1、烟台市职业教育科研十二五规划课题烟台市职业教育科研“十二五”规划课题“数控机床薄壁工件加工困难问题的研究”的实践研究课题研究报告课题主持人：郝占向课题研究人员：郝占向报告执笔人：郝占向一、课题研究的背景、目的和意义（一）研究背景薄壁零件具有体积小、重量轻、结构紧凑的特点，在许多产品中得到应用，随着一些产品体积向小型化、精密化发展，薄型零件的应用也越来越广泛，已经成为许多产品的关键性零件。但是，由于薄壁零件刚性差，加工时空易变形，不易保证加工质量，给该类零件的机械加工造成困难，因而阻碍了产品的设计和发展，也正因为加工困难，这一类零件也成为历年数控比赛的加工要素之一。因此，薄壁零件的加工工艺已成为
2、机械加工中必须解决的工艺问题。（二）研究目的通过对薄壁零件加工工艺及工装夹具、加工方法的设计和优化，总结利用数控技术和专用夹具加工薄壁零件的经验，并从理论上加以分析和提高，给制造薄壁类零件加工提供可行的依据。（三）研究意义使用数控设备加工的薄壁零件已日益广泛地应用在各工业部门，因为它具有重量轻，节约材料，结构紧凑等特点。但薄壁零件的加工是车削中比较棘手的问题，原因是薄壁零件刚性差，强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。对于批量大的生产，我们可利用数控车床高加工精度及高生产效率的特点，并充分地考虑工艺问题对零件加工质量的影响，为此对工件的装夹、刀具几何参数、程
3、序的编制等方面进行试验，有效地克服薄壁零件加工过程中出现的变形，保证了加工精度为今后更好的加工薄壁零件提供了好的依据及借鉴。二、课题研究的对象、范围和方法研究对象：利用数控机床加工薄壁工件研究范围：数控机床加工薄壁工件时装夹、刀具和编程等方面的研究研究方法：分析影响薄壁工件加工精度的因素，通过加工实验，逐一找到解决方法，并从中归纳确定最终的实用方案。三、课题研究的主要内容从本课题开题以来，我利用教学之余，寻找出影响薄壁件加工精度的因素，并逐一探讨对应的解决方法，已经取得了巨大的成果，我以图1为例，介绍一下我主要采用的加工措施：图11、工件的装夹我主要采用两种方法进行研究，最后进行改良，分别是：
4、方法一：先根据薄壁工件的内孔加工出一根芯轴（图2）作为辅助；然后再安装工件，加工出标准内孔；把做好的芯轴装入加工好的孔内，最好使孔轴配合间隙为0.01mm以内；加工出外圆，直至尺寸要求；把芯轴取出，用切断刀把薄壁工件切断，并控制总长为要求长度。图2方法二：和方法一类似，先根据薄壁工件的外圆加工出一个轴套（图3）辅助，再按照零件图尺寸加工出外圆，直到尺寸精度；把做好的轴套辅助零件套在加工好的外圆上，最好使孔轴配合间隙为0.01mm以内；按照图纸要求加工内孔，直至尺寸精度；把加工好的薄壁零件切断，保证总长尺寸。图3对这两种辅助工具进行试切，发现两种方法优点十分明显：都能精确保证加工的尺寸精度，并且
5、大大减少了工件的变形；在进行小批量生产时能够比普车加工节省很多加工时间；方法一的外圆和内孔是一个工步完成的，因此零件的外圆和内孔同轴度精度要高一些。同时也存在明显的缺点：用的毛坯比较大，最少要长一个装夹长度（10mm以上），一般的短料无法完成加工；工艺相对复杂，不适合大批量加工。为了减少毛坯用料，节约成本，并符合大批量生产的要求，在上面两种方法的基础上进行取舍和改进，总结出生产中可以采用的辅助工具和方法。方法三：对于大批量生产，为了节约成本，所用的毛坯尺寸比工件仅长出23mm，使用前两种方法已经不能满足加工要求，如果调头加工，由于受到切削力和夹紧力的作用，工件会变形严重，如果不掉头，则无法完成
