魏小兵

（江蘇省常州技師學(xué)院，江蘇 常州 213000）

目前，我國(guó)綜合國(guó)力不斷增強(qiáng)，工業(yè)水平正從工業(yè)大國(guó)向工業(yè)強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)大步邁進(jìn)。在我國(guó)工業(yè)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，薄壁零件被廣泛應(yīng)用。薄壁零件一般是指壁厚小于3 mm 的零件，因其重量輕、材料省、結(jié)構(gòu)緊湊，所以被廣泛應(yīng)用于航空零部件、精密測(cè)量零部件、軍用產(chǎn)品零部件中。薄壁零件的制造技術(shù)也隨著其廣泛應(yīng)用變得越來(lái)越成熟，但相比于西方的制造技術(shù)還存在較大的差距。由于薄壁零件的剛性差，夾持過(guò)程中的夾持力難以確定。夾持力太小，加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生大量的切削熱；夾持力太大，又會(huì)導(dǎo)致零件夾持變形，影響零件尺寸、形狀精度及表面粗糙度。部分薄壁零件在加工中還會(huì)出現(xiàn)體積膨脹或縮小，伴隨著扭曲和彎曲變形，導(dǎo)致加工質(zhì)量難以得到保障，加工效率低[1]。為了改善薄壁零件加工制造的工藝難點(diǎn)，筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)和研究，就如何在數(shù)控加工中改善加工工藝，解決在薄壁零件加工中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出改善性意見，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)際加工驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了薄壁零件的加工工藝改進(jìn)，提高了薄壁零件產(chǎn)品的加工效率。本文以航空飛機(jī)中的管類零件為例，探析影響薄壁零件加工質(zhì)量和效率的因素及改善措施，該零件采用304不銹鋼為毛坯，管的外徑為52 mm，薄壁厚度為2 mm，長(zhǎng)度為248 mm。

1 工藝變形

工藝變形是指因工藝原因產(chǎn)生的變形問(wèn)題。304 不銹鋼材料的韌性和塑性較高，但裝夾剛性差，容易產(chǎn)生扭曲變形、圓度及平面度誤差。根據(jù)該管狀零件的尺寸可以看出，該零件的外徑較大，零件比較薄，管體長(zhǎng)度較長(zhǎng)，容易在外部作用力下產(chǎn)生橢圓扭曲變形。在加工中，因其存在形位公差要求，需要在一次裝夾中完成管內(nèi)和管外的數(shù)控車削加工。在管內(nèi)加工中，刀具切削產(chǎn)生的切削力較大，內(nèi)部會(huì)形成較大的制造殘余應(yīng)力，使得工件產(chǎn)生彈性變形。此外，因工件加工時(shí)懸伸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采用三爪卡盤加工時(shí)剛性較差，會(huì)產(chǎn)生較大的夾緊力，導(dǎo)致工件產(chǎn)生加工變形，即使采用輔助裝夾也不可避免。

1.1 工藝變形原理

薄壁零件產(chǎn)生扭曲變形的原因是受力不均勻。經(jīng)過(guò)前期研究，本課題采用測(cè)力儀分別測(cè)量了零件在軸向和徑向裝夾中的受力大小，還原了加工變形產(chǎn)生時(shí)該零件軸向和徑向的受力情況，并進(jìn)行了有限元分析。根據(jù)薄壁零件軸向裝夾和徑向裝夾時(shí)產(chǎn)生的變形情況分析，數(shù)控加工時(shí)，工件在徑向裝夾狀態(tài)下受到的變形扭曲力大于軸向裝夾狀態(tài)下受到的變形扭曲力，其峰值位于工件的末端部位；而在軸向裝夾狀態(tài)下受到的變形扭曲力的峰值位于工件的中段，但受力的大小只有徑向裝夾下受力的一半。將這兩種裝夾狀態(tài)下零件受到的變形扭曲力進(jìn)行比較，徑向裝夾狀態(tài)下的最大變形扭曲力是軸向裝夾狀態(tài)下的四倍，并通過(guò)計(jì)算可以得到工件徑向裝夾狀態(tài)下的變形量是軸向裝夾狀態(tài)下的十倍左右。在以上分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本課題還對(duì)軸向狀態(tài)和徑向狀態(tài)下的扭曲變形和應(yīng)力大小進(jìn)行了有限元分析。裝夾時(shí)，三爪卡盤對(duì)工件的端口施加了一定的夾緊力，由于夾緊力和零件材料產(chǎn)生的抗力及刀具切削時(shí)產(chǎn)生的徑向力位于同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，導(dǎo)致工件局部彎曲，其中間部位部分徑向突出，產(chǎn)生鼓形變形[2]。工件靠近三爪卡盤的一側(cè)產(chǎn)生了較大的彈性變形，在軸向力的作用下，末端部位向外膨脹，靠近端部的回轉(zhuǎn)面產(chǎn)生徑向凹陷，表明此處產(chǎn)生了較大的變形應(yīng)力。

