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薄壁零件机加工工艺及方法分析

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年6月作者：吴开军

[导读] 在机械加工中，薄壁零件加工精度始终是精密加工领域中一个重要的难题，这主要因为薄壁零件在机加工中容易发生变形，从而导致其尺寸及形位公差不满足零件精加工的要求。

台山市金桥铝型材厂有限公司吴开军 529261

摘要：在机械加工中，薄壁零件加工精度始终是精密加工领域中一个重要的难题，这主要因为薄壁零件在机加工中容易发生变形，从而导致其尺寸及形位公差不满足零件精加工的要求。为有效解决这些问题，本文重点对薄壁零件机加工工艺及方法进行分析，以供参考。
关键词：薄壁零件；机械加工；加工工艺；方法
        引言
        在科技进步的作用下，现代加工技术水平不断提升，其中薄壁零件加工技术也逐渐走向成熟，且由于薄壁零件的材质较轻，结构紧凑且节省材料，因此在军事、航天等多个领域广泛应用。但也正因为薄壁零件的特点，在其机械加工中，加工难度较大，且容易在加工过程中出现变形的问题，从而使得加工精度及零件质量受到影响。因此有必要深入对薄壁零件加工工艺及方法进行分析，充分考量影响薄壁零件质量的因素，并在此基础上提出有效的改进措施，提升薄壁零件机加工质量与水平。
        1、影响薄壁零件质量的因素分析
        影响薄壁零件质量的因素有许多，主要包括物理因素、力的作用、工艺系统热变形、工艺路线安排等方面。
        在影响薄壁零件质量因素中，物理因素主要包括加工原理误差、机床精度、刀具精度、夹具精度及零件本身的内应力；力的作用主要体现在夹紧力和切削力这两个方面；工艺系统热变形主要体现在机床热变形、刀具热变形、零件热变形这三个方面；工艺路线安排则体现在走刀方式、铣削方式这两个方面，主要是对薄壁零件的加工精度产生影响；除了这些因素以外，断刀、机床故障也会影响薄壁零件的质量。
        2、薄壁零件机加工工艺及方法
        从影响薄壁零件质量因素来看，要想确保薄壁零件的质量，就需要对其相关的工艺路线进行合理安排，且需要科学合理设置刀具的参数，对走刀路径进行优化，以此有效控制薄壁零件加工变形的问题，进而提升薄壁零件机加工技术水平。具体的加工工艺及方法为以下：
        2.1 采用适宜的夹紧装置
        在薄壁零件机加工中，零件的装夹尤其重要，主要因为薄壁零件本身强度较低，在受到一定压力作用下，会容易出现变形的问题。但以往在薄壁零件机械加工过程中，通常会采用三爪卡盘、虎钳或压板进行零件的装夹，这些夹紧装置会使得应力集中，导致夹紧力所处的三点出现较大变形。针对这一问题，可考虑增加薄壁零件与装夹装置接触面积的方式，即在保证压力相同的条件下，通过增加受力面积来减少其所受的压强，并让受力变得更加均匀，如此可有效改善由装夹引起的变形问题。需要注意的是，应仔细对每个零件所在方位及夹紧装置进行推敲，如对于薄壁环形零件，可通过采用轴向装卡装置来解决零部件变形问题。
        另外，要想提升薄壁零件的机械加工精度，还需要从零件的角度进行考虑，具体需要提升零件的强度，可在机械加工时临时增加零件的壁厚，即采用石蜡或松香这些特殊的材料在预加工的零件空缺出进行浇灌，然后在加工结束后，将这些浇灌材料清除。
        2.2 采用适宜的铣削方式
        在薄壁零件机械加工过程中，铣削方式影响着其加工的效率，主要因为在其他条件固定下，走刀轨迹与零件机械加工的所需时长有关系，因此需要合理选取走刀轨迹，以此提升零件加工的效率。不同的薄壁零件，其走刀轨迹也有所不同。对于腔体零部件加工，通常采用环切法，这一铣削方式能保证零件所受的切削力更加均匀，且能够释放其应力，从而保障零件加工的精度。需要注意的是，若零件存在对称腔体，不应加工完一个腔体后再对另一个腔体加工，应采取分层对称环切方法进行，以此有效控制零件加工的质量。另外，薄壁零件精加工过程中，在完成内腔粗加工后，若需要对其外壁加工，则需要采用单边顺铣的方法进行，这一铣削方法的切削厚度相比逆削方法要大，切削短且后，且发生变形的概率较小，加之零件单边受力，切削纹理一致性良好，可有效保障加工出的零件精度。

