薄壁零件的加工 急急急！！！！

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薄壁零件的车削加工
　　一、前言  
　　薄壁零件已日益广泛地应用在各工业部门，因为它具有重量轻，节约材料，结构紧凑等特点。但薄壁零件的加工是车削中比较棘手的间题，原因是薄壁零件刚性差，强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。为此对薄壁零件的装夹，刀具的合理选用，切削用量的选择，进行了大量的试验，为今后更好地加工薄壁零件，保证质量，提供了理论依据。  
　　二、装夹方式的改变  
　　图1所示为套类薄壁零件。它的内外圆直径差很小，强度当然就弱，如果在卡盘上夹紧时用力过大，就会使薄壁零件产生变形，造成零件的圆度误差。如果在卡盘上夹得不紧，在车削时有可能使零件松动而报废。夹紧力的大小，我们采取粗车时夹紧些，精车时夹松些来控制零件的变形。  

图1 套类薄壁零件
　　从图2中可以看到零件是在三爪自定心卡盘上装夹，零件只受到三个爪的夹紧力，夹紧力不均衡，从而使零件变形。如果将零件上的每一点的夹紧力都保持均衡，换句话说，就是增大零件的装夹接触面，而减少每一点的夹紧力。

图2 三爪自定心卡盘装夹

图3 开缝套筒装夹  
　　如图3所示，采用开缝套筒或扇形软卡爪，通过试验证明：后一种方法夹紧，零件的变形小，方法可行。
　　如果我们转移夹紧力的作用点，如图4所示，由径向夹紧改为轴向夹紧，通过试验分析：轴向夹紧力的正应力约为径向夹紧力的1/6，零件的变形很小，也可以说明轴向压紧方法有利于承载夹紧力，而不致使零件变形。  

图4 轴向夹紧示意图
　　三、选用合理的切削用量  
　　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，工件阻碍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》中可以知道:背吃刀量ap，进给量f，切削速度V是切削用量的三个要素。在试验中发现：
　　1) 背吃刀量和进给量同时增大，切削力也增大，变形也大，对车削薄壁零件极为不利。
　　2) 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，表面粗糙度值大，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。  
　　所以，粗加工时，背吃刀量和进给量可以取大些;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6-120m/min,精车时用尽量高的切削速度，但不易过高。合理选用三要素就能减少切削力，从而减少变形。
　　四、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、工件表面的微观质量都是至关重要的。刀具前角大小，决定着切削变形与刀具前角的锋利程度。前角大，切削变形和摩擦力减小，切削力减小，但前角太大，会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱，刀具散热情况差，磨损加快。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，刀具后角取6-12°,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。  
　　主偏角在30°-90°范围内、车薄壁零件的内外圆时，取大的主偏角。  
　　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。  
　　五、切削液对薄壁零件的影响  
用高速钢刀具粗加工时，以水溶液冷却，主要降低切削温度；精加工时，中、低速精加工时，选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，主要改善已加工表面的质量和提高刀具使用寿命硬质合金刀具，粗加工时，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相同，但应适当提高其润滑性能在车削过程中充分使用切削液不仅减小了切削力，刀具的耐用度得到提高，工件表面粗糙度值也降低了。同时工件不受切削热的影响而使它的加工尺寸和几何精度发生变化，保证了零件的加工质量。

如何提高薄壁零件的加工精度
因为具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，薄壁零件已日益广泛地应用在各工业部门。但薄壁零件的加工是比较棘手的，原因是薄壁零件刚性差、强度弱，在加工中极容易变形，不易保证零件的加工质量。如何提高薄壁零件的加工精度将是业界越来越关心的话题。

　　薄壁零件的加工问题，一直是较难解决的。薄壁件目前一般采用数控车削的方式进行加工，为此要对工件的装夹、刀具几何参数、程序的编制等方面进行试验，从而有效地克服了薄壁零件加工过程中出现的变形，保证加工精度。影响薄壁零件加工精度的因素有很多，但归纳直来主要有以下三个方面：

