軸類薄壁零件的工藝特征及加工分析

孟博鳳 董惠珍 崔禮泉

【摘 要】文章從對軸類薄壁件的特性分析入手，對影響零件加工質量的因素，作了具體分析，揭示了薄壁零件切削加工的實質性問題。彈性變形與切削振動的關系，指出了提高零件在加工中防止變形，提高質量的工藝措施。

【中圖分類號】 F407.44【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0250-02

前 言

隨著社會的發展，人們對產品的質量要求不斷提高，希望其產品輕巧、美觀、環保、節約原材料，所以薄壁零件被更多應用到產品中。因此，提高薄壁零件的加工質量，對滿足產品高品質的要求起著重要的作用。而該類零件的突出特征是零件的剛度低，精度高，在加工中容易產生變形，加工制造的難度大。因此對薄壁零件的加工進行深入的研究有著十分重要的意義。下面我們主要對軸類薄壁零件的加工作出分析研究。

一 、 薄壁零件的特性

薄壁零件的壁厚和零件的整體尺寸相比，很小。因而使零件本身剛性減弱，當受到外力的作用時容易引起變形。薄壁零件的工藝穩定性差。對于軸類薄壁零件，壁厚的大小對零件的加工質量影響很大。壁厚大的，剛度大。壁厚越小，零件的剛度越小，變形量越大。這是造成加工誤差的天然因素，也即內因。有時為滿足設計要求我們難以改變，那么我們就只能從構成加工誤差的外部因素加以分析。下面我們分析造成加工誤差的其他因素。

二、 薄壁零件加工誤差分析

由上述分析可知，薄壁零件的剛度低，是造成加工誤差的內部因素，構成加工誤差的外因，一方面，與機床本身的精度，刀具的性狀有關。另一方面，與零件所受外力有直接影響。

1、 切削力的影響

例如，在車床上或外圓磨床上加工長軸時，零件被裝卡在兩頂針之間。切削力Py，使零件發生彎曲變形。因而，在零件的全長范圍內，切去的金屬層厚度不均勻，在中間部分切去的金屬層最薄，形成腰鼓形誤差。（圖1）

對于壁厚不均勻的零件，當加工偏心外圓時，由于切削力的影響，就會在薄壁處出現內外表面塌陷（圖2-1），或外圓表面凸起的情況（圖2-2）。

1） 發生永久變形時產生誤差的情況；2） 發生彈性變形時產生誤差的情況

2、 夾緊力的影響

利用三爪卡盤夾持零件進行鏜孔時，零件的內孔，是當零件發生了彈性變形的情況下成形的（圖3），當取下零件后，由于彈性的恢復，加工好的內孔，就會向原夾緊力的相反方向伸長，造成圓度誤差。

3、 彈性變形與切削振動的影響

綜上分析，盡管各類零件的形狀結構不同，加工方法各異。但對影響加工誤差的原因，卻有一個共同點。這就是：外力引起的彈性變形，產生加工誤差。其誤差的大小，與零件發生彈性變形的程度有關。

切削過程中的彈性變形，是產生切削振動的重要根源。

切削振動，反回來又加劇薄壁零件的彈性變形。這種由變形引起振動，振動加劇變形的往返過程，是薄壁零件切削加工中的一個顯著特點，也是造成加工誤差的重要原因。

三、 改善薄壁零件切削加工的基本途徑

根據薄壁零件剛度低的特點，在制定加工方案時，常常把增加零件的有效剛度，選擇合理的夾緊方式，優選刀具幾何參數以及改變工藝方法等手段，當作重要的措施原則。

1、增加零件的有效剛度，提高零件在加工中抵抗變形的能力。

當刀具切入剛度低的零件時，由于工件發生彈性變形，即使一把鋒利的刀具，也會遇到來自工件方面的“以柔克剛”的反切削阻力。使工件與刀具的相對位移加大，切削振動加劇。在此情況下，必須提高零件的有效剛度，才能保證切削的順利進行。例如，1）對長徑比大的軸類零件，利用中心架和跟刀架，使有效長徑比變小，使有效剛度增大。改變由兩端頂起為一端用車頭夾持，一端用頂針支撐的方式，以及對精度高的長軸，兩端頂針孔必須經過研磨，獲得正確的錐孔及高的光潔度等方法，都是減少接觸變形，增大支承剛度的有效措施。2）對于薄壁筒零件欲增加其有效剛度，可以增加有效厚度著手，在零件受加持的部位，襯一足夠厚度的整圓襯圈，連同襯圈一起加緊零件，使薄壁受到支撐，避免夾緊處的應力集中，減少夾緊變形。

