用弹性夹具车削薄壁类零件

方毅飞

薄壁套类零件因重量轻、材耗少、成本低、拆装方便而广泛应用。但是，在车削加工中，容易引起热变形、产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。通过采用专用弹性夹具，车削时合理的选择刀具和切削用量等措施，克服了这一难题。

薄壁零件也叫薄壳零件，这类零件的壁厚和它的径向或轴向尺寸比较相差悬殊，一般为几十倍或上百倍，因此工件的刚度较弱，在车削加工中，容易引起热变形、产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。薄壁类零件内、外圆的直径差很小，轴向尺寸大于径向尺寸，这类零件一般对孔的圆度、圆柱度、各圆柱表面的同轴度、孔轴线的直线度等都有严格要求，满足这些要求也是比较困难的。

一、车削薄壁零件产生的主要问题

在车削薄壁零件过程中，产生疵病的原因很多，其中主要有：

工件装夹不当产生变形在三爪卡盘上夹紧薄壁零件外圆，当卡爪夹紧工件时，工件与卡爪接触的部位产生弹性变形，以致工件孔径最终呈现椭圆状等不规则形状。

相对位置调整不准产生壁厚不均，工件、夹具、刀具与机床主轴旋转中心的相对位置调整不准，引起工件几何形状变化和壁厚不均匀。

加工部位伸出过长产生变形和振动薄壁件加工部位伸出过长，工件的刚性差，在车削过程中工件受切削力的影响产生变形和振动，很难车出正确的几何形状和较高的表面光洁度。

刀具选用不合理影响精度和表面光洁度，精车薄壁零件的孔时，刀杆的刚度要强，刀具磨损大，易产生圆度误差，工件不易得到满意的几何精度和表面光洁度。

工件受切削热的影响产生变形，对一些线膨胀系数较大的金属薄壁件来说，半精车和精车在一次装夹中连续车削所产生的切削热对它的尺寸精度影响极大，甚至还会使工件卡死在夹具上拿不下来。

为克服以上车削疵病，提高此类零件的加工质量，特设计了一套弹性夹具，利用弹性可涨心轴的原理，确保零件的加工质量。

二、夹具的整体结构及其作用

该夹具由心轴1、两个定位销2、开口弹性套3、锥度定位套5、卡板6、开口垫片7、螺母8组成（如图1所示）。其中心轴1和锥度定位套5按照图示用定位销2固定在一起后，配磨锥度定位套5的锥度外圆，以确保次外圆与心轴1的同轴度精度。将开口弹性套4安装在锥度定位套上，使其涨开后，配磨开口弹[生套4的外圆，此配磨方法可有效提高夹具上三个零件的配合精度，从而使夹具的整体定位精度得到有效保证。使用夹具时，将工件内孔与弹性套4的外圆酉己合，在心轴上安装卡板6，锁紧螺母8，是使卡板6沿心轴1轴向移动，推动开口弹性套4沿锥度定位套5的锥面移动使其涨开，从而起到将工件准确定位并均匀紧固的作用，由于弹性夹具实现了夹具与工件之间的无间隙配合，杜绝了工件采用装备或心轴出现的定位精度低及装夹变形的情况，有效提高了工件的装夹精度。安装完工件后，机床两顶尖与心轴1两侧B3中心孔配合，上拨盘，即可车削工件。

