提高薄壁零件加工精度的实践研究

提高薄壁零件加工精度的实践研究浙江省上虞市职教中心秦国尧（312300）摘要：本文从分析薄壁零件加工入手，指出此类零件加工存在的一些问题与不足。提出利用数控机床进行加工，来提高和保证加工精度。通过实例，分析工装、程序，解决生产实际问题。关键词：薄壁零件数控加工工装程序一、问题提出薄壁零件是指孔壁较薄的这一类零件。如一些套类零件等.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，加工精度高。在加工中极容易造成变形，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。影响薄壁零件加工精度的因素有很多，但归纳起来主要有以下几个方面：1、夹紧力的影响因工件壁薄，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、切削热的影响因工件较薄，切削加工时产生的切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制。从而影响工件的尺寸精度和形状精度。3、切削力的影响在切削力（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。4、热处理的影响热处理后，产生内应力，当工件加工完毕后，在内应力的作用下，产生变形，影响加工质量。影响薄壁工件加工精度主要因素如上所述，那么如何来保证和提高薄壁件的加工精度和效率呢？当然，薄壁零件的加工方法很多，但其加工精度一直是较难保证。我校在薄壁件加工过程中，采用数控车削的方式进行，效果良好。但必需对工件的装夹、刀具几何参数、程序的编制等方面进行正确安排和调试。从而有效地克服了薄壁零件加工过程中出现的变形等一些问题，确保加工精度。二、方法与措施（一）、工艺措施为改善和提高薄壁零件的加工质量，防止由于夹紧力、切削力等到因素的影响而产生变形，在工艺上可采取以下几点：1、为减少切削力和和切削热的影响，粗、精加工应分开进行，使粗加工产生的变形在精加工中得以纠正，对于壁厚很薄，加工中极易变形的工件，采用工序分散原则，并在加工时控制切削用量。并加以适当切削液，来减少热变形。2、为减少夹紧力的影响，在工艺上采用改变夹紧力方向的措施，将径向夹紧改为轴向夹紧。当只能采用径向夹紧时，应尽可能使径向夹紧力沿圆周均匀分布，如使用过渡套，弹性套等。3、为减少热处理的影响，热处理工序应安排在粗精加工阶段之间，并适当增加精加工工序的余量，以保证热处理引起的变形在精加工中得以纠正。（二）、零件工装分析：图2所示零件，是我校利用数控车床对外加工产品中难度较大的零件。采用的设备是利用了FAUNC系统的数控车床。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。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，螺纹单边部分厚度仅有2mm，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支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，从图纸上看出，关键是加工薄壁上的螺纹，其它要求不高。而车削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2mm，而且精度要求较高。这是该零件加工的关键。FAUNC系统螺纹编程指令有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，刀刃不容易损伤和磨损，产生的切削力较小，易排屑、散热好。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。2、加工步骤选定(1)、装夹毛坯15mm长，控制总长尺寸35mm平端面至加工要求；(2)、用φ18钻头钻通孔，粗、精加工φ20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；(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。程序如下：A、加工端面的内孔O111G00x100z100;定位至起刀点；S900M03;启动主轴900r/minT11；调１号镗孔刀和１号刀补；G00x18z5；定位G90x19z-36F100;x19.5；用圆柱切削循环，指令镗孔；x20.0F45；至规定尺寸；G00x18z100;x100z100；退刀M05；主轴停转T22；调2号外圆车刀和2号刀补；G00x50z5；定位至（50，5）；S700M03;启动主轴1000r/minG90x50z-5F100;x48.5；用圆柱切削循环，指令x48.0F45；至规定尺寸；G00X100z100；M05；M30；B、加工外园和螺纹O222G00x100z100；定位至起刀点；S1000M03；T22；G00X25Z5；G90X24Z-32F100；X23、805F45；G00x100；z100;定位至起刀点；M05T33调3号螺纹刀和3号刀补；S650M03;启动主轴650r/minG00x24z5G76P010160Q100R0.1用G76号螺纹车削M24X1.5部分螺纹G76x22.25z-32P975Q300F1.5G0x25z5G92x22.15z-28F1.5用G92螺纹切削循环精修螺纹；x22.10x22.05G00x100z100;定位至起刀点；M05主轴停转；M30程序结束。3、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。1夹具体图5专用夹具图中，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，直径略小于20mm，其圆锥度刚好与薄片工件上的φ20孔对应配合，使工件在夹具中定位及传递夹紧力；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。工件的定位：左端面为主要定位基面，限制3个自由度，夹具体右侧采用弹性定位和夹紧，对加工螺纹而言，在装夹过程中已限制了另外两个移动自由度，已满足该工序的加工要求。工件的夹紧：利用拉杆2右端的圆锥斜面，采用了斜楔夹紧方式，控制拉杆2的拉力，使圆锥斜面产生一定的径向力和一定的轴向力，来夹紧工件。4、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。5、切削用量选择(1)、内孔粗车时，主轴转速为900r/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900～1000r/min，为取得较好的表面粗糙度选用较低的进给速度F45，采用一次走刀加工完成；(3)、外圆粗车时，主轴转速为700～1000r/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1000r/min，进给速度F30～F45，采用一次走刀加工完成。6、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。但同时我们也看到,工件需要进行两次装夹,从效率这个角度上来说,还是增加不少的辅助时间。尽管我们采用两个工序,流水线作业,但工艺上还不是很完善,我们也在考虑,能否通过一次装夹来加工,提高效率,满足生产的需要。