魏铜 刘恕 郭凤莲 廉冲
哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江省哈尔滨市150066
摘要：由于薄壁零件具有重量轻、结构紧凑等诸多优点，因而其在航空航天等领域具有较普遍的应用。基于此，本文分析了薄壁类零件加工的装夹技术。
关键词：薄壁零件；加工；装夹
薄壁零件由于重量轻、比强度高等结构特点，所以在航空航天等行业的许多重要零件为薄壁结构。由于薄壁结构零件刚度差，制造过程中在夹具夹紧力和切削载荷的作用下极易产生加工变形，使其加工精度和表面加工质量难以控制，因此，研究薄壁类零件加工装夹技术有着重要的意义。
一、薄壁零件加工问题
1、装夹不当导致变形。通常，薄壁零件内外直径差距较小，强度较弱，在车床作业中直接利用三爪自定心卡盘进行固定，将导致各爪点局部不稳，引发零件整体变形。在过去的薄壁零件加工中，需要使零件上各夹紧点达到稳定均衡，所以需增大装夹接触面，从而减少零件整体变形量。但采用该种加工方法，仍然无法杜绝零件变形问题的发生。
2、切削不合理导致变形。在车削加工中，会产生较强震动。在切削工艺不合理的情况下，就会导致薄壁零件变形。为减少切削时刀具所受的阻力，以免零件因阻力过大产生塑性变形或弹性变形，通常需结合刀具类型进行前角调整。比如在刀具为高速钢材质时，需将前角设定为6°～30°。在刀具为硬质合金刀时，前角在5°～20°范围内。而未能进行车削用量的合理选择，将导致薄壁零件产生各种变形。分析这一现象产生的原因可发现，金属切削主要受两个因素的影响，即背吃刀量和进给量。在同时增大这两个量的情况下，零件会因切削力增大而变形。在背吃刀量减少、进给量增大的条件下，尽管切削力会减小，但由于工作表面剩余面积大，零件所受内应力也增大，最终导致零件变形。因此，还要合理进行切削用量的选择，才能避免零件变形。
3、刀具不合适导致变形。薄壁零件在车削时，选取合理的刀具至关重要，尤其是对刀具几何角度的选择，不仅会影响切削力的大小，也会影响车削中产生的热变形程度，需关注的是，在薄壁零件的工作表面微观质量的把握也很重要。一方面主要是因刀具的前角大小决定着薄壁零件的切削变形程度，刀具的锋利程度如何也会影响薄壁零件加工的质量。另一方面，除刀具的几何角度外，还需选取合理的切削液，质量良好的切削液不仅减小切割薄壁零件的切削力，也会提升薄壁零件表面的光滑度，最重要的就是这种作业不会对切削的热度产生影响，从而保证薄壁零件的加工质量。
二、零件装夹是影响加工效率的重要因素
薄壁零件刚性差，在加工中因受切削力、夹紧及切削热和残余应力的影响而极易产生变形，所以控制加工变形是保证薄壁零件加工质量的关键。众多控制加工变形的措施有进给量局部调整、改进装夹方案和改进毛坯的结构工艺性等，其中装夹方案是重要的一项。
夹具的作用是通过合理布置夹具和支撑块的位置及合适的夹紧力，在加工中对工件进行定位、约束和支撑。薄壁工件在装夹中的位置受夹紧力引起的工件夹紧点局部刚性转动，从而使工件相对于刀具的位置发生改变。工件在机床上的装夹精度也是影响加工精度的重要因素。25％～50％的加工误差是由装夹引起的，因此通过优化装夹方案来减小装夹引起的弹性变形是提高加工精度和生产效率的重要途径。
三、常用装夹方法
1、压板装夹。它是用螺栓和压板将工件装夹在工作台面上，这种装夹方式使用较广泛，但较麻烦且效率不高。
2、测力虎钳装夹。其是一种能调节和控制夹紧力的虎钳，装夹方便。一般小型壳体(200 mm×200 mm×50mm)可将工件直接装夹在虎钳的钳口上加工。装夹的关键是校准虎钳，选择工件上合适的位置夹紧，并调节和控制好夹紧力，防止零件夹紧变形或因夹紧力过小而夹不住零件。