　　(1)受力变形

　　因工件壁薄，在夹紧力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度，如图1所示。

　　(2)受热变形

　　因工件较薄，切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制。

　　(3)振动变形

　　在切削力（特别是径向切削力）的作用下，很容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、形状、位置精度和表面粗糙度。



图1 夹紧力的影响

    既然影响薄壁件加工精的因素找到了，那么我们将如何提高薄壁零件的加工精度呢？接下来笔者将通过具体实例来介绍提高薄壁件加工精度和效率的措施。

     图2所示的薄壁零件，是我校用数控车床对外加工产品中难度较大的零件。采用的设备是配备了广州数控系统GSK980T的数控车床。为了提高产品的合格率，我们从工件的装夹、刀具几何参数、程序的编制等方面进行综合考虑，实践证明，有效提高了零件的精度，保证了产品的质量。



图2 示例零件

1. 工件特点分析

     从零件图样要求及材料来看，加工此零件的难度主要有两点：

     (1)因为是薄壁零件，螺纹部分厚度仅有4mm，材料为45号钢，而且批量较大，既要考虑如何保证工件在加工时的定位精度，又要考虑装夹方便、可靠。通常的车削都是用三爪卡盘夹持外圆或撑内孔的装夹方法来加工，但此零件较薄，车削受力点与加紧力作用点相对较远，而且还需车削M24螺纹，受力很大，刚性不足，容易引起晃动，因此要充分考虑如何装夹定位的问题。
(2)螺纹加工部分厚度只有4mm，而且精度要求较高。

     目前广州数控系统GSK980T螺纹编程指令有G32、G92、G76。G32是简单螺纹切削，显然不适合。G92螺纹切削循环采用直进式进刀方式，如图3所示，刀具两侧刃同时切削工件，切削力较大，而且排削困难，在切削时两切削刃容易磨损，在切削螺距较大的螺纹时，由于切削深度较大，刀刃磨损较快，从而造成螺纹中径产生误差，但由其加工的牙形精度较高。G76螺纹切削循环采用斜进式进刀方式，如图4所示，单侧刀刃切削工件，刀刃容易损伤和磨损，但加工的螺纹面不直，刀尖角发生变化，而造成牙形精度较差。

     从以上对比可以看出，只简单利用一个指令进行车削螺纹是不够完善的，采用G92、G76混用进行编程，即先用G76进行螺纹粗加工，再用G92进精加工的方式在薄壁螺纹加工中将有两大优点：一方面可以避免因切削量大而产生的薄壁变形；另一方面能够保证螺纹加工的精度。



图3 G92直进式加工



图4 G76斜进式加工

2. 优化夹具设计

　　由于工件壁薄，刚性较差，如果采用常规方法装夹，工件将会受到轴向切削力和热变形的影响出现弯曲变形，很难达到技术要求。为解决此问题，我们设计出了一套适合上面零件的加工的专用夹具，如图5所示。



图5 专用夹具

    其中，件1为夹具主体，材料为45号钢，左端被夹持直径为80mm，可用来夹持工件的内孔直径范围为20～30mm；件2为拉杆，材料为45号钢，直径为21mm，它刚好与薄片工件上的φ21孔对应配合，使工件在夹具中定位及传递切削力；件3为已加工完左端面和内孔的工件，装夹时要注意工件与夹具体1的轴向夹紧配合。小沟槽是在工件调头装夹后，为方便控制总长度而设计的，尺寸为5mm×2mm。

3. 刀具的合理选择

    (1)内镗孔刀采用机夹刀，缩短换刀时间，无需刃磨刀具，具有较好的刚性，能减少振动变形和防止产生振纹；

    (2)外圆粗、精车均选用硬质合金90°车刀；

    (3)螺纹刀选用机夹刀，标准刀尖角度，以便磨损时易于更换。
如何提高薄壁零件的加工精度

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（2006-03-01 20:21:37 ）
4. 加工步骤选定

