薄壁零件的数控车削加工.docx

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薄壁零件的数控车削加工

前言

因为薄壁零件具有重量轻，材料少，构造紧凑，所以在航天制造业中受到了愈来愈广泛的应用，而薄壁零件因其壁薄而必然导致起强度弱，刚性差，装夹基准面小，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。

因而薄壁零件的加工成了行业棘手的事情。

采用什么方法才能提高薄壁零件的加工质量呢，也成为了业界愈来愈重视的话题。

薄壁零件按其形状大致可以分为：

壳体类薄壁零件和轴类薄壁零件。

壳体类薄壁零件通常采用铣削或冷挤压冲加工方法，而轴类薄壁零件通常采用车削加工。

关键词:

薄壁轴类零件变形材料夹具

第一章数控车床的车削加工特点

数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。

数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。

通过数控加工程序的运行，可自动完成外圆柱面、圆锥面、成形外表、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进展车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。

车削中心可在一次装夹中完成更多的加工工序，提高加工精度和生产效率，特别适合于复杂形状回转类零件的加工。

由于这些零件的径向尺寸，无论是测量尺寸还是图纸尺寸，都是以直径值来表示的，所以数控车床采用直径编程方式，即规定用绝对值编程时，X为直径值；用相对值编程时，那么以刀具径向实际位移量的二倍值为编程值。

对于不同的数控车床、不同的数控系统，其编程根本上是一样的，个别有差异的地方，要参照具体机床的用户手册或编程手册。

1.1数控加工的开展趋势

1.1.1高速、高精细化

高速、精细是机床开展永恒的目标。

随着科学技术突飞猛进的开展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和外表质量的要求也愈来愈高。

为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向开展，加工精度也在不断地提高。

另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，瓷滚珠轴承、高精度大导程空心冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精细开展创造了条件。

数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。

采用电主轴构造可使主轴转速到达１００００ｒ／ｍｉｎ以上。

直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。

用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙〔包括反向间隙〕，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精细定位，从而极提高了伺服精度。

直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。

通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的１０～２０ｍ／ｍｉｍ提高到６０～８０ｍ／ｍｉｎ，甚至高达１２０ｍ／ｍｉｎ。

1.1.2高可靠性

数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。

数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的上下。

1.1.3数控车床设计ＣＡＤ化、构造设计模块化

随着计算机应用的普及及软件技术的开展，ＣＡＤ技术得到了广泛开展。

ＣＡＤ不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进展设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进展动态模拟仿真。

在模块化的根底上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。

采用ＣＡＤ，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计本钱，提高市场竞争能力。

通过对机床部件进展模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。

1.1.4功能复合化

功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。

通过功能的复合化，可以扩大机床的使用围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。

机床厂已经研制成功的ＣＸ２５Ｙ数控车铣复合中心，该机床同时具有Ｘ、Ｚ轴以及Ｃ轴和Ｙ轴。

通过Ｃ轴和Ｙ轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。

该机床还配置有强动力刀架和副主轴。

副主轴采用藏式电主轴构造，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。

该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极提高了效率。

1.1.5智能化、网络化、柔性化和集成化

２１世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。

智能化的容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的容，以方便系统的诊断及维修等。

网络化数控装备是近年来机床开展的一个热点。

数控装备的网络化将极满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的根底单元。

数控机床向柔性自动化系统开展的趋势是：

从点〔数控单机、加工中心和数控复合加工机床〕、线〔ＦＭＣ、ＦＭＳ、ＦＴＬ、ＦＭＬ〕向面〔工段车间独立制造岛、ＦＡ〕、体〔ＣＩＭＳ、分布式网络集成制造系统〕的方向开展，另一方面向注重应用性和经济性方向开展。

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业开展的主流趋势，是先进制造领域的根底技术。

其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。

ＣＮＣ单机向高精度、高速度和高柔性方向开展。

数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与ＣＡＤ、ＣＡＭ、ＣＡＰＰ及ＭＴＳ等联结，向信息集成方向开展。

