数控机床市场网-专业的数控机床网站

      1 前言

      薄壁零件剛性差、易變形，難以保證加工精度。薄壁零件加工的變形問題,多少年來一直困擾著機械加工行業,是比較難以解決的課題。減磨環（如圖1）屬于典型的薄壁零件，壁厚為5.4mm，精度要求高，直徑公差僅為0.05mm。本文結合減磨環的加工對薄壁零件加工產生變形的原因進行了系統的分析，并提出了減磨環加工預防變形的工藝措施。

      2 薄壁零件加工變形的原因

      薄壁零件加工產生變形的原因很多,現主要從以下幾個方面分析:

      2.1 裝夾變形

      因零件壁薄，在裝夾過程中由于夾緊力過大或受力不均引起的變形從而影響零件的尺寸精度和形狀精度，所以必須選擇合理的裝夾方式。

      2.2 切削變形

      2.2.1 切削力變形

      在切削力（特別是徑向切削力）的作用下，很容易產生振動和變形，所以需要選用合適的刀具及切削參數，采用適當的輔助措施避免、減小由切削力引起的變形。

      2.2.2 切削熱變形

      由于零件本身材質和壁薄的特點，切削熱會引起零件的熱變形，使零件尺寸難以控制，所以控制切削過程中的發熱顯得至關重要。

      2.3 殘余應力變形

      毛坯經過熱成形后, 冷卻過程中產生內應力, 切削后內應力重新分布引起變形, 所以需要采用熱處理來消除內應力, 減小殘余應力引起的變形。

      通過對薄壁零件加工產生變形的原因進行分析，我們知道在加工減磨環的過程中需要采取各種工藝措施控制減磨環加工產生變形。

      3 薄壁零件加工變形的控制

      為控制減磨環加工變形，以下從零件裝夾、切削、殘余應力的角度控制加工變形。

      3.1 控制裝夾變形的方法

      3.1.1 扇形軟爪應用

      為了使零件裝夾時在圓周方向上受力均衡，需要增大夾具與零件的接觸面積。可以將三爪卡盤與零件的接觸面加寬，并且將其與零件接觸的面與零件夾緊面配車，這種夾緊裝置即所謂的扇形軟爪。由于扇形軟爪與零件的接觸面配車而成，夾緊時可以充分接觸，使零件的受力均衡并具有很好的同心度，而且零件的裝夾也快捷方便。但扇形軟爪的應用不能完全避免變形的產生。

      在減磨環半精車時，我們考慮使用扇形軟爪裝夾工件以減小變形。經過多次工藝試驗，我們發現減磨環的圓度值在0.05mm 左右，符合我們試驗初期的設想。所以確定半精車工序選用扇形軟爪裝夾工件（如圖2）

      3.1.2 軸向夾緊裝置

      如果加工過程中將零件徑向夾緊改為軸向夾緊，即轉移夾緊力的作用點和方向，零件所需的軸向夾緊力約為徑向夾緊時夾緊力的1/6，可見采用軸向夾緊的方式利用很小的夾緊力即可實現零件的可靠裝夾，更有利于減小夾緊力，從而減小零件的變形。有時為了實現軸向夾緊需要設置工藝凸臺來裝夾零件。

      減磨環精車作為最終成型工序，如果不能很有效的控制變形（即把變形控制在0.02mm 內），加工將面臨失敗。所以在減磨環精車工序，我們選擇軸向夾緊以有效控制變形。為驗證軸向夾緊的效果，我們做了多次工藝試驗。試驗結果證明軸向夾緊可以有效控制變形（外圓圓度在0.01mm 左右）。

      3.2 控制切削變形的方法

      3.2.1 刀具的選擇

      減磨環為鑄鐵件HT300，硬度較高。殘余應力管理技術(RSM)，從不同的角度討論減小殘余應力的方法，對于刀具前角，前角每增加1 度，切削溫度及切削力會降低10％。在刀具耐用度允許的情況下，選用較大的刀具前角和后角有利于減小切削力。刀具主偏角影響切削的徑向力。

      綜合考慮我們選擇山特維克CCMT 09 T3 04-WF 3215 刀片。刀具的前角為正前角，后角為7°，主偏角為93°。

      3.2.2 切削參數的選擇

      切削速度的選擇

      對于金屬切削加工來說, 提高切削速度是提高加工效率減少振動的有效手段。但是對于薄壁零件的加工, 切削速度在一定程度上影響切削力的大小, 從而影響加工變形的大小, 因此, 需要對切削速度進行優化選擇。

      根據選擇的刀具和減磨環的材料特性，我們選擇200m/min 的切削速度。切削深度的選擇削深度對加工振動的影響很大, 切削深度對切削振動的影響也不一樣, 在滿足加工效率的同時, 選擇小的切削深度會降低零件的振動, 使加工較為平穩。結合刀尖半徑0.4mm，為保證減磨環表面粗糙度和減小振動，我們選擇0.3mm 的切削深度。

      進給速度的選擇

      切削力會隨著進給速度的增大而增大,機床的動態柔度特性也可能改變，從而使得加工的穩定性也受到同樣的影響。因此,需要對進給速度進行優化選擇。綜合刀具、減磨環材質、表面粗糙度和精度的要求我們選擇0.2mm/r 的進給速度。

      3.2.3 切削液的選擇

      零件在加工過程中產生的切削熱是導致零件變形及影響表面質量的因素之一，所以在零件的切削加工過程中應該進行充分的冷卻。合理選擇切削液可以減小刀具與零件之間的摩擦，改善切削條件，并且帶走切削區域大量的切削熱，使切削溫度降低，切削液的流動還可沖走切削區域和機床導軌上的細小切屑及脫落的磨粒。

      鑄鐵件通常不需要切削液，但為了降低減磨環加工的切削溫度，我們選擇了半合成切削液。該切削液具有良好的防銹、潤滑、清洗、冷卻性能，顯著提高了加工精度。

      3.3 控制殘余應力變形

      零件在加工過程中，因應力釋放極易變形，工藝方法常采用粗、精加工分開進行，并在粗加工后進行去應力處理，即采用粗加工～去應力熱處理～精加工的流程。對于變形嚴重的高精度零件，還要安排半精加工，并進行多次去應力處理。

      針對減磨環，我們在毛坯、粗車、半精車、精車之間安排了三次去應力處理（分別為去應力退火、回火去應力、回火去應力）。三次去應力處理盡可能地釋放了毛坯、粗車、半精車工序產生的殘余應力，保證了最終精車的精度。

      3.4 控制薄壁零件加工變形方法的工藝固化

      隨著數控機床的普及應用，許多控制薄壁零件變形的措施得以用程序固化，避免了因操作者的穩定性而出現質量差異的情況。因此在減磨環的加工過程中我們使用了數控車床、專用夾具，編制了作業指導書等措施。這些措施有效地保證了工藝過程的穩定性。

      4 結論

      以上是針對減磨環加工采取的工藝方案，經實踐證明該方案是行之有效的。