在数控车床上加工大直径薄壁零件--《工程机械》2005年05期
在数控车床上加工大直径薄壁零件
【摘要】：大直径薄壁零件由于存在加工过程中容易变形的特点,难以保证其加工精度。介绍一种在数控车床上加工大直径薄壁零件的工艺方法,可以有效保证此类零件的加工精度。设计了一种结构简单的车削夹具,推荐先加工内孔,再加工外圆的工艺流程。加工内孔时建议采用装有菱形刀片的95°内孔车刀,菱形刀片应具有多级断屑槽或点式断屑槽;加工外圆时建议采用刀片上带有修光刃的95°大主偏角机夹式车刀。分析了程序编制中的注意事项,给出了加工薄壁零件时切削用量的参考值。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TG519.1【正文快照】：
图1为拖式混凝土泵上典型的大直径薄壁零件——长衬套。以往此类零件的外圆、内孔加工是采用车加工后分别磨削内孔和外圆的方法,该工艺方法虽然可以保证该零件的外圆、内孔加工精度及粗糙度要求,但由于要经过两道工序,且需要设计不同的夹具,因此零件周转、待料时间长,加工效
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浅谈利用数控机床提高加工薄壁零件精度的方法
薄壁半圆球零件由于零件的刚性并不是横好,很容易产生变形,在加工过程中比较困难等因素,导致零件加工精度达不到要求.本文分析如何加工薄壁零件和精度要求,并提出了一定的解决方法.
作者单位：
江苏省盐城机电高等职业技术学校,江苏 盐城 224005
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薄壁叶片的变形形式主要有弯曲变形和扭转变形。设备薄壁叶片加工变形主要由工件、刀具、夹具和机床组成的工艺系统产生, 主要原因是内应力的释放和切削残余应力产生，因此，减少加工变形的主要措施就是减少应力产生。目前，减少或消除加工应力最常用的方法有分阶段加工、热处理和高速铣削。　　1 分阶段加工　　为减小叶片的加工应力，加工过程分为粗加工、半精加工和精加工3个阶段。粗加工主要问题是如何获得高的生产率，切除的余量大，切削热、切削力以及内应力重新分布等因素引起的叶片变形较大;半精加工时余量较小，叶片的变形也较小;精加工时叶片的变形更小。　　2 热处理　　减少加工变形最有效的措施是热处理，由于粗加工余量大，加工应力相应也大，因此在粗加工和半精加工工序之间增加热处理，以去除加工应力。具体采用什么样的热处理方法要根据零件的材料和性能，按热处理规范进行选择。　　3 高速铣削技术　　高速铣削采用极浅的切削深度和极窄的切削宽度，因此切削力比较小，和常规相比切削力至少降低30%。这对于加工刚性较差的薄壁叶片来说可以降低加工变形，使这类零件精细加工成为可能。薄壁叶片在加工时容易产生振动，振动会导致叶片变形。因此, 对于薄壁结构零件的加工, 在保证加工效率的前提下,首先选择高速切削方式, 以远离工艺系统的固有频率;此外, 对不同壁厚的零件作模态分析, 了解工件的不同阶固有频率, 然后选择合适的切削速度以求避免发生工件的切削振动。　　4 误差补偿技术　　误差补偿技术自20世纪70年代提出以来广泛用于提高数控机床的加工精度。利用误差补偿技术，即使中等精度的机床也可加工出高精度的零件。根据实现方法的不同，加工误差补偿系统可以分为2类：实时误差补偿和离线误差补偿。实时误差补偿系统对切削过程进行在线监测，并根据综合误差模型的分析结果，通过反馈信息及时调整切削参数和补偿刀具路径。此种实现方案对各种实时监测设备的精度和灵敏度要求较高，相对比较难以实施。离线误差补偿的思想是运用材料力学理论分析法或有限元模拟技术分析预测工件刀触点处变形量的大小，或者通过实际测量加工样件的方法。离线误差补偿技术相对容易实施，特别适合于批量生产的情形。　　加工变形误差补偿方法　　通过材料力学理论分析法[4]、有限元分析法或测量数据分析法获取零件表面加工变形误差的详细分布信息，并据此预修正原始数控编程刀位，补偿刀具、零件变形产生的让刀误差，从而达到一次走刀高速精加工目的。　　1 材料力学理论分析法　　以工程力学和弹性力学理论为基础采用简化模型技术，建立叶片在典型夹具结构中的受力模型，并进行弹性变形分析，计算叶片工艺刚度。以图形方式直观、清晰地对比叶片在各种夹具下的工艺刚度，通过叶片长度、宽度和厚度等宏观几何尺寸方便地判断加工中变形程度和变形最大区域，在编程前选用和优化夹具结构，提出补偿措施，在一定程度上弥补让刀变形精度损失。　　