网络系统向开放、集成和智能化方向开展。

第二章薄壁零件的加工难点分析

2.1理论分析

由分析轴类薄壁零件得出此类零件加工最大瓶颈是壁薄容易变形，而影响变形的因素有很多，主要有以下几个方面：

1.装夹过程中引起的变形，从而影响工件尺寸与形状精度。

2.切削过程中受车削力挤压引起的变形。

3.高温情况下零件热效应产生的高温变形和应力变形。

4.其他方面的引起的变形，如机床振动引起。

既然影响加工轴类薄壁零件精度原因已找到，那么怎样去控制和减小这些影响因素呢？

笔者以两个材料不同形状各异的图形实例进展具体分析，在此采用的是配备了NUM系统的双主轴车削中心S188，一轴采用三爪卡盘夹紧，一轴可用顶针拉杆进展外涨，收缩。

根据数控机床的特性，采用先粗后精，而粗加工因技术难度小在此不再述，我们分析的是零件的精加工。

2.2举例分析

材料：

3

图一

T40*16.8/4-6h

例一：

如图一所示，它是一个较长的轴类薄壁零件，外直径相差很小，强度很弱，有较高的平行度和同心度，而材料为3Cr13，它是一种强度高、塑性好的中碳马氏体不锈钢。

分析以上问题，采取以下加工方法：

1.根据材料的特性进展分析试验：

直接装材料进展试切削发现，材料本身硬度不高但材料切削时加工外表却硬化严重，导至切削抗力增大，温度上升很快。

且粘刀，切削不容易断会直接划伤零件外表，而这些却是零件变形的主要原因之一。

为了改变材料硬度我们进展热处理调质，但是当热处理硬度在HRC30以上时，又因其硬度过高，刀具磨损严重，切削力过大，导致材料变形。

只有使硬度到达HRC20-HRC30时我们发现车削加工性能较好。

2.根据零件分析所应采用的夹具：

用传统三爪卡盘加工，零件变形主要是三爪受力点过小，零件各点受力不均匀，导致零件变形，要使零件受力均衡，需加大零件接触面。

特设计夹具如图二，图三，图四。

图四

图三

图二

分析图二夹具：

此夹具为开缝套筒装夹，它受力较为均衡，零件不易变形，但屡次装夹过后，开缝套筒在硬三爪受力后，导致夹套损坏，不适合批量生产。

分析图三夹具：

它是扇形软爪夹具，使用该夹具，零件同心度好，适合批量生产，虽此夹具受力点已较为均衡，但对图一零件还会产生变形。

结合两种夹具的优点，设计夹具图四。

根据图四夹具加工出左端尺寸及孔。

掉头加工时，因螺纹T40×16.8/4-6h,受力很大，刚性缺乏，容易引起晃动,根据要求设计芯棒夹具图五加工其余尺寸。

分析图五夹具：

夹具左端为机床三爪夹持部，右端为零件夹紧部，在右端铣有6条宽2mm的槽并车出20度的锥，在同度配合压紧锥块的作用下进展零件的涨夹持。

此夹具能使零件承受较大的径向切削力，在压紧锥块作用下此夹头能对消一局部径向切削力并能把一局部径向切削力转化为轴向切削力从而减小切削变形。

在制作此类零件夹具需根据零件孔进展配作并要在机床上一次装夹,光出右端外圆和零件孔过渡配合。

在零件生产中不能随意拆卸夹具以免影响零件的同心度和圆度。

3.选择车刀：

合理的刀具几何角度对车削时切削力的大小，车削中产生的热变形、工件外表的微观质量都是至关重要的。

刀具前角大小，决定着切削变形与刀具前角的锋利程度。

前角大，切削变形和摩擦力减小，切削力减小，但前角太大，会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱根据衡量我们一般可选用以下形状的刀子。

（1）前角γ：

一般车削马氏体不锈钢刀具前角取10°～15°较为适宜。

（2）后角α:

一般取5°～8°较适宜，不能过大，一般不可以超过10°。

（3）刃倾角λ:

