如何提高薄壁零件的加工精度

杨永利 王伟

【摘要】薄壁零件因重量轻，结构紧凑，节约材料，在机械、电子仪表，电子信息、医疗、航天航空、汽车、日常民用产品等各行各业中广泛应用。但因刚性差在加工中极易变形，是车削中比较棘手的问题。本文针对典型薄壁结构零件的分析及影响薄壁零件加工精度的主要原因解析，认为加工薄壁类零件主要应考虑装夹方法、刀具几何参数，机床性能和切削力等方面因素以防止工件加工中变形，并提出改进措施。

【关键词】车削;薄壁零件;加工精度

工业中轴套类零件大多属于薄壁零件，薄壁零件壁厚不足及孔径的1/15，质量轻节约材料，结构紧凑是工业生产中不可缺少的重要零件，故广泛应用在各行各业。

薄壁零件的加工精度主要有：尺寸精度（直径和长度尺寸）、几何精度（圆度和圆柱度）、位置精度（同轴度、垂直度、径向跳动，）表面粗糙度。此类零件的共同特点是受力形式复杂，加工时对刀具的径向切削力、卡盘的夹紧力、切削热均十分敏感，往往未加工到所需尺寸，零件已经超出了精度要求，因此薄壁零件的加工制造难度大。

一、零件结构分析

工程训练中心不仅完成全校工科学生的实习任务，也生产一定的产品。[1]其中一种轴套零件空心轴，结构不复杂，但精度要求高，在整个产品中主要起关键作用。尺寸精度为IT5-IT7。同轴度为0.08～0.15。垂直度为0.01～0.015。是典型的精度要求高，加工中极易变形薄件零件。

二、加工中的问题难点

粗、精车完成后，因零件处于卡紧状态，用百分表杠杆表等测量零件孔圆度都达到图纸要求。但工件拿下时测量发现孔变形达0.2毫米，影响装配。

三、薄壁零件变形原因

1、受力变形

圆形薄壁零件通常用三爪卡盘安装，在装夹的过程中，卡紧力的大小会导致工件变形，一般情况下会略微变成三边形。加工后是圆柱孔，当松开卡爪取下工件后，由于弹性恢复，外圆恢复成圆柱形，而内孔变成弧形三边形。

2、切削力引起变形

刀具在切削工件时必须克服材料的变形阻力、刀具与工件切削之间摩擦阻力、才能切削下工件表面和内里材料，这些阻力的合力就是作用在刀具上的切削力。[2]

切削力用F表示可分为三个相互垂直的切削分力。主切削力Fz，走刀抗力Fx，吃刀抗力Fy。

主切削力Fz方向与切削速度方向一致，消耗机床功效是最大的。

走刀抗力Fx方向与进给方向相反及轴向切削力。

吃刀抗力与吃刀方向相反及径向切削力。其反作用力作用在工件上，所以径向切削力是影响工件变形的最大因素。例如我们加工长轴类工件，如果没有中心架或跟刀架的应用，刀具在加工到轴的中间部位就出现“让刀”现象。使工件加工完后出现两头细，中间粗的腰鼓型。

轴向切削力由于工件从中心到外圆处钢度的不一致，产生不同的弹性变形，最终导致工件端面不是一个平面，而是一个轻微凹面和凸形状。

3、受热变形或加工过程中切削热引起变形

薄壁零件加工时，因工件薄，热容量小，传导慢。走刀摩擦产生的切削热不能及时散发，使工件产生热变形。这样零件的尺寸精度难以控制，产生废品。

4、振动变形

在切削时，径向切削力的作用下，产生振动和尖叫声。振动时刀具与工件之间产生相对位移，破坏工件和刀具之间正常运动轨迹，工件表面产生扭曲横纹（水波纹），直接影响零件表面粗糙度。震动严重时无法走刀，不能正常加工，大大降低生产效率。

四、解决薄壁零件加工变形的方法

1、调整机床主轴径向跳动

机床受安装和调试的影响主轴一般都存在径向跳动，主轴径向跳动的危害是直接导致加工工件时产品变形，精度下降工件报废。[3]可以通过重新调试机床，改善主轴跳动这种现象。主轴产生径向跳动的原因是前轴承间隙大，而轴向跳动是由后轴承间隙过大造成。前后轴承都是圆锥棍子轴承，因此可调整间隙，方法是首先松开轴承螺母的紧定螺钉，转动间隙调整螺母，使带有锥度的滚动轴承内圈沿轴向移动，消除间隙进行试转，主轴高速运转下不发生过热，用手转动无阻滞感就可拧紧定位螺钉。

如调试机床，无法改变主轴径向跳动的状况，这时可以调整薄壁零件的加工工序，先加工外表面后加工内孔，通常我们称先外后里，这样对壁厚的影响较小。如主轴跳动很微小，可采用先內后外方式加工。

