薄壁零件的数控车削
2020-5-1 来源： 韶关市乳源瑶族自治县中等职业技术学校 作者：崔 毅
摘要：薄壁零件的加工由于夹紧力、车削力、车削热、内应力、振动与变形等因素的影响，使工件产生较大的变形，导致零件的加工质量难以保证。笔者从工件的装夹、刀具要求、程序的编制等方面进行综合考虑，解决了薄壁零件的车削加工难题，从而有效提高了零件的精度，保证了产品的质量。
关键词 ： 薄壁零件 车削加工 夹具 程序
薄壁零件因其结构紧凑、质量轻、节省材料等特点，在各工业部门日益得到广泛应用。但由于薄壁零件强度低刚性差，加工过程中极易变形，难于保证零件的加工精度，所以薄壁零件加工难成为一个凸显的问题。下面以某型号产品的一薄壁套筒为例，对薄壁零件的数控车削加工工艺进行研究。
1、 影响薄壁零件加工精度的主要因素
影响薄壁零件加工精度的因素有很多，但归纳起来主要有以下三个方面：
1.1 易受力变形
因壁薄，在夹紧力的作用下，容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。如图1 所示。
图 1 工件振动变形
1.2 易受热变形
因工件较薄，切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难以控制。
1.3 易振动变形
在切削力 （特别是径向切削力） 的作用下，容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度和形状、位置精度和表面粗糙度。
2 、薄壁零件加工案例分析
如下图 2 所示，是企业接单生产的薄壁零件。为了提高产品的合格率，我们从工件的装夹（夹具的设计加工）、工艺路线分析、刀具几何参数、切削用量等方面进行综合考虑。实践证明，有效提高零件的精度，保证了产品的质量，提高了生产效率，为企业赢得了经济效益。
图 2 薄壁零件
2.1 图样、毛坯及加工难点的分析
2.1.1 图样分析 该零件是一个套类薄壁零件，左端为一个70 mm、 厚度为 5 mm 的薄大凸外圆，在外圆右端面上有一 58 mm、宽度和深度都为 3 mm 的端面槽，左端中间由壁宽为 5 mm、厚为 3 mm 的六块肋板组成，肋板中间有 20 mm、厚为 1.5 mm 的圆孔。零件右端为一个圆筒，壁厚为4 mm， 在48 mm 的圆筒外圆面上加工有M48 × 2 的三角螺纹，整个零件的工艺倒角为 0.5× 45°，总长为 55 mm。
2.1.2 零件毛坯分析 毛坯是由生产厂家铸造成型的粗坯，材料为 45#钢，需要加工零件的外圆、端面、端面槽和螺纹部分，其中螺纹是加工重点，每个面的加工余量小，只有 0.5～1 mm，而加工的批量又较大。
2.1.3 从零件图样要求及材料分析 加工此零件的难度主要有两点：①主要因为是薄壁零件，材料为 45#钢，批量较大，既要考虑如何保证工件在加工时的定位精度 ， 又要考虑装夹方便可靠。而我们通常都是用三爪卡盘夹持外圆或撑内孔的装夹方法来加工。但此零件较薄，车削受力点与夹紧力作用点相对较远 ， 还需车削M48 × 2 螺纹，受力很大，刚性不足，容易引起
晃动 。 因此要充分考虑如何装夹和定位的问题。②螺纹加工部分厚度只有 4 mm，而且精度要求较高。
2.2 夹具的设计
2.2.1 右端外圆的装夹设计 此端为薄壁，厚度为 4 mm。从图 3 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，会出现图 1 的情况，使零件变形。如图 4 所示，采用开缝套筒装夹，增大零件的装夹接触面，零件的变形小，此方法可行。
图 3 三爪自定心卡盘装夹 图 4 开缝套简装夹
2.2.2 装夹采用的办法 对于毛坯上 5 mm 凸圆的右端面以及端面槽、右端外圆和螺纹的车削，装夹采用的办法就是先在卡盘的三个卡爪上按要求车削一个直径为80 mm、 深度为 2 mm 的圆孔。之后，分别焊接一个扇型凸台，凸台厚度为5 mm，将卡爪改进成如图 5 所示的情况，用来夹住零件的左端，然后在零件的右端设计一个专用夹具如图 6 所示，把其放入内孔中，用来固定并顶住零件右端，从而形成一夹一顶的牢固装夹，其装夹示意图如图 7 所示。当加工完成后，右端专用夹具可从零件内孔抽出，如图 8 所示，从而完成零件的装卸。
图 5 卡爪改进
图 6 专用夹具
图 7 装夹示意 图 8 专用夹具
2.3 加工工艺的制订
2.3.1 螺纹的加工工艺分析 螺纹的加工是该零件的重点和难点，加工部分厚度只有 4 mm，而且精度要求较高。在加工螺纹的时候，要非常的小心，加工螺纹的切削速度和进给量都要充分考虑。另外，数控加工螺纹的指令也要选择恰当，可以根据工件的具体情况，分析一下采用哪种程序指令进行螺纹的数控加工。
FANUC 数 控 系 统 螺 纹 编 程 指 令 有 G32、G92、G76。G32 是简单螺纹切削，显然不适合。G92 螺纹切削循环采用直进式进刀方式，刀具两侧刀刃同时切削工件，切削力较大，而且排屑困难。因此在切削时，两切削刃容易磨损。从以上对比可以看出，只简单利用一个指令进行车削螺纹是不够完善的，采用 G92、G76 混用进行编程，即先用 G76 进行螺纹粗加工，再用 G92 进行精加工，在薄壁螺纹加工中，将有两大优点：一方面，可以避免因切削量大而产生薄壁变形。另一方面，能够保证螺纹加工的精度。
2.3.2 合理安排加工工艺路线 （见下表）。
合理安排加工工艺路线表
2.3 加工工艺
2.4 刀具的选择
该企业所用数控车床与高速钢刀具都是从外国进口的，其质量与性能都能得到保证。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、工件表面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°。
2.5 切削参数的选择
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。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 0.2～0.5 mm，进给量一般在 0.05～0.1 mm/r，甚至更小，切削速度 60～120 mm/min，不宜过高。根据切削用量的选用原则，合理的确定数控车床的各项切削参数 ： ① 粗车时 ， 主轴转速600～800 r/min，进给速度 F120～F160，留精车余量 0.3～0.5 mm。②精车时，主轴转速 1 200～1 500 r/min，进给速度 F60～F80，采用一次走刀完成。③螺纹加工时，用 G76 粗车完成后，留给精车余量 0.1～0.2 mm， 再用 G92 指令精车三次，主轴转速 500 r/min
2.6 切削液的选择
在车削薄壁工件时 ， 切削液是必不可少的， 应根据加工材料、加工性质和刀具材料等具体情况选用适当的切削液， 才会更有利于加工的进行。该企业他们统一用专用的冷却油，冷却效果明显，对工件和刀具的润滑作用很好。最后，进行科学编程并进行单件试制加工后调整，再批量生产。
3 、加工时的注意事项
①要遵守安全操作守则，安全文明生产。
②工件要夹紧，以防在车削时打滑飞出伤人和扎刀。
总之，通过实际加工生产，以上措施很好地提高了薄壁零件的加工精度，减少了工件装夹与校正的时间，降低了操作者的劳动强度，提高效率并保证加工后零件的质量，经济效益十分明显。
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