2 有限元分析法　　根据有限元分析计算结果，建立工件加工表面的变形误差分布模型，修正原始数控编程刀位，有效补偿加工变形误差。　　工件加工表层残余应力的存在严重影响其疲劳强度和使用性能,残余应力引起的扭曲变形也会显著降低工件加工精度, 特别是对于航空工业中普遍使用的薄壁结构影响更大。如何准确预测、控制工件表层残余应力和扭曲变形, 改善加工表面完整性以及提高数控加工精度,一直是精密、超精密切削领域重要的研究课题。运用热弹塑性大变形有限元方法,Lin等模拟了不同切削速度、切削深度条件下NiP合金超精密切削表层残余应力的分布规律,发现沿工件表层深度方向残余压应力先增大到一定值后开始减小, 出现最大残余压应力的位置随着切削深度的增加而加深。El–Axir研究了材料的拉伸强度以及切削速度、进给率对工件车削表层残余应力分布规律的影响, 认为工件表层残余应力沿深度方向符合多项式函数分布。利用测定残余应力的钻盲孔法,Sridhar等分析了铣削加工钛合金IMI-834时工件表层残余应力的分布状况。研究结果表明, 对于所选用的切削参数范围而言, 工件表层残余应力基本上处于压应力状态,文中同时确定了在不影响材料微观组织结构和机械性能前提下的消除残余应力的最佳热处理工艺温度。　　3 测量数据分析法　　材料力学理论分析法和有限元分析法是对叶片变形误差进行预测，预测准确与否与切削力模型和加工工艺模型有很大关系。测量数据分析法是对加工完成的叶片试件进行三坐标测量机测量，通过检测结果的分析对叶片的加工误差进行补偿。数据分析法是事后分析，而材料力学理论分析法和有限元分析法是事前预测，相比较而言测量数　　据分析法成本较高。测量数据分析法是对叶片试件进行测量分析，因此试件的数量选择很重要，一般一批3～5件叶片为好。另外，试件加工也要求工艺的稳定性，如果工艺不稳定，加工的试件变形情况就没有规律，从测量数据中就不能准确分析叶片变形情况。测量数据分析法是采用三坐标测量机对加工完成的叶片进行测量，通过分析测量数据得出　　叶片的变形误差规律，再根据叶片的变形情况对CAD模型进　　行修改，即对叶片CAD模型进行反变形造型。然后通过修改的CAD模型重新编写NC代码，对叶片进行加工。
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摘& 要：在数控车的加工过程中，不可避免地会碰到一些薄壁零件的加工，而薄壁零件在加工过程中尺寸和形位难免会发生变化。变化的原因不同，就决定了解决和预防的办法不同。本文详细分析了薄壁零件加工的特点以及防止变形的工艺方法，结合在教学实践中的实例设计出加工方案。
关键词：数控车；薄壁零件；工艺分析
&&&&&&& 1 薄壁零件加工时的特点、问题及其解决方案
&&&&&&& 机械加工过程中的工件变形问题是一道重大难题。要解决这道难题，首先必须分析出工件产生变形的原因，而后才能采取正确的应对措施。薄壁工件加工时，由于工件的刚性差，在车削的过程中，可能会产生以下现象：
&&&&&&& 1.1 工件的结构和材质会影响工件的变形。变相量的形状复杂程度、壁厚大小以及长度成正比，与材质的稳定性与刚性成正比。要想减少这些因素对工件变形所造成的影响，就要在设计之初对这些零件的结构做出充分的分析，尤其在大型零件的结构上更应该做到结构合理。另外，在加工之前也要严格地控制好毛坯的疏松度和硬度等缺陷，保证其质量，才能减少其带来的工件变形。
&&&&&&& 1.2 在夹压力的作用下薄壁工件容易产生变形。因工件壁薄，所以在夹压力的作用下最容易产生变形，不但影响了工件的形状精度，而且还导致了工件的大小尺寸也受到较为严重的影响。如在加工工件内孔的时候，由于三爪卡盘的夹紧力较大，内孔会略微变成三角形，但车孔后得到的却是一个圆柱形。松开卡爪，取下工件之后，弹性随即恢复，外圆逐又恢复成圆柱形，内孔则变成了弧形三角形。这时如果用内径千分尺测量，各个方向直径成D相等，但已变形不是内圆柱面了，像这样的现象，我们便称之为等直径变形现象。
&&&&&&& 1.3 工件热变形。切削热会引起较为薄弱的工件产生热变形，致使无法准确控制工件的大小尺寸。对于那些膨胀系数较大的金属薄壁工件，由切削热引起的工件的热变形甚至还会对其尺寸的精度产生极大影响，严重者还会导致工件卡死在夹具上。
&&&&&&& 1.4 震动变形。震动变形是指薄壁工件在切削力（尤其是径向切削力）的作用下所产生的震动与变形，它直接影响到工件的形状、尺寸精度、表面粗糙度及位置精度。
