如何提高薄壁零件的加工精度

摘要：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.
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：
图1 夹紧力的影响
图2 示例零件
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。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。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。
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。 一、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： 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。 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。

图3 G92直进式加工
图4 G76斜进式加工
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。
二、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。 三、刀具的合理选择
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； 外圆粗、精车均选用硬质合金90°车刀； 螺纹刀选用机夹刀，标准刀尖角度，以便磨损时易于更换。
表 针对GSK980T的加工程序 程序内容 程序说明 34 G00 X200 Z50 定位至起刀点 S1 M3 启动主轴，转速560r/min T0101 调用1#镗孔刀 G00 X16 Z5 定位至(16，5) G71 U0.8 R0.3 G71外圆车削循环，
对内孔f21进行粗加工 G71 P1 Q2 U-0.5 W0 F100 N1 G0 X21.4 G1 Z0 F40 X21 Z-0.2 N2 Z-37 G0 X200 Z50 M5 回至起刀点，主轴停止 M0 程序停止 M3 S1 主轴启动，转速560r/min G0 X16 Z5 定位至(16, 5) G70 P1 Q2 G70精车循环N1～N2 G0 X200 Z50 定位至起点 G90 X50 Z-6 F100 G90外圆车削循环 X48 车至f48 G0 X100 Z100 M5 回到起刀点，主轴停止 M0 程序停止，零件调头并装夹 T0202 调用2#外圆精车刀 M3 S1 主轴启动，转速1120r/min G00 X50 Z2 定位至(50, 2) G71 U2 R0.5 G71外圆车削循环，
对螺纹外圆进行粗加工 G71 P3 Q4 U0.5 W0 F100 N3 G0 X21.805 G1 Z0 F50 X23.805 Z-1 N4 Z-32 G0 X100 Z100 M5 回到起刀点，主轴停止 M0 程序停止 M3 S2 主轴启动，转速1120r/min G00 X50 Z2 定位至(50, 2) G70 P3 Q4 精车N3～N4内容 G0 X100 Z100 回换刀点(100, 100) T0404 调用4#螺纹刀 G0 X25 Z5 定位至(25, 5) G76 P010160 Q300 R0.1 G76螺纹车削循环
车削M24×1.5螺纹部分 G76 X22.25 Z-28 P975 Q100 F1.5 G0 X25 Z5 定位至G76同一螺纹加工起点 G92 X22.15 Z-28 F1.5 G92精修螺纹 X22.05 X22.05 G0 X100 Z100 M5 返回起点、停主轴 M30 程序结束
加工步骤选定 装夹毛坯15mm长，平端面至加工要求； 用f18钻头钻通孔，粗、精加工f21通孔； 粗、精加工f48外圆，加工长度大于3mm至尺寸要求； 调头，利用夹具如图2所示装夹，控制总长尺寸35mm平端面； 加工螺纹外圆尺寸至f23.805； 利用G76、G92混合编程进行螺纹加工； 拆卸工件，完成加工。 五、切削用量选择
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； 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； 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； 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。 六、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表所示。(部分略) 七、加工时的几点注意事项
工件要夹紧，以防在车削时打滑飞出伤人和扎刀； 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； 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。