影响薄壁零件加工精度的因素及工艺探讨

影响薄壁零件加工精度的因素及工艺探讨
作者：周旭阳
来源：《中国科技博览》2019年第05期
[摘要]一直以来，在零件的加工过程中，薄壁零件是决定了零件的加工精度的。

薄壁零件具有刚性差以及强度弱的特点，因此为了解决薄壁零件在切削加工中容易出现变形的问题，就需要找到影响薄壁零件加工精度的主要因素，这样才可以找到有效的工艺措施，为实际的应用提供参考价值。

[关键词]薄壁零件加工精度工艺探讨
中图分类号：R61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0099-02
引言
薄壁零件凭借本身结构紧凑、质量轻巧、节约材料等特点，在机械工程中得到广泛的应用。

但是因为薄壁零件本身是由侧壁和腹板共同组成的，不但结构的刚度较低，同时其加工工艺性也很差，所以无法确保其加工精度，最终会影响零件的使用性能。

所以如何才能提升其加工精度，就成为我们需要思考的问题。

1.影响薄壁零件加工精度的因素
加工精度是零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数相符合的程度。

薄壁零件加工中主要问题即加工变形问题，产生原因很多，与零件材料，零件结构以及生产条件等都有很大关系，主要表现在以下几个方面：
1.1毛坯因素影响
薄壁零件材料选择范围较广，根据实际产品加工毛坯可以为塑料、不锈钢等材质。

塑料、铝等材料自身刚性较低，加工过程中极易发生变形；同样，毛坯本身的形状误差，加工后也会映射到成品上。

1.2切削热及切削力的影响
零件在加工过程中在切削力的作用下，将在各个受力方向产生相应变形，但影响最大的是误差敏感方向。

车加工中，薄壁零件误差敏感方向主要为径向。

车刀加工过程中对侧壁产生挤压，导致加工过程中受力部分变形。

薄壁零件的铣削加工主要采用立铣。

零件在切削力的作用下，工件的侧边会发生“让刀”的现象。

如图1所示，薄壁零件上部刚性差，在加工过程中受切削力的作用产生弹性变形，A，C两点发生偏移，刀具仅仅切除A1，B，C，D部分的材料。

加工完成后，零件弹性恢复，加工过程中的让刀产生残留部分造成加工误差。

而对于薄板的铣
加工，虽然加工中采用了真空吸盘，但在切削力的作用下，刀具和薄壁件的切削屏幕都不在正确位置上。

加工过程中，加工系统内部的摩擦热、切削热和外部的环境温度、阳光辐射等都会对零件产生影响。

机床在加工过程中受热会导致主轴热变形，渐而影响加工精度。

切削热是造成薄壁零件加工热变形的主要因素。

切削速度、进给量都会影响切削热。

因工件较薄、切削热会引起工件热变形，从而使工件尺寸难以控制。

对于线膨胀系数较大的金属薄壁工件，如在一次安装中连续完成半精车和精车，由切削热引起工件的热变形，会对其尺寸精度产生极大影响，有时甚至会使工件卡死在夹具上。

1.3装夹的影响
零件必须装夹在机床上才能进行加工，装夹过程中产生的夹紧力对薄壁零件的影响也比较明显。

夹紧力发生在零件与夹具的接触区域上。

理想的夹具不应该产生任何变形，但薄壁零件刚性不足，且多数情况想，夹具的制造或设计不合理。

因此，工件在夹紧力作用下发生变形。

除了以上这些因素外，加工中产生的残余应力、机床自身刚度等都会对薄壁零件加工产生影响。

薄壁零件加工中易受加工因素根本原因主要还是自身刚性不足，零件弹性变形造成。

如图2影响薄壁件加工的因素简图：
2.提升薄壁零件加工质量的方法
通过分析可得影响薄壁零件加工精度的因素归根结底有一下三方面：（1）加工过程中受力变形：薄壁零件因自身刚性差，加工过程中易受切削力，夹紧力等的影响，导致零件变形无法达到加工精度；（2）受热变形：因零件壁薄，切削热引起零件热变形，使得加工过程零件尺寸难以控制；（3）振动变形：零件在加工过程中，在切削力（特别是径向切削力）的作用下，很容易产生振动变形，此外机床自身刚度不好产生的振动也导致零件的尺寸精度、形状、位置精度和表面粗糙度无法达到要求。