    (1)装夹毛坯15mm长，平端面至加工要求；

    (2)用φ18钻头钻通孔，粗、精加工φ21通孔；

    (3)粗、精加工φ48外圆，加工长度大于3mm至尺寸要求；

    (4)调头，利用夹具如图2所示装夹，控制总长尺寸35mm平端面；

    (5)加工螺纹外圆尺寸至φ23.805；

    (6)利用G76、G92混合编程进行螺纹加工；

    (7)拆卸工件，完成加工。

5. 切削用量选择

    (1)内孔粗车时，主轴转速为500～600r/min，进给速度F100～F150，留精车余量0.2～0.3mm；

    (2)内孔精车时，主轴转速为1100～1200 r/min，为取得较好的表面粗糙度选用较低的进给速度F30～F45，采用一次走刀加工完成；

    (3)外圆粗车时，主轴转速为1100～1200 r/min，进给速度F100～F150，留精车余量0.3～0.5mm；

    (4)外圆精车时，主轴转速为1100～1200 r/min，进给速度F30～F45，采用一次走刀加工完成。

6. 所编制的加工程序

    我们根据以上分析，针对数控系统采用GSK980T所编制的加工程序如图６所示。




7. 加工时的几点注意事项

    (1)工件要夹紧，以防在车削时打滑飞出伤人和扎刀；

    (2)在车削时使用适当的冷却液（如煤油），能减少受热变形，使加工表面更好地达到要求；

    (3)要注意安全文明生产。

    通过实际加工生产，以上措施很好地解决了加工精度不高等问题，减少了装夹校正的时间，减轻了操作者的劳动强度，提高效率并保证加工后零件的质量，经济效益十分明显。本文所介绍的，只是针对某一具体的工件所采取的加工策略，虽然不具备普遍性，但还是希望能起到抛砖引玉的作用。



以上介绍和分析了当今国内外有关薄壁结构的高效铣削加工技术研究状况。目前，国内外对于薄壁结构的加工变形研究主要在静态分析方面，而对于薄壁结构的加工变形研究的动态分析还不成熟。当然，对于薄壁结构的高效铣削加工技术研究，可以从机床、夹具、刀具、工件以及切削参数与走刀路径等不同方面进行优化分析。
随着高速切削技术与有限元技术的进一步发展与完善，数控加工前期的工艺优化和质量保证研究工作日显突出。利用理论分析和实验相结合建立工件变形模型；通过模拟分析替代大量的实验研究工作来优化切削参数与走刀路径；根据批量生产的实际需要研究、开发新型刀具、夹具，努力提高机床的性能。薄壁结构的高效铣削加工技术定会得到较大的发展，薄壁结构的应用会更加广泛。


随着飞机性能要求的进一步提高，现代航空工业中大量使用整体薄壁结构零件。其主要结构由侧壁和腹板组成，结构简洁、尺寸较大、加工余量大、相对刚度较低, 故加工工艺性差。在切削力、切削热、切削振颤等因素影响下，易发生加工变形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工变形和加工效率问题成为薄壁结构加工的重要约束。为此，国内外学者针对铣刀的特殊结构与机床特性, 通过大量的理论分析和实验研究建立若干种动、静态铣削模型，利用有限元技术模拟分析刀具和工件的加工变形，并由此提出了一些有效的铣削方法，使薄壁件的加工技术有了一定的突破。本文概述了国内外关于薄壁结构的高效铣削加工技术, 并进行了分析讨论。
1 薄壁结构的侧壁加工
1.    充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案
应用高速切削技术加工薄壁零件的关键在于切削过程的稳定性。大量的实验工作证明, 随着零件壁厚的降低, 零件的刚性减低, 加工变形增大, 容易发生切削振颤，影响零件的加工质量和加工效率。J. Tlusty等人提出了充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案。其思想在于在切削过程中, 尽可能的应用零件的未加工部分作为正在铣削部分的支撑，使切削过程处在刚性较佳的状态。

