薄壁零件加工及如何减少变形

薄壁零件加工及如何减少变形

摘要:金属零件,尤其是薄壁零件在加工过程中由于材质本身的状态及加工过程中热应力等因素的影响,变形是不可避免的。本文就此讨论如何减少薄壁零件的加工过程中的变形。实践证明,通过选择合理的装夹方式、刀具的几何角度、切削用量、冷却液等,是完全可以减少薄壁零件在加工过程中的变形,保证零件的加工质量的。

关键词:变形热应力切削用量切削液几何角度数铣

1 概述

零件在加工过程中由于各种因素导致变形是无法消除的,零件在加工中变形的大小除与零件本省材质、结构有关外,也与加工中零件的装夹方式、刀具选用、切削用量及冷却也的选择等有很大的关系。材质、结构与其用途有关,有时是无法取代的。但作为工艺员在零件材料一定的情况下,我们就必须从加工中想办法。我们知道,采用正确的装夹方式、合理选用刀具、切削用量、冷却液是减少零件变形的关键之所在。其中又尤以薄壁零件变形最大,最难控制,主要原因是薄壁零件刚性差、强度弱,在加工中极易产生变形,使零件的形位误差增大,不易保证零件的加工质量。薄壁零件也因为重量轻、节约材料、结构紧凑,应用极为广泛。为此,对薄壁零件加工以及加工过程中零件的装夹,刀具的选用、切削用量、冷却液的选用等作一些探讨和分析,为今后更好的加工薄壁零件,保证零件的加工质量提供一些建议。

2 工艺分析

2.1 零件材料的组成

该零件材料为ZL1,他的成分见表1

2.2零件结构分析

零件总体结构比较简单,但属于薄壁类形腔零件,大部分壁厚仅有3㎜。加工中要去除大部分材料,加工中会产生大部分铣削热量,从而,导致零件产生热变形,这一点是我们制定工艺方案前必须考虑的。

2.3工艺流程的分析

钳:按零件外形及内腔尺寸,单面放1.5㎜划外形、内腔线为下一道工序提供依据

铣:参照钳工划线,单面留余量1.5㎜余量铣外形及内腔、铣厚度二面,本工序加工中去掉大部分材料,因此,余量放得多,保证后序加工由于变形不能保证加工

尺寸

数铣:单面留0.5㎜余量铣外形及内腔,该工序时零件厚度大部分仅有6㎜,加工时,在考虑生产率的同时,还必须保证加工中变形不得过大

热:进行时效,作稳定处理,用途时是去除加工中应力

数铣:铣对外形、内腔及各下陷尺寸,本工序零件尺寸要加工到位,在考虑变形同时还得保证产品表面质量

钳:借助钻模,制对各孔,并锉修清角

该零件也可上线切割加工外形及内腔,但上线切割加工生产率低,成本较高,因此,不宜选用。

2.4加工中的减少变形措施

该零件结构简单,从工艺流程不难看出,零件工艺流程并不复杂,接下来的问题是在加工中如何减少二道数铣关键工序中变形来满足产品的质量。为此,我们主要要从以下四个方面来采取具体措施减少两件加工中的变形。

2.4.1选择正确装夹方式

由于该零件属于腔体薄壁零件,在铣削加工不能按常规采用虎钳装夹,因为虎钳装夹使零件受力情况不理想。零件在加工过程中随着大部分材料去除,零件在垂直受力的方向有延伸的趋势,使零件略鼓,一旦取下零件,往往使加工出来的零件产生回弹,极易变形,对零件的尺寸影响极大。因此,在加工中我们对装夹方式进行改进,采用压板式装夹,使零件上每一点的夹紧力都保持均衡,增大零件装夹的接触面,从而减少每一点的夹紧力,零件的变形会好得多。因为,根据物理学中压强公式:P=F/S可以知道:当压力一定时,受力面积越大,压强就越小,从理论分析可以看出,增大装夹接触面,减少每一点的夹紧力,这种方法是可行的。实践证明也是行之有效的。因此,今后在加工薄壁零件时,应充分重视装夹的问题。

2.4.2选择合理的切削用量

切削用量是机床调整前必须确定的重要参数,而且其值的合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床的动力性能(功力、扭矩),在保证质量的前提下,获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。切削用量的三要素指切削速度V、进给量F、切削深度ap,对于薄壁零件加工切削用量更是选择的非常合理。我们知道,切削力的大小与切削用量是密切相关的,从加工角度来看,吃刀量和进给量如果选得过大,对铣削加工薄壁零件极为不利,工件阻碍刀具切削时产生的弹性变形和塑性变形,切削区随着切削热的升高而产生热变形。减少吃刀量,增大进给量,切削力虽有所下降,但零件表面的粗糙度增大,因此针对该零件我们选用粗加工和精加工

二道工序。粗加工采用转速高,吃刀量大,进给量小,可减少零件在加工时所产生切削热带来的变形,提高零件的表面粗糙度,来保证零件的质量。

2.4.3合理选择刀具的几何角度

在薄壁零件的铣削中,合理的刀具几何角度对铣削时切削力的大小、铣削中产生的热变形、工件表面的微观质量都是至关重要的。从工艺学中,我们可以知道,刀具的几何角度对切削力的影响是很大的。刀具的前角大小决定着切削力变形与刀具前角的锋利程度。前角大,则切削变形和摩擦力减少,切削力相应减少。但前角太大,会使刀具的强度降低,刀具散热情况变差且刀具的磨损加快。在铣削加工中,考虑到粗铣时余量大,为了有利于排屑,故而在粗加工中选择疏齿铣刀,而精加工时选用密齿铣刀,铣刀刀子齿数越少,表明刀子的容屑槽越大,有利于排屑,精加工时选用密齿铣刀,有利于提高工件的表面光洁度,而在螺旋角的选择方面来看,粗加工选择30-45度的螺旋角,而精加工选择45-60的螺旋角。从实际加工我们可以看到,当吃刀深度一样时,螺旋角为30-45的铣刀参加切削的刃要少,切削力相应要小,但其表面粗糙度将增大,而45-60的螺旋角铣刀刀刃参加切削的要多,虽然切削力要稍大,但精加工时余量要小,故而仍可选用45-60的螺旋角,以提高工件表面光洁度。

2.4.4充分利用切削液

在铣削过程中,由于切削变形和切屑、刀具、工件间的摩擦,产生大量的切削热,传到刀具上会使刀具的硬度降低,加速刀具的磨损,使工件表面粗糙度值提高,而传到工件上会使工件产生热变形。切削热的存在,对铣削薄壁零件十分的不利。在铣削过程中充分适用切削液不仅减少了切削力,提高刀具的耐用度和工件表面的粗糙度,同时也减少工件受且须热的影响,从而保证了加工零件的尺寸和几何精度,保证了零件的加工质量。

表2、表3是经过反复实验的粗、精加工切削参数。实践证明,通过选择合理的装夹方式、刀具、切削进度、进给量、切削深度、螺纹角、夹头等,完全是可以减少薄壁零件变形的。

附:以上刀具均采用英格硬质合金刀具,冷却液用Rocol Vltracut 370 plus或福斯ALU-CF,如使用其他刀具或冷却液应相应的调整切削用量。

3 结论

综上所述,工艺规程合理安排再加上合理装夹方式、切削用量和刀具几何角度的合理选择以及切削液的充分使用是保证薄壁零件的顺利铣削关键。