3、组合夹具。其是一种高度标准化、系列化、通用化的先进夹具。
利用组合夹具元件和合件经几小时组装，就能成为满足零件加工所需的成套夹具。组合夹具灵活多变，适应性强，同时夹具可装拆，元件可循环使用直至磨损报废，它是目前机械制造中应用最多的夹具。
4、真空吸附装夹。通过真空管抽真空及橡皮密封圈的密封作用，使夹具的密闭空腔产生真空，依靠大气压力将工件压紧。尽管压差所产生的夹紧力较小，但分布均匀，吸附面积大，故适用于夹紧非导磁薄片工件或刚性差的大型薄壳工件。
真空吸附装夹如图1所示。在工装吸附面应铣削出抽气槽以供抽气之用，分布面积尽可能接近接触面，并均匀分布，抽气槽应与抽气孔相连通。在工件边界处下方应预留凹槽，以防精加工时刀具铣伤工装表面。同时，密封圈应选用耐腐蚀的橡胶。工件安装时应保证与吸附面贴合紧密，并且毛坯与夹具四角应采用螺栓或压板加固。
采用真空吸附所获得的夹紧力W为：
W＝S(PA-PO)
式中：W为夹紧力，S为吸附腔的有效面积，PA为大气压强，PO为腔内剩余压强。
采用机械式真空泵作为抽气装置，开启真空泵后，观察真空压力表，在规定时间使工装抽气槽的压力达到规定值。
薄板毛坯料加工时由于表面常有缺陷、不平整，初次装夹时，可在薄板工件四周涂抹油脂密封，以防真空度不够，工件不易吸牢。加工一个平面后将油脂擦干净，再加工另一平面即可。
薄板类零件粗加工时，采用真空吸附装夹。精加工可采用真空吸附与螺枪夹紧相结合的方案。精加工首先采用真空吸附方法加工内腔底、侧面，使之达到图样与工艺的要求，其次用螺栓固定装夹铣通槽和落料。
当使用铝制真空夹具时，需在真空吸附夹具上打M4或M5的螺纹孔(位置在工件的废料上)，用于真空吸关闭后固定工件之用。
5、磁力吸附。加工工件底面缝槽应采用磁力吸附的方式，因工件与夹具无法密封而不能使用真空吸附装夹。
采用磁力吸附应在关闭真空泵前进行，在无需开槽的表面布置磁块，磁块应使用橡皮套包住，以避免压伤已加工的表面。磁块分布密度应结合工件的大小，均匀排布。
四、提升薄壁零件加工质量措施
1、合理安排工艺路线。薄壁零件加工中难免变形，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。零件的加工阶段可分为：毛坯准备-粗加工阶段-精加工阶段。对易受切削力和夹紧力影响的薄壁零件，可在粗、精加工间增加一次或数次半精工，也可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。
2、适当的装夹。对薄壁零件和其他一些很难找到合适夹紧点的零件，可增加辅助夹紧点和辅助支撑；增加压紧件接触面积和分散着力点；利用对称变形加工零件；对极薄的零件，可设计专用的夹具加工。对采用三爪卡盘加工的零件，可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。
除上述方法外，切削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。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。
总之，航空航天工业中广泛使用薄壁件，日常加工中不可避免地会遇到薄壁类零件。这类零件虽然结构相对简单，但加工中也暴露了很多问题。如何有效地解决产生的问题，成功地提高该类零件合格率是今后工作中重要方向之一。
参考文献：
[1]丁宇.薄壁零件加工装夹方法分析[J].机械工业标准化与质量,2015(10).
[2]任健强.薄壁零件加工装夹方法[J].中国设备工程，2017(13).