1.2 優(yōu)化裝夾方式解決變形問(wèn)題

常規(guī)數(shù)控加工和普通三爪卡盤裝夾零件容易產(chǎn)生較大的扭曲變形，可通過(guò)設(shè)計(jì)專用夾具對(duì)工件內(nèi)外成型面進(jìn)行差異化制造。內(nèi)輪廓可以選用4 根軸向均勻分布的拉桿來(lái)固定工件的端面，在止口端形成面接觸，并保證與外輪廓間有小的空隙；在加工制造外輪廓時(shí)可利用螺桿進(jìn)行工裝，保證端面環(huán)狀壓板的緊固，并與工件端面有較好的接觸，同時(shí)保證與內(nèi)輪廓面間保留較小的空隙。這種采用4 根拉桿和環(huán)狀壓板進(jìn)行薄壁零件工裝的方法，再加上螺桿和端面壓板的協(xié)同工裝，可以保證工件加工精度的統(tǒng)一性，減少工序復(fù)雜造成的精度誤差，同時(shí)還避免了多次裝夾導(dǎo)致的裝夾力不確定性變化，有效保證工件在加工中的均勻受力，減少扭曲變形的產(chǎn)生。此外，利用有限元分析的受力結(jié)果顯示，環(huán)形壓板對(duì)工件的止口端面作用了軸向力，此時(shí)必須保證環(huán)形壓板的內(nèi)側(cè)面對(duì)工件的外輪廓口產(chǎn)生作用力，避免受力集中和變形。鑒于此，受力分析后環(huán)形壓板的內(nèi)側(cè)面要進(jìn)行預(yù)開槽，通過(guò)控制開槽大小對(duì)工件加工中的工裝夾緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用公式對(duì)夾緊力產(chǎn)生的扭矩進(jìn)行計(jì)算，保證夾具的夾緊力達(dá)到夾緊工件的需求即可[3]。通過(guò)以上夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，放棄了原有的三爪卡盤的通用夾具，而采用組合專用夾具進(jìn)行工裝，并結(jié)合公式計(jì)算出的夾緊力產(chǎn)生的扭矩大小，成功完成了該零件的粗加工到精加工的工藝流程，最后將加工得到的零件進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)平面度為-0.02mm～0mm，圓度誤差為-0.02mm～-0.07mm。由此可以表明，經(jīng)過(guò)受力分析并對(duì)工裝進(jìn)行優(yōu)化后，能有效降低薄壁零件加工中的受力變形，提高薄壁零件的制造質(zhì)量和效率。

2 受熱變形

切削熱是所有切削加工中都會(huì)產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，熱量來(lái)源于切削過(guò)程中刀具和毛坯材料間的摩擦。切削熱會(huì)使得刀具和工件的溫度升高，溫度升高容易引起摩擦系數(shù)的上升和積屑瘤的產(chǎn)生，最終影響刀具的使用壽命，工件的表面粗糙度會(huì)變差，彈性變形增加。在薄壁零件加工中，切削熱是薄壁零件產(chǎn)生受熱變形的重要因素，受熱后會(huì)產(chǎn)生整體變形和局部變形。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，切削熱的產(chǎn)生主要是受到切削用量、刀具幾何參數(shù)和切削液的影響。