针对以上三点，我们可以采取下列措施来控制薄壁零件加工：
2.1提高零件刚度
薄壁零件自身刚度不足是造成加工难度大、精度差的主要原因。

所以，提高薄壁零件刚度是消除工艺系统变形和振动、提高薄壁零件加工精度的关键。

设计人员在涉及到薄壁零件的设计时，可以在不影响产品性能的条件下，在零件刚度较差的地方适当增加工艺肋或者增加热处理要求改变材料性能从而达到提高刚度的口的。

薄壁零件刚度差的根本原因是由于零件壁薄，也可以从工艺角度考虑增加壁厚，从根本上解决，提升零件刚度。

工艺上经常采用胶粘、浇灌等方法来增强零件刚性和紧固零件。

常用的增加壁厚方法：（1）浇灌石蜡；（2）浇灌石膏；（3）应用低熔合金等。

除了以上方法以外，加工中还应用明矾、低融塑料。

在某些特使零件加工的中，还有应用硫磺、松香等材料的情况。

近几年俄罗斯使用一种尿素树脂聚合物，零件加工中作为增强刚性的材料。

该聚合物是由%%的尿素树脂和4%的硫酸钾组成。

熔融温度134
一1400。

该种材料固化迅速，刚性好，粘结力强，溶解速度快，价格便宜等优点。

可局部或整体地增强非刚性零件的刚性。

加工完毕后，把零件加热或放人水中，聚合物可自行与零件脱开。

但在加工中，不能用水剂冷却液。

2.2合理安排工艺路线
薄壁零件加工过程中难免变形，应着力分析、研究和掌握其变形规律，从而分离出加工中的难点针对性的解决变形问题确保零件最后合格。

零件一般的加工阶段可以划分为：毛坯准备一粗加工阶段一精加工阶段。

对于易受切削力和夹紧力影响的薄壁零件，可以在粗、精加工之间增加一次或数次半精工，也可以适当增加时效处理工序。

根据零件结构的不同，应采用合适的加工顺序。

图3中的某个薄壁类零件，其材料为聚四氟乙烯。

零件的单边壁厚较小，仅0.35mm，加工中由于夹持等外力因素影响容易造成零件变形。

该零件加工时可以先加工一芯轴，骨架加工时先加工内孔，然后在加工时利用芯轴固定骨架，再加工骨架外圆达到要求。

采用用芯轴做辅助支撑，再加工外圆的方法能有效避免切削力引起的变形。

2.3适当的装夹
对于薄壁零件和其他一些很难找到合适夹紧点的零件，可以采取以下措施减小加紧变形：（1）增加辅助夹紧点和辅助支撑；（2）增加压紧件接触面积和分散着力点；}3）利用对称变形加工零件；（4）对于极薄的零件，可以设计专用的夹具加工。

对于采用三爪卡盘加工的零件，可以对卡盘进行适当改进。

将三爪卡盘的径向夹紧接触由线接触变为面接触，同时增加接触长度，使夹紧力均匀分布在工件上，减小工件变形。

除了上述方法外，切削过程中还应采用合理的切削用量控制薄壁零件的变形，如在粗加工中，背吃刀量和进给量取大些；精加工时，背吃刀量取小些。

此外，精加工时尽量采用较高的切削速度，但不宜过高。

合理选择冷却液，加工过程中冷却充分，这样也能有效减小零件的热变形，提高零件加工精度。

薄壁零件加工中应多采用先进的加工技术，如高速切削加工，3D打印技术。

高速切削加工现已应用于薄壁零件加工中，其有切削效率高、精度高、切削力小、无飞边毛刺，切屑易处理等优点。

2.4增加热处理环节
由于在对薄壁零件加工的过程中，零件内部的残余应力是造成加工变形现象产生的主要原因之一，并且其影响极大，只要没有及时将残余应力释放出来，其就会产生加工变形。

而为了有效地减少加工残余应力的存在，就需要对其进行退火处理。

而在实际的加工现场，薄壁零件的退火处理是在粗加工之后，退火之后再进行精加工。

对于一些精度要求较高的零件，可以对其进行半精加工之后再进行精加工，退火热处理也可以反复进行。

2.5充分考虑零件加工方法和切削液
薄壁零件的结构都较为复杂，加工精度要求较高，在对其进行加工的过程中，需要有关人员对其进行全面考虑，尤其是容易引起变形的地方，要采取合理、有效的方法进行加工。