一般选取λ为-5°～20°。

（4）主偏角Kr应根据工件的形状、加工部位和装刀情况来选择。

4.编程：

由于各机床系统不同不一一详述，在编程中精车主轴转速一般选1000-1200转/分钟。

进给选0.06-0.08毫米/转。

在充许的围尽量采用少切多刀的方法。

当然这些都要根据实际情况选取。

5.冷却：

在薄壁零件的加工过程中应该重视零件加工过程中的冷却，加工中冷却液要连续充分。

充分的冷却液不但能减少热变形，还可提高加工精度。

例二：

如图六零件,材料是LY12-CZ,同上为薄壁零件且左端有螺纹,不能用普通的装夹方法加工,也不能用芯棒装夹.根据零件的要求和特征采用以下的加工方法:

1.根据材料的在特性分析：

我们知道LY12-CZ是一种应力很强的材料。

这种材料在切削加工时，在切削力和摩擦力的作用下，使表层金属产生塑性变形，体积膨胀，受到基层组织的阻碍，表层产生压应力，里层产生拉应力；由于切削温度的影响，表层金属产生热塑性变形，表层温度下降快。

冷却收缩也比里层大，当温度降至弹性变形围，表怪收缩受到里层的阻碍，因而产生拉应力，里层将产生平衡的压应力，去应力的方法有自然时效和人工时效，但自然时效一般要半年以上时间，所以我们采用人工时效进展去应力处理。

2.根据零件分析所应采用的夹具：

此零件如装夹右端加工左端，那么加工右端时，左端有螺纹无法装夹定位，而法兰较薄，接触面小，无法保证加工精度，故只能先加工右端。

加工右端时，又因法兰薄，所以零件两端都只能用涨加工。

根据本次使用的机床的特性在加工零件两端的过程中我们分别采用以下两种夹具进展加工。

观察两种夹具我们发现这两种夹具的原理其实是一样的。

图七夹具左端为零件的夹持端，夹持端和图六一样铣有6条2mm的外涨槽并配有20度的锥，一体式夹具夹紧过程：

在液压顶针的的推力下夹具夹头外涨，零件夹紧。

图八和图七不同的地方就是其镶嵌主体不能直接夹持零件，它需要用螺钉配上镶嵌夹头进展外涨夹紧。

一般镶嵌主体头部铣有四条2mm左右的槽打出四个分度均匀的孔并攻丝。

和它配的镶嵌夹头是一次性车出外圆并用2mm锯片把它分成均匀的四个四分之一圆并打出四个和镶嵌主体配的螺钉孔。

镶嵌夹头的孔和镶嵌主体的头部外圆需过渡配合。

镶嵌夹头的夹紧过程为：

顶针在液压顶针的推力作用下镶嵌主体的头部进展外涨并带动和它用螺钉连在一起的镶嵌夹头的外涨，零件夹紧。

各自优缺点：

首先在夹具的制作过程中夹具主体的制作过程是有些复杂的并且和机床相配的右端精度要求和同心度要求都非常高一般需要上磨床进展研磨，而一体外涨夹头在使用撤除后就只能在比上次零件孔小的零件上使用所以我们一般采用镶嵌式外涨夹头，它只要配上需要的镶嵌夹头即可，而镶嵌夹头制作相对简单。

但有一些孔较小的薄壁零件因为构造原因只能使用一体式夹头。

在使用过程中我们为了保证零件同心度需车出和零件孔配合的夹具头部，具体根据不同零件进展不同配合。

3.刀具的合理选择:

刀具的后角大，摩擦力小，切削力也相应减小，但后角过大也会使刀具强度减弱。

在车削薄壁零件时，用高速钢车刀，刀具后角取6-12°,用硬质合金刀具，后角取4-12°，精车时取较大的后角，粗车时取较小的后角。

主偏角在30°-90°围、车薄壁零件的外圆时，取大的主偏角。

4.编程：

编程中精车主轴转速一般选2000-2500转/分钟。

进给选0.08-0.12毫米/转，背吃刀量0.3-0.8。

第三章薄壁零件的加工改良

3.1装夹方式的改变

图1所示为套类薄壁零件。

它的外圆直径差很小，强度当然就弱，如果在卡盘上夹紧时用力过大，就会使薄壁零件产生变形，造成零件的圆度误差。

如果在卡盘上夹得不紧，在车削时有可能使零件松动而报废。

夹紧力的大小，我们采取粗车时夹紧些，精车时夹松些来控制零件的变形。

图1套类薄壁零件

从图2中可以看到零件是在三爪自定心卡盘上装夹，零件只受到三个爪的夹紧力，夹紧力不均衡，从而使零件变形。

如果将零件上的每一点的夹紧力都保持均衡，换句话说，就是增大零件的装夹接触面，而减少每一点的夹紧力。

图2三爪自定心卡盘装夹

图3开缝套筒装夹

如图3所示，采用开缝套筒或扇形软卡爪，通过试验证明：

后一种方法夹紧，零件的变形小，方法可行。

如果我们转移夹紧力的作用点，如图4所示，由径向夹紧改为轴向夹紧，通过试验分析：

轴向夹紧力的正应力约为径向夹紧力的1/6,零件的变形很小，也可以说明轴向压紧方法有利于承载夹紧力，而不致使零件变形。

图4轴向夹紧示意图

3.2选用合理的切削用量

薄壁零件车削时变形是多方面的。

装夹工件时的夹紧力，切削工件时的切削力，工件阻碍刀具切削时产生的弹性变形和塑性变形，使切削区温度升高而产生热变形。

切削力的大小与切削用量密切相关。

从?

金属切削原理?

中可以知道:

背吃刀量ap，进给量f，切削速度V是切削用量的三个要素。

在试验中发现:

1）背吃刀量和进给量同时增大，切削力也增大，变形也大，对车削薄壁零件极为不利。

2）减少背吃刀量，增大进给量，切削力虽然有所下降，但工件外表剩余面积增大，外表粗糙度值大，使强度不好的薄壁零件的应力增加，同样也会导致零件的变形。

所以，粗加工时，背吃刀量和进给量可以取大些;精加工时，背吃刀量一般在0.2-0.5mm,进给量一般在0.1-0.2mm/r,甚至更小，切削速度6-120m/min,精车时用尽量高的切削速度，但不易过高。

合理选用三要素就能减少切削力，从而减少变形。

3.3合理选择刀具的几何角度

在薄壁零件的车削中，合理的刀具几何角度对车削时切削力的大小，车削中产生的热变形、工件外表的微观质量都是至关重要的。

刀具前角大小，决定着切削变形与刀具前角的锋利程度。

前角大，切削变形和摩擦力减小，切削力减小，但前角太大，会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱，刀具散热情况差，磨损加快。

所以，一般车削钢件材料的薄壁零件时，用高速钢刀具，前角取6°-30°,用硬质合金刀具，前角取5-20°。

刀具的后角大，摩擦力小，切削力也相应减小，但后角过大也会使刀具强度减弱。

在车削薄壁零件时，用高速钢车刀，刀具后角取6-12°,用硬质合金刀具，后角取4-12°，精车时取较大的后角，粗车时取较小的后角。

主偏角在30°-90°围、车薄壁零件的外圆时，取大的主偏角。

副偏角取8°-15°，精车时取较大的副偏角，粗车时取较小的副偏角。

3.4切削液对薄壁零件的影响

用高速钢刀具粗加工时，以水溶液冷却，主要降低切削温度；精加工时，中、低速精加工时，选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，主要改善已加工外表的质量和提高刀具使用寿命硬质合金刀具，粗加工时，可以不用切削液，必要时也可以采用低浓度的乳化液或水溶液，但必须连续地、充分地浇注；精加工时采用的切削液与粗加工时根本一样，但应适当提高其润滑性能在车削过程中充分使用切削液不仅减小了切削力，刀具的耐用度得到提高，工件外表粗糙度值也降低了。

同时工件不受切削热的影响而使它的加工尺寸和几何精度发生变化，保证了零件的加工质量。

第四章盘形薄壁零件的车削

4.1盘形薄壁零件介绍

在生产实际中盘形薄壁零件应用较广，如图1所示,由于工件较薄，刚性较差，采用常规的切削加工方法，受轴向切削力和热变形的影响，工件会出现弯曲变形，很难到达技术要求，产品合格率极低。

