。因此，根据薄壁零件的形状特点，产量，设计一套专用的工装夹具。不但提高了零件的加工精度，也提高了的生产效率。

1 薄壁零件加工存在的问题

薄壁零件如图1所示。毛坯材料为45#钢材，毛坯规格为φ45mm×7.5mm无缝钢管棒料。零件外径是φ38mm，内孔是φ34mm，壁厚仅为2mm，而且均有尺寸公差0.02mm，同轴精度和垂直精度均0.02mm。通过分析零件技术要求和零件形状特点，零件的精度较高。加工难点是零件壁薄，实际加工时容易在夹紧力、切削力的作用下产生变形和振动，从而影响零件的尺寸精度、形状和表面粗糙度。

2 薄壁零件加工工艺方案设计

2.1 工艺方案一

由于零件的毛坯是无缝钢管棒料，可用自定心三爪卡盘夹紧，实行一次装夹加工。具体步骤是先粗车后精车。首先用粗车刀粗车内孔至φ33.5mm，外圆至φ38.5mm和φ42.5mm；再用精车刀精车内孔和外圆；最后就是用切断刀切断。一次装夹能够保证零件的同轴度和垂直度。

工艺方案一的缺点：由于零件壁薄，容易振动，机床主轴过松，机床刚性过低或过强都会产生振动，切断刀切断时零件会产生内应力，导致零件微小的变形，从而使零件的尺寸不稳定和难以控制。工艺方案一适合加工单件或者加工精度低的产品，不适合加工精度高的大批量产品。

2.2 工艺方案二

工艺方案二，要分三道工序加工。

（1）第一道工序：由于零件的毛坯是无缝钢管棒料，用自定心三爪卡盘夹紧，实行粗加工，各尺寸均留0.5～0.8mm的余量，切断。

（2）第二道工序：采用大面积扇形软爪装夹，精加工内孔φ34mm和零件的A面，如图2所示。

如果采用普通自定心三爪卡盘夹紧，零件容易变形，因为普通的三爪卡盘夹紧时，受力集中在三点，薄壁零件强度低，刚性差，易变形。夹紧力偏小时，零件在车削时受切削力的影响使零件松动，严重时出现撞刀。而大面积扇形软爪装夹能有效地减少变形，因为扇形软爪的装夹面是与零件的外径表面相配合的。能增大零件的接触面积，增大夹紧力的作用面积，使零件支持面增大，夹紧力均匀分布在零件表面上，用软爪的端面进行轴向定位。加工软爪时，软爪端面与软爪的装夹面一次装夹加工，保证软爪端面和软爪的装夹面垂直，提高零件定位精度，减小零件变形，甚至避免零件变形。

（3）第三道工序：采用锥体芯轴装夹，精加工外圆φ42mm、φ38mm和零件B面，保证零件的总长，如图3所示。

锥体芯轴装夹由夹具体、锥体、推件块、垫圈及内六角螺钉组成。

其工作方式是先将加工好内孔和A面的零件套在夹具体上，再由内六角螺钉锁紧，由垫圈压紧锥体，锥体受力向内移动使夹具体膨胀，从而使零件内孔均匀受力而夹紧。当精加工完后松开内六角螺钉，推件块推动锥体向外移动，使夹具体不再膨胀，从而松开零件。

使用锥体芯轴装夹，最主要的是夹具体，如图4所示。

夹具体采用优质碳素结构钢牌号为60#钢材加工而成，因为此钢的强度和弹性都比较好。加工夹具体时要注意，C面、D面及内锥面为一次装夹加工，保证C面和D面的垂直度，D面和内锥面的同轴度，装夹零件时，以C面作轴向定位。夹具体的外圆应比零件的内孔尺寸小0.05～0.08mm，方便零件的装夹。内锥大径为28mm，锥度取8°，锥长45mm，孔深55mm。在D面处开8条小槽，槽宽2mm，长45mm，有利于夹具体受力膨胀夹紧零件。