此外，在进行薄壁零件现场加工的时候，切削液是必不可少的存在，为了保证切削工艺顺利的进行，需要有关人员根据加工的材料、加工的性质、刀具材料等具体的信息情况进行切削液的选择，进而保证加工精度的提高。

3.薄壁零件的工艺措施
为了满足薄壁零件加工工艺的要求，就需要做好工艺路线的合理选择，能够进一步提升零件的刚度，同时还需要进行适当的装夹，保持合理的切削力。

针对上述对薄壁零件加工精度产生影响的因素，选择这几个方面入手，希望可以满足今后加工的要求。

3.1合理选择工艺路线
在进行零件加工的时候，需要按照实际的情况来增加精加工和粗加工之间的半精加工的次数，这样可以消除夹紧力与切削力所产生的应力，同时也可以消除零件本身的残余应力，并且最终精加工之前也需要发现与处理变形零件，最终满足产品零件的尺寸精度要求以及形位公差精度要求，并且也可以确保零件在存放、调试、装配时候的稳定性。

对于还没有完善或者是工艺不够成熟的方法，就需要利用工艺的试验来强化与改进，这样才能进一步完善工艺方案，其工艺试验的内容主要包含对存放数天零件精度所产生的变化进行对比与测量。

在进行零件和夹具定位基准以及夹紧方法的选择中需要格外注意，确保工序定位的基准能够保持一致。

同时，也可以对加工余量进行合理的分配，必要时可以提升形位公差精度和定位基准尺寸。

3.2运用高速切削的方式
相比常规的切削速度，高速切削可以达到其5-10倍。

在进行高速切削的时候，随着速度的加快，其切削力和温度都会逐渐升高，但是如果超出了允许的范围，那么其切削的速度就会降低，如图4。

其中，A代表常规的切削；B代表不能切削的；C代表高速切削的。

相比之下，高速切削薄壁零件，其本身的优势在于：1）可以适当的减少零件加工出现的变形。

因为高度切削的切削宽度和深度很小，所以相比日常所使用的切削，其切削力会进一步减小，这样就有利于满足零件加工精度的要求。

2）适当的降低零件的切削震动。

选择使用高速切削的时候，会出现较高的激振频率，这样就会远远的超出零件结构工艺系统的激振频率范围，可以满足平稳切削的要求，同时也可以满足零件加工精度的要求。

3）尽量减少零件的受热变形。

在进行高速切削的时候，超过90%的切削热都会直接被切屑直接带走，这样就不会增加零件的热变形，进而满足零件加工精度的要求。

总体来说，利用高速切削加工的模式可以大幅度的提升常规的切削加工效率，在单位时间之中可以提升3-6倍的切除率，这样就能够满足现阶段的加工要求，并且也可以使零件朝着薄壁化的方向发展。

3.3合适的切削力
在进行切削的时候，刀具所产生的切削力主要是几个分力共同形成的空间合力，对于零件会产生较大的影响，在加工过程中可能造成零件的震动与变形。

被加工材料的硬度、切削用量、刀具几何形状、冷却润滑液等都会影响切削力的大小。

同时，刀具的几何角度也会影响切削力的大小，一般来说，主要是对刀具前角的锋利度以及切削变形带来影响。

随着切削变形以及摩擦力的减小，切削力也会同样的减小，但是如果前角过大，就会导致刀具本身的楔角减小，这样就可能引发刀具强度以及散热减弱的情况出现，最终导致其磨损。

4.加工与测量难点
薄壁零件往往采用锻件毛坯，但加工余量很大，加工后壁厚仅为lOmm（如图2）。

对于一个毛坯外形尺寸长度684mm、直径308mm的工件来说，这一壁厚很难加工，而且加工后有表面粗糙度值RaG1.6}m的要求。

在测量方面，该零件一端面有M145x3的内螺纹与}90mm尺寸发生干涉，普通的螺纹塞规无法测量，并且在压气缸内孔部位尺寸公差严格，与中芯圆柱部位有同轴度要求，必须一次装夹加工，加工后普通的百分表、内径千分尺等测量器具无法对该部分尺寸进行测量。

5.加工时的几点注意事项
（1）装夹时工件要夹紧，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）要有安全文明生产意识。

6.结束语
总而言之，随着工艺的不断发展，薄壁零件凭借其本身的优势，在各个机械结构之中得到广泛的应用，虽然薄壁零件的加工会受到各种因素的影响，但是只要能够保证使用得当的方法，就可以大幅度的提升薄壁零件的加工精度，满足整体加工的要求。

参考文献
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