因此，设计出一套行之有效的加工方法十分必要。

笔者在生产实践中，作了很多尝试，现介绍给大家。

我们曾用传统方法，采用孔及端面定位，先加工外圆f80-0.30，再车右端面至长5-0.15；调头装夹，再加工f55-0.20，长3-0.12。

这种方法的加工结果不尽人意，出现了如图2所示的变形情况。

图1图2图3

4.2实践分析

在加工工艺不变的情况下，只改变刀具的一些切削角度，如增大前角以减小轴向分力。

结果变形量有所减小，但平面度仍达不到技术要求。

用前后两把刀同时加工该工件的方法（图3所示）。

加工后工件变形极小，平面度符合要求，合格率在96%以上。

4.3具体操作

工件加工在多刀自动车床上进展，主轴转速为960r/min；

右平面刀装于前刀架上，用于右端面加工；

左平面刀装于后刀架上，用于加工端面及f55-0.20外圆；

调整好前后刀架动作时间，使前后两刀同时触及工件开场切削。

待加工至要求尺寸，分别退刀恢复原位；

两刀片材料均为W18Cr4V，刀杆材料为45号钢；

刀具几何参数及切削用量

右平面刀：

前角g=14°，后角a=3°，主偏角Kr=95°，副偏角K'r=4°，刃倾角ls=-2°，纵向断屑槽宽4mm。

切削用量ap=0.4mm，f=0.25mm/r，Vc=200mm/min；

左平面刀：

前角g=14°，后角a=3°，副前角g'=16°，副后角a'=8°，主偏角Kr=95°，副偏角K'r=0°，刃倾角ls=0°，横向断屑槽宽4mm。

切削用量ap=0.4mm，f=0.25mm/r，Vc=200mm/min。

4.4结论

采用此法获得了成功，主要是选用较大的刀具前角，使轴向切削力下降，减小了切削力和切削热对工件的影响造成变形；采用前后两刀同时切削，两刀切削力大小相似，方向相反，使两刀的轴向合力根本为零，工件受切削力变形的影响极小；切削时，两刀始终与工件接触，某种程度上提高了工件的加工刚度，减少了变形的可能性，从而保证了加工精度，同时提高了生产效率。

第五章薄壁零件加工过程浅析

薄壁零件在加工过程中容易产生变形而达不到所要求得加工精度，要改变这种现状可以从以下几点考虑：

1、薄壁零件一般是不能卡抓直接去夹持：

这样我们就必须考虑用一种间接夹持的方法来加工这个零件即做一个工装，工装的做法围绕着减少x轴向力的原那么下采用z向固定的方法，可以通过来夹持一中间物来把所要加工的零件借助于配合和压板使之z向固定。

2、薄壁两件一般的毛胚件的加工余量不是很大，这类零件很大程度上都是镁铝材料或是这类的合金铸件，铸造的不均匀和加工余量的不大也给加工这类零件带来了诸多的的困难，由于铸件的不匀称装夹时就不可能考虑三爪自定心卡盘，必须考虑四爪来找正来加工此类工件。

3、进给速度和切削量，转速、精加工余量的选取：

进给速度和切削量，转速的选取都不应该选择太高，因为固定的力主要集中在z向，过高会产生震动和工件变形和光洁度不好，精加工余量的选取根据变形量大小和光洁度要求做出综合的考虑。

参考文献

[1]黄淑容、国发.机械工程设计根底[M]．机械工业200559~75

[2]再军、汤键鑫、吴晓．机电一体化概论[M]．大学2003．27~46

[3]丁学恭、陆长明、扬正川、楼晓春.电器控制与PLC[M]．大学，2004.89~12

总结

3年的大学学习提高自己的综合素质，获取了很多专业知识和实际操作能力，为今后的工作指明了方向。

近期的实习也使自己感受到了工作的压力，但同时也体会到工作有所成果时的那种欣慰。

所有这些，使我越来越深刻地感觉到人生追求的意义。

这次论文的制写用到了很多所学知识，同时也吸收了很多他人实际操作中的经历。

感指导教师林天极和帮助修改的同学。

我的学生生涯就要完毕了，感觉到自己做得还不够，在以后的日子中，我一定得更加严格要求自己，改正缺点，不断努力，不断进步。