一剂良药，专治薄壁类零件的“疑难杂症”

jiajoin · 发表于 2018-2-23 10:24:04

众所周知，作为加工零件中的“老大难”，薄壁零件因刚性差，在加工中容易因为零件的形位误差增大而不易保证零件的加工品质。车削薄壁零件时，由于零件的刚性差，薄壁件的变形通常表现为体积的胀大或缩小，同时在加工的过程中伴随着弯曲、扭曲、椭圆、翘曲等变形。今天给大家分享一篇文章，相信看完之后，再次遇到薄壁类零件时夹具老铁们会更加胸有成竹。

一、影响薄壁件加工精度的因素

影响薄壁件加工精度的因素主要有两方面：

①由于工件壁薄，由工件、刀具和夹具组成的切削系统刚性较差，装夹工件时，在夹紧力的作用下极易产生变形。切削加工过程中易产生切削振动，在切削力，特别是径向切削力即背向力的作用下，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。

②由于工件壁薄，切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制。特别是对于线膨胀系数较大的金属薄壁零件，如果在一次安装中连续进行粗车、半精车、精车，由于切削热引起的零件热变形，会对尺寸精度产生极大影响，有时甚至会使零件卡死在夹具上。

图1 薄壁类零件

为防止和减少薄壁零件变形，可以采取如下的工艺措施: 采取工件分阶段加工可减少工件热变形对加工精度的影响；采取增加装夹接触面和采用轴向夹紧夹具，为减少工件装夹变形，同时还应合理选择刀具几何参数和合理选用切削用量。

二、示例：薄壁零件的加工工艺分析

2.1:零件的工艺分析

如图1所示薄壁套零件，材料为45号无缝钢管(d70×7)，零件外圆直径尺寸分别为

mm，内孔直径尺寸为

mm，壁厚为2mm，长度尺寸为40mm，

mm外圆的圆度误差小于0.02mm，其对于孔

mm的同轴度误差小于0.02mm，整个零件直径尺寸精度和形位精度及表面粗糙度都要求很高。

图2 薄壁套

从零件图样要求及材料来分析壁厚为2mm，属于典型的薄壁零件，材料为45钢。该零件的刚性较差，夹紧力太小，在切削力作用下，工件易晃动，夹紧力过大，工件变大。因此需要充分考虑装夹定位的问题。如果采用常规方法装夹及加工工件，将受到轴向切削力和热变形的影响，工件会出现弯曲变形，很难达到技术要求。

2.2:加工工艺

①用三爪卡盘装夹，找正工件。粗车零件各直径尺寸留1mm半精车和精车余量；

②用镗孔刀半精车和横刃精车刀精车

mm内孔至尺寸要求；

③倒角及去毛刺；

④切断，保证总长40mm；

⑤用可胀锥度套胀紧夹具装夹薄壁套，分别用外圆精车刀和横刃精车刀来半精车和精车外圆部分，至尺寸要求。

三、专用夹具的结构和使用方法

根据粗、精加工分开原则，加工顺序采用先粗车，再半精车，外圆留1mm余量，最后精车外圆。通过对该零件的结构工艺分析可知：在精车外圆时，零件在装夹力、切削力、切削热作用下易产生变形，加工精度难以保证。为解决这一难题，设计了薄壁套零件加工的车床夹具——可胀锥度套胀紧夹具，如图3所示。当粗加工完成、内孔精加工结束后，采用该夹具以工件的内孔作为定位基准面来进行工件外圆的半精加工和精工。

图3 可胀锥度套胀紧夹具

该夹具由锥度心轴、可胀锥度套、弹簧、锁紧螺母、垫圈组成。锥度心轴(见图4)为夹具主体，材料为65Mn。安装时，将锥度心轴左端用莫氏6号圆锥柄安装在车床主轴锥中，并用螺栓杆拉紧。再依次安装弹簧、可胀锥度套、垫圈和锁紧螺母。其中，锥度心和可胀锥度套是以1: 30内外锥面配合。垫圈的两端面应平行，一般应经过磨削。必要时可采用球面垫圈。加工前拧紧锁紧螺母，从而推动可胀锥度套在锥度心轴上左移，使可胀锥度套沿圆周均匀涨开，实现了工件与可胀锥度套之间的无间隙可靠夹紧，保证了零件的加工精度。零件加工结束后，只需松开锁紧螺母，可胀锥度套在弹簧力的作用下向右移动并且产生径向收缩，将加工好的工件取下。

图4 锥度心轴

1-锥度心轴 2-工件 3-弹簧 4-可胀锥度套 5-垫圈 6-锁紧螺母

四、可胀锥度套零件的设计

在整套夹具中，可胀锥度套起着重要的作用，可胀锥度套的涨开与收缩控制着工件的夹紧与放松。如图4所示，可胀锥度套圆周上开有6条对称分布的槽，可胀锥度套的内孔采用1∶30的锥度与锥度心轴进行配合，可以有效保证弹性套能迅速涨开和收缩，并且使工件的圆周受力均匀。使工件与可胀锥度套之间能无间隙可靠夹紧，保证了零件的尺寸精度。为提高可胀锥度套的使用寿命，零件采用65Mn材料制造经淬火处理，硬度可达到HRC55～58，然后与锥度心轴配磨，再进行线切割开口。

图5 可胀锥度套

五、加工参数的合理选择

5.1:切削用量的选择

减少切削加工中的切削力是防止和减少薄壁零件变形的有效工艺措施。切削用量三要素的合理选择能减少切削力，从而减少变形，能有效的保证零件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度，因此如何优化切削用量三要素成为切削加工的关键。薄壁套零件在粗加工时，背吃刀量ap和进给量f可以取大些；精加工时，背吃刀量ap控制在0.2~0.3mm，进给量f 取0.1～0.2mm/r甚至更小，切削速度VC取3m/min～5m/min。

5.2:刀具参数的选择

增大刀具的前角γ和后角α能减小切削时产生的塑性变形，减少后刀面与加工表面之间的摩擦。同时，大前角刀具的切削刃锋利，能切下很薄的切屑层，提高工件表面品质，但过大的前角γ和后角α，会使车刀的楔角β过小，从而降低刀尖的强度，加速刀具的磨损，所以必须合理的选择刀具的几何参数。薄壁套零件，材料为45号钢，可以采用YT30硬质合金刀具，刀具的前角γ取5°～20°；刀具的主偏角κ对切削力的影响较大，为减小切削力，可以选取较大的主偏角，取75°～90°。

结语

可胀锥度套胀紧夹具利用可胀锥度套消除工件径向夹紧变形的问题，实现了夹具与工件之间无间隙配合，具有夹紧可靠、定位精度高、工件装夹方便、使用寿命长等特点。采用该夹具实际加工薄壁套零件，加工过程平稳，无噪音。经检验，同轴度、圆度误差在0．02mm内，精度完全符合工件的工艺要求。同时减少了装夹校正的时间，降低了操作者的劳动强度，提高了生产效率。