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        2.3 有效控制切削用量
        从影响薄壁零件质量的因素中得知，在切削力的作用下，会使得被切削零部件出现形变，而切削力大小与切削量密切相关，在切削量越小的情况下，切削力就会越小，这样零部件发生变形的概率也就会越小。因此，要想在确保加工时长的前提下，提升薄壁零件加工的精度，就需要选择合适的切削用量。基于金属切削原理上，背吃刀量、进给量及切削速度是切削用量的三要素。而考虑薄壁零件在径向方向上的受力变形问题较为显著，所以主要对切削的背向分力进行研究。结合大量的实践和理论分析得知，在切削方式及条件不变的情况下，切削力大小会随着背吃刀量及进给量的增加而增加。在此基础上，要想有效规避薄壁零件加工变形问题，可通过增加一定进给量的方式来减少背吃刀量，然后合理进行加固余量的分配，以此对走刀次数及切削力进行有效控制。通常在零件精加工过程中，背吃刀量为0.2~0.5mm，进给量为0.1~0.2mm/r，或者以更小的背吃刀量来控制切削力大小。
        2.4 准确把控刀具角度
        在薄壁零件机加工过程中，刀具角度也对切削力大小有显著的影响，而切削力大小又对零件的加工精度和质量有重要的影响。因此，在薄壁零件机械加工过程中，必须要准确把控刀具的角度。
        首先，考虑刀具锋利是否是影响刀具前角大小的关键因素，通常刀具越锋利，刀具前角就越大，相应切削力较小，可减少刀具与零件之间的摩擦，也能够避免由切削引起的热变形。但刀具前角越大，会使得刀具锲角变小，这样刀具的强度就会下降，进而降低刀具的耐用度。因此需要结合具体的情况选择合适的刀具前角。如在对40Cr加工时，若采用硬质合金刀具，建议刀具前角选择在5°~16°之间；若是进行粗车，刀具前角应在5°~8°之间，以此保证刀具的耐用度；若进行精车，则需要选择8°~16°的前角，以此提升刀具锋利程度。
        其次，刀具后角大小也直接影响刀具后表面与工件之间的摩擦程度，通常刀具后角越大，刀具与工具之间的摩擦就会越小，这样就会降低切削引起的热变形。但随着刀具后角的增大，会使得刀具的强度有所下降，进而使得刀具耐用度下降。因此，在对薄壁零件切削时，就需要结合粗车和精车的特点来选择合适的刀具后角，若是精车，应选择后角略大的刀具切削；若是粗车，则需要选择后角较小的刀具切削。如，在对40Cr零件切削时，通常会采用硬质合金刀来切削，为保证刀具的强度，在进行粗车时，刀具后角大小选择在5°~8°之间，在进行精车时，刀具后角大小则选择在8°~12°之间。通过这样的方式，减小刀具与工件之间的摩擦，进而提升零件加工的表面质量。
        再次，切削力分配情况主要取决于主偏角，这也对薄壁零件的切削产生重要影响。通常主偏角越大，径向的切削力就会越小，而轴向切削力会增加。反之，若主偏角越小，轴向方向切削力会减小。因此，在薄壁零件机加工中，应优先选择主偏角较大的刀具进行切削，以此有效控制径向方向的切削力。
        最后，刀具副偏角大小也会对零件表面加工质量及刀具强度产生影响。若刀具副偏角较小，刀具与工具表面的摩擦程度会增加，进而引起震动。因此，为有效提升薄壁零件加工表面的质量，并提升刀具的耐用度，在切削加工时，刀具副偏角应选择在8°~15°之间，同时精车时要选择副偏角小的刀具，粗车时选择副偏角大的刀具。
        结语：
        综上，在薄壁零件机加工过程中，为有效保证零件质量和精度，需要充分考虑装夹装置、铣削方式、切削用量、刀具角度这几个因素，以此对薄壁零件机加工工艺方案进行优化，进而提升薄壁零件机加工工艺水平。
参考文献：
[1]鲁剑.薄壁零件数控加工工艺优化方法[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2020(10):176-177.
[2]刘志旭,王继承.薄壁零件数控加工工艺质量的改进方法[J].湖北农机化,2020(17):124-125.
[3]张红.薄壁零件加工方法研究[J].内燃机与配件,2020(05):98-100.
【作者简介】吴开军，男，1979年生，汉族，广东英德人，本科，加工中心操作工高级技师和机械工程师中级职称，研究方向：CAD/CAM/CAE技术