薄壁零件的加工工艺和夹具设计

摘要：本文系统设计了薄壁零件的数控车削加工工艺。通过探讨薄壁零件在加工中存在的易变形、零件尺寸精度、位置精度及表面粗糙度不易保证等技术问题，对加工难点进行分析，给出了加工工艺路线和加工方案，通过优化、完善夹具设计和切削参数，防止了薄壁零件加工变形、保证了较好的尺寸精度和位置精度，从而有效解决薄壁零件的车削加工难题。由于薄壁零件刚性差、强度弱，在加工中极易变形，是零件的形位公差增大，不易保证零件的加工质量。因此对薄壁零件的装夹，切削加工过程中刀具的合理选用及切削量的选择，提出了严格要求。在普通车床上加工形状较复杂、有一定精度要求、且需要多把刀具进行加工的批量零件时，不仅需要频繁换刀和装夹，花费大量的人力和时间，而且加工出来的零件质量取决于加工人员的技术水平, 产品质量得不到充分的保证。而运用数控车床，结合传统的加工工艺，不但能大大缩短加工时间、提高加工精度，而且成品率高、产品质量稳定。所以，在运用数控机床加工过程中为保证被加工薄壁件的必要的精度，有同轴度要求的内外圆柱面或有垂直度要求的外圆与端面，尽可能在一次装夹中完成；需要编制其加工路线、合理的选择个阶段的加工参数并编写高质量的数控加工程序。为完全保证零件的形位公差需要设计其装夹的夹具，为此，对零件图纸、零件加工及时效处理等方面都认真地进行了分析和研究。图1-1由图1-1可看出，64mm的外圆对60mm的内孔的同轴度，64的外圆的圆度和表面质量以及内孔尺寸精度的加工是该薄壁零件最主要的加工难点。因为该零件刚性差、强度弱，在加工中极易变形，表面质量、垂直度及同轴度难以保证。镗削内孔时应一次装夹中加工出来，以保证该零件的尺寸精度。针对薄壁零件壁薄、刚性差、易变形的特点，可设计该薄壁零件专用夹具装夹，以保证零件的尺寸精度和形位公差达到图纸技术要求。这些加工难点的存在，使得加工过程中刀具选择、加工工艺路线安排、工艺装夹方式确定等对于该零件是否合格非常关键。加工工艺分析与设计套类零件是用来支承旋转轴及轴上零件或用来导向的,该类零件的主要表面是内孔和外圆,其主要技术要求是内孔及外圆的尺寸以及圆度要求;内外圆之间的同轴度要求;孔轴线与端面的垂直度要求。薄壁套类零件壁厚很薄,径向刚度很弱,在加工过程中受切削力、切削热及夹紧力等因素的影响,极易变形,导致以上各项技术要求难以保证。针对这些问题,本文对薄壁套类零件加工过程中装夹方法、切削用量、刀具几何角度等做了初步的探讨。 1.薄壁套类零件的加工分析 (1)工件装夹方法薄壁类零件在加工过程中如果采用普通装夹方法,会因为产生很大的变形而无法保证加工精度。如图1所示。图1 套筒夹紧变形误差 故薄壁类零件的装夹,一般应增大工件的支承面和夹压面积,或增加夹压点使之受力均匀,并减小夹压应力和接触应力,必要时可增设辅助支承,以增强工件的刚性。具体措施如下: 采用工艺夹头装夹车削时在坯料上预留一定的夹持长度,在工件完成内孔、外圆及端面的加工后切掉。这样不但防止了工件产生太大变形,而且保证了内孔、外圆及端面间的位置精度。但这种方法在应用中有 局限性而且会造成材料的浪费。 增加夹压点或夹压面积通过增加夹压点或夹压面积减小零件的变形或使变形均匀化。如:采用专用卡爪或开口过渡环装夹;采用液性塑料自定心夹头或弹簧夹头装夹;采用传力衬垫装夹等。 变径向夹紧为轴向夹紧使夹紧力作用在刚度较大的轴向,避免了径向发生大的变形。 (2)切削用量的选择为减少工件振动和变形,应使工件所受切削力和切削热较小。在切削过程中产生的切削力可以分解为三个分力:主切削力Fz、进给抗力Fx、吃刀抗力Fy。切削力的经验公式为: 其中吃刀抗力Fy作用在机床和工件刚度最差的方向上,容易引起切削振动和工件的弯曲变形,影响加工精度和工件表面质量。 切削热计算公式为: 从以上两式中可以看出,切削用量应该选较小值,但考虑到生产率及加工塑性材料时避开积屑瘤的影响等,一般背吃刀量和进给量取较小值,而切削速度取较大值。从式(2)中可以看出切削速度增大后产生的热量会增多,但同时工件与刀具的相对运动速度也提高,使热量来不及传到工件上而大部分被切屑带走,因此,对加工的影响并不会增大。 (3)刀具角度的选择加工薄壁类工件的刀具刃口要锋利,一般采用较大的前角和主偏角,但是不能太大,否则会因刀头体积的减小而引起强度、刚度下降,散热性能变差,最终影响加工精度。刀具角度的取值与工件的形状、材质以及刀具自身的材料有关。2加工工艺过程分析在薄壁套的加工中有两个主要因素影响加工精度：（1）薄壁套本身的刚度比较差，在外力（切削力、夹紧力）的作用下容易变形。（2）薄壁套毛坯为d70x7的45号无缝钢管，孔的加工余量大，切削时会产生较大的残余应力，并引起内应力的重新组合。因此在安排工艺时，就需要把各主要表面的粗精加工工序分开。这样，粗加工产生的误差和变形就可以通过半精加工和精加工予以修正，并逐步提高零件的精度和表面质量，最后达到零件的技术要求。通过对该零件的基本情况及加工难点的分析，划分出薄壁套零件的加工阶段并制定出其加工工艺过程。62.1加工阶段的划分薄壁套的加工基本上分为三个阶段：（1）粗加工阶段。主要包括粗车外圆和粗镗内孔来去掉大部分余量。（2）半精加工阶段。主要完成零件一些次要表面的加工，并达到零件表面质量和未知精度的要求。其次，采用半精车加工在精加工之前达到必要的精度和加工余量，从而为套外圆的精加工做准备。（3）精加工阶段。为保证薄壁套零件外圆表面质量达到图纸的技术要求，采用精车零件外圆最后达到所需的精度和粗糙度。2.2定位基面的选择薄壁套是一典型薄壁零件，在外力作用下很容易产生变形，薄壁套内孔与台阶孔表面的尺寸精度和位置精度的要求比较高，因此希望以一个统一基面定位来加工这些要求较高的表面。实际加工中我们选择外圆表面和断面1作为加工定位基面。采用外圆表面和断面1作为基面有以下优点：（1）用这种定位方法可以加工外圆表面、端面、内孔。且在一次装夹中完成精度要求较高的表面的加工，既提高了生产效率，又能保证各表面的尺寸精度和位置精度。（2）以外圆作为定位基面一次装夹同时完成外圆和内孔的加工，可以减小薄壁套的壁厚差，从而保证其壁厚均匀。（3）所选定位基面与设计基准重合，可以避免因基准不重合而引起的定位误差，更好的保证精度。2.2加工工艺过程薄壁套的尺寸精度、加工形位精度的要求比较高。但薄壁套壁薄、刚性差，容易产生变形，这就给薄壁套零件机械加工带来了很多困难，必须予以充分重视。薄壁套需要加工的表面有：外圆、内孔及左右端面等。各主要表面的工序安排如下：（1）外圆面：粗车、半精车、精车；（2）两端面；粗车、半精车、精车；考虑薄壁套零件需要加工的内容不多，加工完成后就能达到待检状态，因此以一次安装加工作为一道工序。该薄壁零件的数控加工工艺过程如表2-1所示。表2-1 薄壁套机械加工工艺过程数控加工工艺过程综合卡片产品名称零件名称零件图号材料薄壁套45号无缝钢管程序编号夹具名称使用设备车间O0001扇形软三爪卡盘数控车床数控中心序号工序名称工序内容、技术要求及工序简图备注1粗车内孔和端面1及半精车内孔粗车断面1，且粗车内孔加工到58mm长度尺寸45mm左右半精车内孔至59mm工序一简图2粗车端面2工件调头粗车端面2，保证薄壁套总长度为45mm工序二简图3自然时效处理按薄壁套时效工艺进行，时间为一个月4粗车，半精车外圆以及精车外圆采用专用夹具装夹，加工到下列尺寸及技术条件：粗车外圆面至65mm，半精车外圆至64.4mm 精车外圆至要求尺寸64mm工序四简图5精车内孔工件至于套筒内加工精车内孔到60mm工序五简图3加工工艺方案的设计3.1刀具的选择数控编程时，正确选择刀具是数控加工工艺中的重要内容，其不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。选择刀具通常考虑工件材料、加工型面类型、切削用量，以及其他相关因素。刀具选择总的原则是：既要求精度高、强度大、刚性好、耐用度高，又要求尺寸稳定，安装调整方便。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具的刚性。在此原则上，综合考虑45钢材料的加工特点以及加工中振动和切削力引起的变形，薄壁套零件的加工刀具均选用机夹可转位车刀，切削刀具参数选择见表3-1。