三、夹具主要零件的结构特点和使用方法

该夹具的设计关键是开口弹性套、锥度定位套的结构设计，开口弹性套和锥度定位套的结构如图2、图3所示，为确保弹性套能够富有弹性，易利于收缩和松开，该弹性套上的开口设计成如图的“错开式”结构，所有开口位置为沿圆周均布，开口数量为6?8条（对称各3?4条）。开口弹性套和锥度定位套的配合采用1：72的锥度，这既可以有效保证弹性套能迅速涨开和收缩，又能减小涨套过大变形给工件定位精度带来的不利影响，并使涨套在撑开时与工件和心轴表面有良好的接触。为提高弹性套的使用寿命，弹性套采用65Mn材料制造，经淬火处理后，硬度可达到HRC55—58，然后与锥度定位套配磨。装配完工件的夹具系统由于采用两顶尖方式固定在机床上，其重心就会在夹具上的中间部位，在车削过程中由于主轴带动夹具和工件高速旋转就会产生一定的离心力，势必影响到工件的加工精度，而该离心力的大小与整个夹具系统的重量成正比，因此，为减小加工过程由于高速旋转而产生的离心力，就应尽量减轻夹具重量，特别是锥度定位套的重量，具体方法是在保证锥度定位套刚度的前提下，将其上一些无用部位尽量挖空，已达到减重的目的。定位套材料选用45号钢，调质处理后，其外圆与心轴进行配磨。

四、用弹性夹具车削薄壁零件时，应注意的事项

1、切削用量的适度选取

薄壁零件车削时变形是多方面的，装夹工件时的夹紧力，切削工件时的切削力，工件阻遏刀具切削时产生的弹性变形和塑性变形，使切削区温度升高而产生的热变形。切削力的大小与切削用量密切相关，从金属切削原理上可以知道：背吃刀量、进给量、切削速度是切削用量的三个要素，在实践中发现：

背吃刀量和进给量同时增大，切削力也增大，变形大，带车削薄壁零件极为不利。减少背吃刀量，增大进给量，切削力虽然有所下降，但工件表面残余面积增大，便面粗糙度值大，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。

因此，粗加工时，背吃刀量和进给量可以取大一些；精加工时，背吃刀量一般在0.2?0.5mm，进给量一般在0.1?0.2mm/r，甚至更小，切削速度60?120m/min，精车时用较高的切削速度，但不宜过高。合理选用三要素就能见效切削力。从而降低变形量。

2、刀具幾何角度的介理选用

在薄壁零件的车削中，合理的刀具几何角度对车削中切削力的大小、车削中产生的热变形、工件表面的微观质量都是至关重要的。

刀具前角的选用 刀具前角大小，决定着切削变形与刀具的锋利程度。前角大，切削变形和摩擦力见效，切削力切削力减小，但前角太大，刀具强度就会较弱，刀具的散热情况就差，磨损相应就会加快。所以，一般车削钢件材料的薄壁零件时，用高速钢刀具，前角取6°?30'用硬质合金刀具，前角取5°?20°。

刀具的后角的选用 刀具的后角大，摩擦力小，切削力也相应减小，但后角过大也会使刀具强度减弱。在车削薄壁零件时，用高速钢车刀，刀具的后角取60?12°，用硬质合金刀具，后角取4°?12°，精车时取较大的后角，粗车时取较小的后角。

刀具主偏角的选用 主偏角在30°?90°范围内，车薄壁零件的内外圆时，取较大的主偏角。副偏角取8°?15°，精车时取较大的副偏角，粗车时取较小的副偏角。

3、切削液对加工质量的影响

在车削过程中充分使用切削液，不仅可以减小切削力，使刀具的耐用度得到提高，工件表面粗糙度值降低。同时工件也会因其不受切削热影响，而使它的加工尺寸和几何精度不再发生变化，从而保证零件的加工质量。

用高速钢刀具粗加工时，以水溶液冷却，主要是为了降低切削温度；中低速精加工时，选用润滑性能好的切削液或高浓度的乳化液，主要是改善以加工表面的质量和提高刀具的使用寿命；用硬质合金刀具粗车加工时，可以不用切削液，必要时也可以采用低浓度的乳化液或水溶液，但必须是连续地、充分地浇注。精加工时，采用的切削液与粗加工时基本上相同，但应适当提高其润滑性能。

实践证明，此车夹具有结构简单、定位可靠、拆装方便、工件加工合格率高、使用寿命长的特点，完全可以保证薄壁零件的车削加工精度。