2、選擇合理的夾緊方式，消除或減少零件的夾緊變形。

1）在細長軸零件的加工中，由于零件的熱擴散性能差，切削熱會導致零件產生很大的線膨脹，加劇零件的彎曲變形和振動。若采用彈性夾頭和塑性液壓頂針并使用跟刀架，工件與卡爪間為線接觸，起萬向調節作用，可以減少零件的彎曲變形。同時采用反向走刀的切削方式，可提高加工質量。

由于零件很長，刀具由一段走到另一端，會因磨損過大而很快降低切削能力并帶來加工誤差。因此，在跟刀架的作用下，工件的剛度低，已不再成為矛盾的主要方面，而如何提高刀具的耐用度，則是能否完成這一切削過程的關鍵。于是，采用大走刀、小吃刀和低速切削的方法，常能收到滿意效果。

2）選擇軸向夾緊，改善工件的受力條件

當工件的內孔或外圓存在有圓度誤差時，不論夾持外圓或內孔，夾緊變形都是難以避免的?？蓪嵤┹S向夾緊。對于薄壁筒類零件，實行軸向夾緊的優點在于，當圓筒形零件承受外力時，從力學的觀點分析，在互相垂直的軸向和徑向，零件承受的應力（δ）是不相等的。當軸向夾緊時零件許可承受的外力，比徑向夾緊時許可承受的外力大得多。因此，實施軸向夾緊，可以保證夾緊力的作用方向始終通過零件本身剛性最強的截面。

3、 改進工藝方法

對于一些薄壁環狀零件，像光學玻璃壓圈、隔圈、墊環等。都具有壁厚小，兩端面平行度高的特點，為避免第二次裝卡時產生夾緊變形，多采用一次裝卡的方法完成最終工序的加工。

4、 優選刀具幾何參數，提高切割能力

刀具幾何參數的合理選擇，是反映切削過程中多因素綜合效果的重要標志。各個幾何參數，包括切削角度、刀口形狀、刀刃形狀。在切削過程中都不是孤立的在起作用，而是互相影響、互相制約。選擇時除應遵循一般的切削規律，還應針對薄壁零件的工藝特征，側重于保持刀刃的鋒利和切削過程的穩定。例如，從降低切削力，減少切削變形，加強刀具的切割能力來看，應選擇大的前角和后角及小的刀尖角。為消除由于前后角的增大對刀刃強度的影響，可采用帶倒棱的刃口形式達到銳中求固的目的。

但從減少切削振動來看，往往采用較小的后角，以增大刀具后面與工件的接觸面積。限制振動的振幅，達到消振的目的。尤其當對薄壁筒零件進行車削加工時，在刀具的主、付刀面上，用油石劈出后角等于零到負五度的消振棱。有助于消除由于零件剛度小而產生的低頻振動。

為減小由于刀具的推擠作用產生的加工誤差。應采用大的主偏角（φ=75°～90°），使切削力的分布有利于防止零件受力變形，減小切削振動。為不使刀口強度過多的削弱，可在刀尖處做出局部的小主偏角φ，形成圓弧或直線的過渡刃。

刃傾角的作用主要是控制住刀刃強度和排屑方向。針對薄壁零件剛度小，切削力不大的情況，一般刃傾角取負值（刀尖高），既可以保護已加工表面不被流屑擦傷，又可降低切削分力Py引起的振動。

參考文獻

[1] 儀器制造工藝學 ——————————————北京工學院

[2] 金屬切削加工基本原理和機床（美）布斯羅伊德———— 山東科技出版社

[3] 技術切削理論與實踐 ———————————— 北京出版社