表3-1刀具的参数选择刀具名称刀具半径/mm主偏角前角后角刀片材质外圆粗车刀0.490259YG6外圆半精车刀0.2752511YW1外圆精车刀0.2752511YW132切削用量的确定数控编程中，必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。其选择原则是保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限度的提高生产率，降低成本。由于此零件为薄壁零件，加工时，刚性较差，易产生振动，刀具的切削硬度又不足以满足加工需求，为此，在刀具和夹紧力相对固定的情况下，只能通过优化切削参数进行调整，以表面粗糙度计算公式： （式3-1）（进给量，刀尖圆弧半径）为参考，切削用量选择见表3-2。表3-2切削用量的选择刀具名称转速r/min进给量/mm背吃刀量/mm外圆粗车刀6000.43外圆半精车刀12000.150.9外圆精车刀12000.150.13.3冷却与润滑用硬质合金车刀粗车45钢时，一般要用冷却润滑，但因切削用量较大，可用质量分数5%的乳化液。精加工时由于45钢容易和氢起化学作用，使薄壁套零件表面产生很细的针孔，不宜采用水剂切削液。为减少摩擦和粘刀，一般采用煤油或煤油加机油的混合。5冷却液对零件冷却时切忌时有时无，以避免刀具出现冷热交变而产生破裂现象，必须连续、充分地浇注，以改善已加工表面的质量和提高刀具使用寿命。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表。夹具设计1. 在粗车和半精车薄壁套内表面时，我选择的是在毛胚圆筒外面加上一个套筒进行夹紧，在这个套筒上是开了缝的，方便在三爪卡盘上能有效夹紧需要加工的薄壁套。2. 在半精车内孔后，可以以内孔为定位基准加工外圆，这时就应制作一个专用夹具心轴。 2.1夹具设计总要求夹具通常安装在车床的主轴前端部，与主轴一起旋转。由于夹具本身处于旋转状态，因而夹具在保证定位和夹紧的基本要求前提下，还必须有可靠的防松结构。1）结构紧凑、悬伸短 夹具是随主轴一起回转的，重心应尽可能靠近主轴端部，以减少惯性力和回转力矩。夹具悬伸长度L与夹具体外径D之比应参照下列数值选取。 当D150mm时， 取LD1.25； 当150mmD300mm时，取LD0.9； 当D300mm时， 取LD0.60。薄壁套夹具的外径是63mm，所以选择L/D1.252）平衡、配重 为避免回转时产生离心力而引起振动，对夹具应进行平衡。 平衡的方法有两种：设置配重块或加工减重孔。配重块上应开有弧形槽或径向孔，以便调整配重块的位置。3）夹紧机构应安全耐用 夹紧点尽量选在工件直径最大处，夹紧力足够大，在切削过程中，不至于在离心力和惯性力作用下使夹紧松动。夹具上尽可能避免带有尖角或凸出部分。4）夹具与机床的联接要准确、可靠 避免安装引起的加工误差。2.2定位原件的设计要求加工回转面时，定位元件的结构和布置必须保证工件被加工面的轴线与车床主轴的旋转轴线重合。2.3夹紧装置的设计要点 夹紧机构必须产生足够的夹紧力，自锁性能要良好。优先采用螺旋夹紧机构。对于角铁式夹具，还应注意施力方式，防止引起夹具变形。2.4夹具的平衡及结构要求 对角铁式、花盘式等结构不对称的夹具：1）设计时应采用平衡装置以减少由离心力产生的振动及主轴轴承的磨损。2）夹具结构应力求简单紧凑，轻便且安全，悬伸长度尽量小，使重心靠近主轴前支承。3）夹具的结构还应便于工件的安装、测量和切屑的顺利排出或清理。2.5夹具的技术要求 除一般的技术要求外，夹具要注意以下几方面的技术要求：1）定位元件表面对夹具回转轴线或找正圆环面的圆跳动。2）定位元件表面对顶尖或锥柄轴线的圆跳动。 3）定位元件表面对夹具安装基面的垂直度或平行度。4）定位元件表面之间的垂直度或平行度。5）定位元件的轴线对夹具轴线的对称度。在心轴和薄壁套工件的配合中选择间隙配合3在精车薄壁套内表面时，在加工完成的外圆表面上再加上一个套筒进行夹紧，在这个套筒上是开了缝的，方便在三爪卡盘上能有效夹紧需要加工的薄壁套。（和步骤1相似）