(a)     
(b)     
图2 单轴铣削示意图     
图3 双轴铣削示意图
图1 薄壁( 侧壁) 加工示意图        
如图1所示，对于侧壁的铣削加工，在切削用量允许范围内，采用大径向切深、小轴向切深分层铣削加工，充分利用零件整体刚性(见图1(a))。为防止刀具对侧壁的干涉，可以选用或设计特殊形状铣刀，以降低刀具对工件的变形影响和干扰( 见图1(b))。
对于较深的型腔和侧壁的高效铣削加工，J. Tlusty等人在研究动态铣削的基础上，提出合理的大长径比刀具可以有效的解决该类问题。在较高的机床主轴转速和功率状态下，通过调整刀具的悬伸长度来调整机床—刀具—工件工艺系统的自然频率，利用凸角稳定效应(stability of lobe effects)，避开可能的切削振动，可用较大的轴向切深铣削深腔和侧壁。实验结果表明，该方法有较大的金属去除率和较高的表面完整性。
2.    平行双主轴加工方案
平行双主轴加工方案由日本岩部洋育等人提出。由于铣削力的作用，工件的侧壁会产生“让刀”变形(见图2)，因此，应用一个立铣刀很难实现薄壁零件的高精加工。常规的小进给量和低切深的方法虽然可以满足一定的加工精度, 但是效率比较低。平行双主轴方案可以有效的解决单一主轴加工零件的变形问题。该方法需要同时应用两个回转半径、有效长度及螺旋升角大小相同的立铣刀, 刀刃分别为左旋和右旋(见图3)。采用平行双主轴加工方案,由于工件两侧受力为对称力, 所以除了微量的刀具变形引起的加工误差以外, 工件的加工倾斜变形基本上可以消除。
采用平行双主轴加工薄壁零件, 有效的控制了薄壁零件的加工变形问题, 零件的加工精度和加工效率显著提高, 可以应用于简单形状的侧壁加工。但是其局限性也在于该方法仅能加工简单薄壁零件的侧壁, 而且对机床双主轴的间距有要求，结构复杂，不适合普遍采用。
2 薄壁结构的腹板加工
1.    带有辅助支撑的腹板加工
对于薄壁结构的腹板或较大的薄板加工, 关键问题就是要解决由于装夹力或切削力引起的加工变形。
Haruki OBARA等人提出的低熔点合金(LowMelting Alloy)辅助切削方案可有效解决薄板的加工变形问题。该方案指出，利用熔点低于100℃的LMA“U-ALLOY70”作为待加工薄板的基座，或者将 LMA浇注入薄壁结构型腔，也可以将LMA与真空吸管相配合组成真空夹具。通过浇注LMA，填补型腔空间，可大大提高工件的刚度，有效抑制了加工变形，在精铣时可实现加工壁厚达到0. 05mm。U-ALLOY70具有凝固时的膨胀特性，可以起到一定的填充装卡作用；而且其熔点为70℃，可以在沸水中熔融回收再利用。该方法不仅可以加工高精度的薄板，也可以加工高精度的侧壁。
2.    无辅助支撑的腹板加工
对于一个未附加辅助支撑或不能添加辅助支撑的薄壁零件腹板的加工, S. Smith 等人提出的有效利用零件未加工部分作为支撑的刀具路径优化方案可以有效的解决腹板的加工变形问题，其思想类似于第1章第1节介绍的充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案(见图4)。

图4 薄壁(腹板)加工示意图
例如在对一个带有腹板的矩形框体件加工中，铣刀从试件中间位置倾斜下刀，在深度方向铣到最终尺寸，然后一次走刀由中间向四周螺旋扩展至侧壁。实验研究表明，该方法较为有效的降低了切削变形及其影响，降低了由于刚性降低而能发生的切削振动的可能，零件的质量和加工效率也有了显著提高。
对于腹板的铣削加工，文献中介绍的工艺方法也值得参考。其具体方法如下：①刀具轨迹避免重复，以免刀具碰伤暂时变形的切削面；②粗加工分层铣削，让应力均匀释放；③采用往复斜下刀方式以减少垂直分力对腹板的压力；④保证刀具处于良好的切削状态。当然，该方法仅在走刀路径方面进行优化，还需结合其它方法(如使用真空夹具等)进一步控制加工变形。