锥体与内六角螺钉的配合，如图5所示。

锥体的大径是28.4mm，锥度8°，内孔11mm。内六角螺钉是M10×90的，锥体与内六角螺钉的配合是完全松动的。内六角螺钉上有一个宽3mm的推件块，固定在内六角螺钉上，其作用是阻挡锥体滑落。推件块上有一个R0.8mm的小孔，作用就是固定推件块。固定推件块位置时，应离锥体2mm。这样，零件加工完成后，松开内六角螺钉由螺钉上的推件块带动锥体往外移动，快速松开零件。

工艺方案二，能有效地减少薄壁零件的切削变形和夹紧变形，能有效控制薄壁零件的尺寸精度，对加工大批量精度高的薄壁零件，不但提高了零件的加工精度，也提高了生产效率。

3 薄壁零件加工时合理选择刀具的几何角度和切削用量

3.1 合理选择刀具的几何角度

在薄壁零件的车削中，合理的刀具几何角度对车削时切削力的大小、车削中产生的热变形、工件表面的粗糙度都是至关重要的。刀具的主要几何角度对切削力的影响是很大的。

（1）刀具前角的大小，决定着切削变形与刀具的锋利程度。前角大，切削力和摩擦力减小，切削变形减小。但前角太大，会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱，刀具散热情况变差，磨损会加快。车削钢件材料的薄壁零件时，用硬质合金刀具，前角取5°～20°。粗车时取较小前角，精车时取较大前角。

（2）刀具后角的大小，决定着刀具后刀面与工件表面的摩擦情况。后角大，摩擦力小，切削力也相应减小，但后角太大也会使刀具强度减弱。在车削钢件材料的薄壁零件时，用硬质合金刀具，后角取4°～12°，粗车时取较小后角，精车时取较大后角。

（3）刀具主偏角的大小，决定着轴向切削力和径向切削力的分配情况。主偏角增大，径向切削力减小，而軸向切削力增大；反之径向切削力增大，而轴向切削力减小。车削薄壁零件的内外圆时，无论粗车或精车，主偏角取90°～95°。

（4）刀具副偏角的大小，影响着刀具与以加工表面间的摩擦情况和工件表面粗糙度值的大小。车薄壁零件时，副偏角取8°～15°，粗车时取较大的副偏角，精车时取较小的副偏角。

3.2 合理选择切削用量

切削力的大小与切削用量密切相关。背吃刀量和进给量同时增大，切削力增大，变形也大，对车削薄壁零件极为不利。减少背吃刀量，大进给量，切削力虽然有所下降，但工件表面残余面积变大，表面粗糙度值增大，使强度不好的薄壁零件的内应力增加，同样也会导致零件的变形。所以，粗加工时，背吃刀量和进给量可以给大些，精加工时背吃刀量一般在0.3～0.8mm，进给量一般在0.1～0.2mm/r甚至更小，精车时用尽量高的切削速度，但不宜过高。合理选择切削三要素就能减少切削力，从而减少变形。

4 结语

上文主要是讲述了直径较小的薄壁零件在加工中出现的问题及采取的一些措施，如果直径较大的薄壁零件在加工中还可以利用一些施工圈、辅助支承等工装夹具。归根结底正确掌握薄壁零件的安装和夹紧，采取轴向夹紧，减少加工中的变形，是解决车削薄壁零件的关键。在实际加工生产中，由于加工对象复杂多样，特别是轮廓曲线的形状及位置千差万别，加上材料不同，批量不同等多方面因素的影响，在对零件制定加工方案时，应该进行具体分析和区别对待，灵活处理。只有这样，才能使制定的加工方案合理，从而达到高质量、高效率和低成本的目的。

参考文献

[1] 宋小春.数控车床编程与操作[M].广州：广东经济出版社，2003.

[2] 谢晓红.数控车削编程与加工技术[M].北京：电子工业出版社，2008.endprint