&&&&&&& 1.5 工件装夹时造成的变形。首先要选择正确的夹紧点来给工件装夹，其次则要根据夹紧点的位置来选择适当的夹紧力。因此尽可能地使夹紧力作用在支撑上，让夹紧点与支撑点之间保持一致，夹紧点还要尽量靠近加工面，选择受力不易引起夹紧变形的位置。
&&&&&&& 另外，为有效降低工件装夹时产生的变形，还可增大工件与夹具的接触面积。比如，使用大量的弹性压板来铣削加工薄壁件，此目的就是为了增加接触零件的受力面积；在车削薄壁套的内径及外圆时，无论是采用简单的开口过渡环，还是使用弹性芯轴、整弧卡爪等，均采用的是增大工件装夹时的接触面积。这种方法由于有利的承载了夹紧力，所以对有效避免零件的变形起到了极大的作用。采用轴向夹紧力来避免装夹变形在生产中也被人们广泛使用。
&&&&&&& 另外，为了使夹紧力作用在端面上，还可设计制作专用夹具，这样也能有效地解决由于工件刚性较差，壁薄所导致的工件弯曲变形问题。
&&&&&&& 1.6 工件加工时造成的变形。由于工件在切削过程中会受到切削力的作用，产生向着受力方向的弹性形变，所以在精加工时，一定要保证道具的锋利，减少工件与刀具摩擦时所产生的阻力，提高刀具在切削时的散热能力。
&&&&&&& 在加工的过程中，工件与刀具之间摩擦所生出的热能也能使工具变形，所以应当尽量选择高速切削加工。
因为在高速切削加工中，切屑会在非常短的时间内被切除掉，大部分的切削热就会被这些切除掉的切削屑给带走，从很大程度上减少了工件的热变形现象。其次，由于切削层材料被软化的部分在高速加工中会减少，还可有效地减少零件的加工变形，有利于保证零件的尺寸以及形状的精度。
&&&&&&& 1.7 加工后应力变形。加工后，零件外形相对稳定，但零件本身却存在着内应力。这些内应力的分布虽然是一种相对平衡的状态，但在去除一些材料和热处理之后，还是会发生变化。这时工件需要重新达到力的平衡所以外形就发生了变化。
&&&&&&& 可以通过热处理来解决这类变形。首先把需要校直的工件叠成一定高度，采用一定工装压紧成平直状态，然后把工件和工装一齐放进加热炉中，根据零件材料的不同，选择不同的加热温度和加热时间。工件内部组织会在热校直之后变得相对稳定。此时，工件不仅得到了较高的直线度，而且加工硬化现象也得到了消除，更便于零件的进一步精加工。铸件要做到时效处理，尽量消除内部的残余应力，采用变形后再加工的方式。对于大型零件要采用仿形加工，即预计工件装配后的变形量，加工时在相反的方向预留出变形量，可有效的防止零件在装配后的变形。
&&&&&&& 2 减少和防止薄壁件加工变形的方法
&&&&&&& 2.1 工件分粗，精车阶段。由于粗车时的切削余量很大，所以夹紧力也很大，变形也就自然而然地更大；而精车时，不但夹紧力小、变形小，而且还可消除粗车时由于切削力过大所产生的变形。
&&&&&&& 2.2 合理选用道具的几何参数。精车薄壁工件时，刀柄的刚度要求高，车刀的修光刃不易过长(一般取0．2～0．3mm)，刃口要锋利。
&&&&&&& 2.3 增加装夹接触面。采用一些特制的软卡爪或开缝套筒来装夹触面增大，让夹紧力均匀分布在工件上，从而使得工件在夹紧时不容易产生变形。
&&&&&&& 2.4 采用轴向夹紧夹具。尽量不使用径向夹紧来加工车薄壁工件，而要优先选用轴向夹紧方法。工件靠轴向夹紧套(螺纹套)的端面实现轴向夹紧。由于夹紧力F沿工件轴向分布，而工件轴向刚度大，不易产生夹紧变形。
&&&&&&& 2.5 增加工艺肋。可以特制几根工艺肋在某些合适的薄壁工件的装夹部位，以此增强此处的刚性，将夹紧力转移在工艺肋上，以减少工件的变形，待加工完毕之后，再去掉工艺肋。
&&&&&&& 2.6 选择、加注切削液。要减少工件热变形，就得降低切削温度，所以在开始切削之前一定要注意选择和加注切削液。粗加工时，可选用冷却性能较好的切削液，如硫化极压乳化油、极压乳化油等。精加工时可选用具有一定的润滑性能和冷却性能较好的切削液，如矿物油+煤油、硫化油+煤油等。
&&&&&&& 3 数控车削薄壁件参数选择
&&&&&&& 在进行薄壁加工时，数控车床具有极大的优势，对于壁后薄、直径小、长度短的薄壁工件，可以一次性车削成型。合理选择刀具参数，对提高刀具的耐用度和工件的加工质量有着至关重要的作用，所以应该注意选择合适的刀具角度，并且不要夹持在薄壁位置。在粗车时，因切削力比较大，主要考虑的是刀具的强度和耐用度，在不降低刀具强度的条件下，可适当把前、后角取的大一些。还可以在主切削刃上负倒棱来增加刀头强度，以提高刀具的耐磨能性。
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