如何减小轴类薄壁零件加工的变形量

董云发

摘要：轴类零件的变形，是加工中常见的问题。而薄壁的轴类零件，更容易受各种作用力的影响，使零件产生变形效果。而加工过程中，如何控制零件变形量，便成为了一个关键点。对于各种性质的作用力，我们先说说如何减小加工中刀具切削零件产生的应力，从而达到减小变形量的目的。

关键词：薄壁;变形;切削力

引言：机械制造行业，代表着一个国家的科技水平和综合国力。而薄壁轴类零件又是其中的关键元素。随着科技发展，很多薄壁轴类零部件应用在各式各样的场所，不乏有工作在高温、高压强震动等复杂多变的环境下，经常承受高负荷和热冲击，工作环境异常恶劣，从而对组成的零部件要求十分严格。为了满足生产需求，改善加工方式，提高加工质量，也成了我们必然要面对的问题。零件变形基于刀具切削产生的应力，使零件变形的是最不容易控制的一种因素，我们可以从控制切削应力导致变形的两个方面来阐述：第一，就是零件余量;第二，就是吃刀量。

1薄壁零件的特点

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。下面我们来分析一般薄壁零件的具体加工方法和注意事项。薄壁零件具有重量轻，材料少，结构紧凑特点，所以在航空航天制造业中受到了越来越广泛的应用，而薄壁零件因其薄壁而必然导致强度弱，刚性差，装夹基准小，易变形，不易保证加工质量。采用什么方法才能提高薄壁零件的加工质量，已经成为业界越来越重视的话题。

2薄壁零件车削加工变形的原因

2.1切削热引起的变形

切削热定义：切削金属时，由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。（金属切削原理）[1]。热膨胀系数是指固态物质当温度改变摄氏度1度时，其某一方向上的长度的变化和它在20℃（即标准实验室环境）时的长度比值。[1]

对于线膨胀系数比较大的薄壁件，在车削过程中所产生的切削热对零件尺寸公差影响较大，会出现在加工过程中尺寸合格，在室温下静置一段时间后，尺寸变超差的现象。

2.2切削力的作用

零件在切削过程中会产生作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。是工件材料在刀具切削零件时产生的阻力。切削力容易产生共振和变形，会影响工件的尺寸精度，形位精度和表面质量等，有时在加工过程中会出现误差复映现象。影响切削力的因素：

（1）加工机床自身的功率的是否满足使用要求，它是切削力产生的客观条件;

（2）工件本身的材质，材料的剪切屈服强度与切削力成正比关系，加工材料的塑性越好，韧性越强，相应的切削力就越大;

（3）刀具的种类和刀片参数，例如刀具角度的不同，产生切削力的大小也不同，刀具的前角增大，切削力会降低，加工脆性材料时，由于切削变形很小，所以前角对茄梨的影响不显著。刀具刀尖圆弧半径越大，刀尖与零件接触面积就越大，相应产生的切削力也就越大。

2.3夹紧力

薄壁工件的装夹，需要特殊注意，因为薄壁工件刚性差，在受夹紧力、切削力和切削热的作用下，易产生变形。且在加工完毕将夹紧力卸载掉后，工件的弹性变形回复，会使工件的加工表面变形。

3防止和减少薄壁零件变形的方法

对于切削热引起的变形，只要保证切削冷却液充足即可，通常情况下是可以保证的。而夹紧力引起的变形，可通过增加装夹的接触面的方式，让夹紧力均匀分布在工件上，装夹时就不易产生变形，例如可使用夹套和特制的软爪装夹，用以增大工件接触面。这两点本文不会作为重点来分析。至于切削应力引起的薄壁零件的变形，我们可以从两个方面来控制：第一，零件余量;第二，吃刀量。下面我们可以分别对应这两方面举实例来详细阐述分析一下。[2]