2、减小受力变形

减小薄壁工件的受力变形，一般应增大工件的支撑面和卡压面积或增加卡压点，必要时可增加辅助支撑力，以增加工件刚性。对小型工件常采用开口过度环或专用卡爪（软爪）增大卡爪与工件的接触面积。也可采用心轴，弹簧夹头等专用卡具装夹。而对于直径大的圆盘薄壁工件，可装卡在花盘上车削。

加工直径稍小的薄壁件采用开口过度环装夹，开口过度环制作时内径比薄壁零件的外径大1～1.5毫米，在铣床上沿工件轴向铣出一个2～5毫米之间的槽，加工薄壁零件时，把开口套包在薄壁零件的外边，这样三爪卡盘的三点卡紧为整圆抱紧，使之受力均匀。

另一种方式改装三爪卡盘的三个卡爪，在卡爪上焊接铜卡爪（称为软爪）增大卡爪和工件之间夹持面积，减少对薄壁工件的夹紧变形。应注意软爪和原三爪卡盘的三个卡爪焊接后不能马上使用，适当放置一段时间让其自然变形。然后车削软爪，这时软爪才能投入使用中。有资料测试表明，在同一夹紧条件下，以3点卡紧的零件变形为1，则均匀6点卡紧产生的变形量仅为3点的1/16，可见均匀多点夹紧会大幅减小零件的装卡变形。

花盘的使用可使径向夹紧力，变为轴向拉紧力。[4]花盘是一个直径较大的铸铁圆盘，其中心的内螺纹孔可以直接安装在机床主轴上，花盘上的T形槽，穿入压紧螺栓可以把工件直接压在花盘上加工，在安装时应注意零件的一个面与安装面平行。或孔内外圆的轴线要与安装面垂直，使用花盘时应注意，花盘端面要保证平整并与主轴中心线垂直。

3、减小受热变形

减小切削热的措施除了减小切削力，通常还使用切削液来降低切削热。切削液在金属切削过程中具有相当重要的作用，切削过程中，变形和摩擦所消耗的功，大部分都转化为热能，使切削区温度升高，所产生的切削热传入工件会使其发生变形，影响加工精度。如果使用切削液刀具、工件和切削上的切削热主要由切削液带走，不用切削液时切削热主要由工件、切屑、刀具传散。所以切削液可以吸收大量热量，使工件和刀具得到冷却，还可以充分起到润滑作用，减少切削工件与刀具之间的摩擦，降低切削温度。有试验证明，选用适当的切削液，能降低切削区温度60～150度，还能降低表面粗糙度1～2级。减小切削阻力20～30%。

切削液通常分为三类：水溶液、切削油、乳化液。

⑴、水溶液的主要成分水，所以冷却性能好，但设备易生锈。水溶液的切削液里都会加防锈添加剂。水溶液切削液冷却性能好、价格低，所以应用广泛。主要在粗加工用。

⑵、切削油的主要成分是矿物油，是一种以润滑为主的切削液，主要用在精加工上。

①、矿物油：5号、7号、10号、20号、30号等机械油和柴油煤油等，适用于一般润滑。

②、极压切削油：它是由矿物油为基础，加入植物油、极压添加剂和防锈剂组成，具备矿物油植物油良好的润滑性能和极压润滑性能。

⑶、乳化液是将乳化油用水稀释而成，具有良好的冷却性能，并且加了一定的防腐剂和极压添加剂，可配成极压乳化液和防锈乳化液。

①、普通乳化液：是由水，防腐剂，乳化剂，矿物油组成。冷却性能好，而且有简单的防腐和润滑作用。

②、防锈乳化液：在普通乳化液中加入大量的防锈剂，用在环境比较潮湿的地方。

③、极压乳化液：在普通乳化液中添加含氯、硫、磷的极压添加剂。在切削时的高压高温下形成吸附膜。起到润滑作用。

我们选择切削液的原则是：零件在粗加工时主要解决的问题是冷却，所以一般选用的是水性溶液。精加工中切削力小、背吃刀量小进给量也比较小，产生的切削热也比较小所以润滑为主，这个时候选油性切削液。

切削液对零件冷却时，不能时有时无，以避免刀具出现冷热而产生裂纹现象，必须连续充分浇注。

加工铸铁材料时一般不用冷却液。因铸铁切削所产生的切屑碎状切屑，或粉末状切屑不利于切削液的循环，再者铸铁中的石墨本身有润滑作用。

4、合理选择参数[5]