2.1 分析薄壁零件特點(diǎn)，合理安排切削用量

切削用量即切削三要素：切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量。其中切削速度對(duì)切削熱的產(chǎn)生影響最大，熱量會(huì)隨著切削速度的上升而增多，當(dāng)達(dá)到額定的速度后繼續(xù)加速，切削溫度會(huì)急劇上升。次之是進(jìn)給量，但它對(duì)溫度的影響遵循一定的規(guī)律。進(jìn)給量為0.1 mm/r 以下時(shí)，切削熱產(chǎn)生較少，溫度保持恒定狀態(tài)；進(jìn)給量為0.1 mm～0.2 mm/r時(shí)，切削溫度與進(jìn)給量呈正比例關(guān)系；當(dāng)進(jìn)給量上升到0.3 mm/r時(shí)，切削熱會(huì)急劇增加。對(duì)切削熱影響最小的是背吃刀量，背吃刀量增加，會(huì)使切屑的寬度增加，而切屑帶走的熱量也會(huì)相應(yīng)增加，使得停留在工件表面的熱量不會(huì)劇烈增加。通過(guò)切削三要素對(duì)熱量產(chǎn)生的單因素實(shí)驗(yàn)可知，粗精加工時(shí)，切削速度在100～120 m/min時(shí)產(chǎn)生的熱量穩(wěn)定，不易導(dǎo)致熱變形[4]。進(jìn)給量保持在0.1 mm～0.2 mm/r 時(shí)，工件表面溫度穩(wěn)定，變形較小。背吃刀量在粗加工2 mm、精加工0.2 mm～0.5 mm時(shí)，產(chǎn)生的熱量在工件變形溫度承受范圍中。

2.2 按照工藝要求，選擇合適的刀具

薄壁零件加工中，選擇刀具尤為重要。對(duì)于本課題中的航空零件，由于材料為304 不銹鋼，一般用YG8、YG813或者W1、W2系列牌號(hào)的刀具進(jìn)行加工。合理選擇刀具，幾何角度對(duì)切削過(guò)程中的切削力和產(chǎn)生的熱變形及表面質(zhì)量都有很大的影響。刀具前角的大小對(duì)應(yīng)刀具的鋒利程度和散熱狀態(tài)，一般前角大，則刀具鋒利，切削力和摩擦較小，切屑能帶走大量的熱量，但刀具的散熱慢，刀具壽命低；反之則切削力大，工件熱量高，但刀具壽命高。本課題中的材料是304 不銹鋼，且為薄壁零件，選用YG8 類數(shù)控刀具，刀具前角為5°～30°較好。粗加工時(shí)可選擇較小的前角，精加工則選擇較大的前角，保證薄壁零件在精加工時(shí)受到較小的切削力。刀具的主偏角對(duì)刀具的受力影響較大，主要決定著軸向切削力和徑向切削力的大小。主偏角大，徑向切削力小但軸向切削力大；主偏角小，徑向切削力大而軸向切削力小[5]。加工304 不銹鋼材料時(shí)主偏角選擇75°～90°較好，粗加工時(shí)可選擇75°的主偏角刀具，精加工時(shí)可選擇較大的主偏角。

2.3 選擇合理的切削液，保證充分散熱

304 不銹鋼塑性大，溫度稍微升高，變形就會(huì)產(chǎn)生。切削液在304薄壁零件加工中非常重要，其主要作用是降低刀具和工件在加工時(shí)的溫度，減少變形。采用油性冷卻液對(duì)提升304 不銹鋼薄壁零件的表面質(zhì)量較好。為改善刀具的切削性能，避免積屑瘤的產(chǎn)生，還可在切削液中添加抗膠合劑，阻斷高溫?cái)嘈寂c刀具的黏合。根據(jù)加工中的實(shí)際情況，本課題采用了不同材料的冷卻液進(jìn)行了相同切削三要素下的切削研究，結(jié)果顯示選擇油性冷卻液生產(chǎn)的零件質(zhì)量及變形要好于選擇乳化液冷卻液。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了薄壁零件的數(shù)控加工中切削三要素、工藝方法、切削熱、冷卻液等原因?qū)α慵冃萎a(chǎn)生的影響，并對(duì)產(chǎn)生影響的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析，選擇了合理的切削三要素加工數(shù)值。工藝裝夾中主要研究了夾具工裝對(duì)薄壁零件的軸向扭曲變形的影響，結(jié)合研究結(jié)果提出了薄壁零件的專用夾具工裝方法。研究切削熱對(duì)工件變形的影響時(shí)，分析了刀具幾何角度、切削用量、切削液對(duì)變形的影響，并進(jìn)行了優(yōu)化選擇，選擇的所有最佳參數(shù)在加工本課題的304薄壁零件時(shí)都產(chǎn)生了較好的切削質(zhì)量，變形要求也在零件允許的公差范圍中，本次研究達(dá)到預(yù)期效果。