3.1控制零件余量

一般來说，我们编制规范，梳理加工流程，都是以加工顺序，加工余量为依据来实施的，零件从原始毛料到最终的成品，其中余量如何分配，在不同结构的零件有不同的分配方式，例如我们提到的薄壁零件，在编制规范，分配余量时就要考虑其变形的特性。

对于一个外圆尺寸为Φ190，壁厚只有6mm的零件来说，无疑它是一个薄壁零件。在加工时必然会出现零件变形的现象，接下来我们以此为例，来具体分析，如何通过控制余量的方式，来保证零件的变形量。

我们安排的工艺路线如下：粗车→半精车→时效处理→精车。并在粗车、半精车时去掉大部分余量。而时效的作用就是充分释放，零件在加工过程中去除余量时产生的应力。

首先，粗加工部分：根据上文已经说到的方法，粗车时在能保证最终加工尺寸的情况下，尽量减小零件的余量，去掉大量余量给半精车做准备。现在粗车后，X方向的单边余量和Z方向余量都只留1mm。可保证即使去除余量很多，零件变形量大，也不影响加工到零件的最终尺寸。

其次，半精车部分：粗车过后，进行半精车加工，保证半精车后，X方向单边留0.3mm余量，Z方向留0.2mm余量。这里Z方向包括了工件的端面，而且半精车时是要去掉所有位置的余量，包括外圆槽、内孔槽等。

然后在半精车之后，进行自然时效处理，在自然状态下放置72小时，使工件充分释放应力，这一工序非常重要。根据零件材质，有必要时，需要进炉子加热，对工件进行去应力处理。待完全释放了应力，零件不再进行缓慢变形之后，再进行精车时，才不会让零件继续变形。

3.2控制吃刀量

如果说上文控制余量的方法是通过工序，宏观控制的话;那么控制吃刀量的方法通过控制一个工序内的各个工步，在细微处进行控制。

一个外圆尺寸为Φ51.94，壁厚最薄处只有0.405mm的薄壁零件，加工此零件的关键是在精车大端，如何在精车大端时控制变形量，从而保证薄壁处的尺寸，便成了关键。

根据先内孔后外圆，先厚后薄的原则，安排工步顺序如下：

平端面→镗内孔Φ38.1→车外圆→镗内孔Φ50.45→镗内孔Φ51.13[3]

第一次镗内孔时，内孔Φ50.45和Φ51.13两处薄壁处，要去掉大部分余量，内孔的单边只留1.5mm余量。这样既保证了后面车外圆时，零件的刚性，不至于造成孔口部分塌陷，有保留了足够的余量，可保证孔口处内孔满足尺寸精度要求。

车外圆，按正常加工方式加工。车完外圆后，在距端面50mm范围内外圆上套上胶皮，作用是为了减震，降低接下来镗薄壁孔时，零件由于切削力产生的振动。

镗内孔Φ50.45，减小吃刀量，每刀只切削0.15mm，，并使用刀尖0.2的刀片，减小刀具与零件的接触面积，可以减小车刀切削零件时产生的应力，减小零件变形量，此工步完成后，取下胶皮套子，百分表打跳动度，看变形量。如果变形量较大，则继续减小吃刀量;如果变形量很小，则再次套上胶皮，继续下一工步的加工。

镗内孔Φ51.13，可分两次加工，第一次镗完，单边留0.5余量;然后再进行第二次镗，每次进给0.1，慢慢车。刀具也使用刀尖0.2的刀片，理论与上文相同，都是减小吃刀量，降低车刀切削零件时产生的应力，减小零件变形量。

结束语：车削薄壁零件时，只要找到其结构特点，并采用合理的加工方式，便可降低由各种原因引起的零件变形，提高加工效率，提高加工一次性合格率。

参考文献

[1]《金属切削原理》.国防工业出版社主编庞丽君尚晓峰

[2]《现在夹具设计手册》.机械工业出版社主编朱耀祥浦林祥

[3]《机械制造工艺学》.机械工业出版社主编王先逵