（1）、切削三要素的选择

切削加工时，通常衡量工件运动量大小的参数称为切削用量。由切削速度、进给量、背吃刀量组成。

①切削速度Uc

指单位时间内，工件和刀具之间沿主运动方向相对移动的距离，即主运动的线速度，单位为m/s。例如在车削中Uc=πDn/1000×60

D：工件或刀具的回转直径，单位mm。

n：工件或刀具的转速，单位r/min。

②进给量f

进给量f是指在主运动的一个循环内，刀具和工件之间沿进给方向相对移动的距离。

单位mm/r。

③背吃刀量ap

待加工表面与已加工表面之间的垂直距离及切削深度。单位为mm。

ap=（D-d）/2

D、d：分别表示待加工表面、已加工表面的直径，单位mm。

力的大小跟切削三要素密切相关，正确选择切削三要素可减小工件振动和变形，因此在加工薄壁零件精车时，尽量用高的切削速度，但要采取一定措施防止工件的振动，而降低工件表面粗糙度值。

对薄壁工件而言：粗加工时背吃车量和进给量可取大些，背吃刀量一般在1～2mm之间。进给量一般在0.2～0.5mm/r。

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。

（2）、刀具的几何角度

加工薄壁工件时，合理的刀具几何角度对车削时产生的切削力大小，切削热变形都很重要，通常我们可以选用硬质合金或高速钢刀具，例如YW1、YW2、YH1、YH2等。为了保证加工质量和生产效率，也可选用专用精密加工设计的刀具。如：超微粒硬质合金PVD涂层刀具和金属陶瓷类PVD涂层刀具等。

（1）、前角

前角是前刀面与基面的夹角，前角的大小影响切削刃的锋利和切削刃强度。前角增大会使切削变形和摩擦力均减小，但前角不能太大，否则会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱造成崩刃。硬质合金刀加工钢料薄壁零件时前角ro=10～20度。粗车时取小值，精车时取大值。

（2）、后角

后角是主后面与切削面之间的夹角，作用是减小切削时主后面与工件的摩擦控制刀刃的强度和锋利程度。后角通常取2～12度。粗车取小值，精车取大值。

（3）、主偏角

主偏角是主切削刃与进给运动方向的夹角，影响径向切削力的大小，在切削力相同时主偏角小加工工件时刀具的径向切削力显著增大，在加工细长轴时容易将工件顶弯，这时主偏角又选60～75度的刀具。主偏角在75～90度时，主切削力随主偏角的增大而增大。通常主偏角在60～75度时主切削力较小。

（4）、刃倾角

刃倾角是主切削刃与基面之间的夹角。作用是影响切屑流向和刀头强度。实验表明，当刃倾角增大时，使轴向切削力增大，径向切削力减小。

（5）、镗孔刀杆悬伸距

减小刀具伸出长度，刀具伸出长度越大加工时工件变形就越大，加工时处在不断变化中，刀具的径向跳动就会随之变化，从而导致工件加工表面不光滑，刀具伸出长度减小20%，刀具的径向跳动会减小50%。

镗孔刀杆悬伸距大，钢性差，容易产生振动。因此加工薄壁零件孔时，应尽可能增加刀杆强度，同时为了容易排屑，在车刀前面开断屑槽或卷屑槽，在合适的刃倾角下控制切屑排出方向。

5、减小加工中的振动

加工薄壁工件時，变形与振动相互影响，使工件变形更大影响工件加工精度。虽然振动不可能完全消除，但必须采取相应的措施来减小它。

（1）、调整机床各部件，使机床处于最佳状态。

（2）、使用一些吸振的材料

我们可以用一些吸振的材料，如软橡胶片、橡胶管等。填充或包裹工件后进行对工件的加工，有一定的减振或消振的作用。

通常我们这样操作，当薄壁工件内孔精加工完成后，精车外圆前将预先准备好的软橡胶片卷成筒状塞入工件孔内，当工件旋转时，在离心力的作用下橡胶片将贴紧孔壁，能阻尼减振并防止振动的传播。

五、针对本产品空心轴采取的措施

1、采用类似花盘类的专用卡具。利用螺栓轴向夹紧，在螺栓拉紧时拉力要均匀。

2、精加工余量减小，并多次切削。

通过改进装夹方式等措施，使产品达到图纸要求。

结论

本文针对薄壁工件难加工这个特点，从装夹方法、刀具几何角度、切削参数、机床性能和切削力等方面进行全面分析，优化加工方案。保证加工质量和尺寸精度，提高工作效率，对加工生产具有一定的参考价值，为加工同类零件提供借鉴。

参考文献：

[1]沈耿   薄壁件切削加工控制变形的工艺措施[J]工艺与工艺装备，现代制造工程    2003 、4：50

[2]刘学杰  薄壁零件加工的切削力模型分析与试验研究[D]南京航空航天大学    2008

[3]晏丙午  高级车工工艺与技能训练[M]北京  中国劳动社会保障出版社     2006 课题五薄壁套

[4]董光明    金工实习  第5版[M]徐州中国矿业大学出版社  2011 ：78-92

[5]高顶   金工实习   第4版[M]徐州中国矿业大学出版社    2006 ：85-96