6、加工，所以我在方法一的基础上进行辅助工件和加工工艺的改良，辅助工具见图4。图4当轴芯带动工件转动准备加工时，由于工件旋转方向自由度没有限制，因此需要一螺母与芯轴右端配合，当工件装入芯轴后，用螺母和芯轴外螺纹配合从而固定工件的轴向移动，通过轴向力使工件和芯轴连在一起，从而避免加工时有相对运动。加工步聚：首先加工工件两端面，保证总长；加工内孔，保证加工精度；把工件装在芯轴上，并且装好螺母，使工件与芯轴轴向固定，孔轴间隙最好在0.01mm以内；固定好工件，开始加工外圆，直至尺寸要求；拆卸工件时尽量不要借助机械工具，以防工件变形。方法三加工的优缺点分析：优点是节省了毛坯，一般长出23mm即可；适合大批
7、量加工，效率较高。外圆与内孔的同轴度相比较前两种方法有所降低，原因是方法三中外圆和内孔不是同一工序完成的，而前两种方法是在同一工序中加工完成；工艺相对复杂，辅助成本相对有所增加。2、刀具选用刀具几何参数和切削用量选择不当，会造成切削力过大，发生弯曲变形和表面粗糙度增大，如何选择加工刀具，以下图反向走刀车削（图5）为例进行研究。图5粗车刀：刀具特点是主偏角较大（75左右），使径向力Py减小，轴向力Px增大，能减少切削振动和弯曲变形；前角约为1520左右，可使切削更轻快；断屑槽磨成R约在2.54mm之间，有良好的卷屑作用，并增大实际切削前角。精车刀：刀具特点是具有较大前角（93左右），刀尖无倒棱，
8、切削轻快，切屑呈铝箔纸状；刀刃宽度大于走刀量1.3倍以上，有一定的修光作用；有1.52刃倾角，切屑沿待加工表面排出；刀刃必须研磨平直，表面粗糙度达R0.6以上。切削参数选择：尽量选用反向低速大进刀车削，加工过程可以减小工件变形。粗车时切削速度v=32m/min,走刀量f=0.3-0.4mm/r,切削深度ap=2-4mm; 精车时切削速度v=1.5m/min,走刀量f=0.05-0.15mm/r,切削深度ap=0.02-0.05mm。3、切削热的影响在加工中会产生大量的切削热，而对于薄壁工件来说，这些热量更不容易消除，会引起工件的变形，最终影响工件加工的尺寸，热变形公式为：LLat，式中L是工件
9、的伸长量，单位是mm，L是工件的总长，单位是mm，a是材料的线膨胀系数，单位是um/，t工件的升高温度，单位是。由公式可知，工件变形量与温度变化量成正比，因此要尽量控制零件温升。除了控制刀具、切削参数外，还要采用合理的切削液对加工工件进行充分冷却、润滑，减少热量产生，并带走切削产生的热量，改善刀具与工件的摩擦情况，降低切削热、减小热变形和刀具磨损，提高加工精度。如果仍不能使温度降至要求温度，需工件冷却后再进行二次加工。4、辅助工具的使用加工细长薄壁工件时，我主要研究了跟刀架和支撑架的使用。跟刀架固定在床鞍上，随车刀一超运动。很多时候为了简单，只用一个支承爪为于车刀对面，加工时工件不会前后移动，
10、但在高度方向还有自由度，所以在切削力和重力作用下，工件会产生上下攒动，导致加工失败。我比较研究后排除了难以准确调整的三支承爪加工方案，而采用两个支承爪成120，与车刀刀尖也互成120的位置，这样的位置可以较完整的限制上下、左右两个自由度。车超长薄壁件时由于使用跟刀架，若支撑工件的两个支承爪对零件压力不适当，也会影响加工精度。若压力过小或不接触，就不起作用，不能提高工件的刚性；若压力太大，零件会被压向车刀，导致零件尺寸变小，如果跟刀架继续移动时，支撑块与工件在力的作用下脱离，工件向外让开，车出的直径变大，这样周而复始有规律的变化，造成细长轴类出现“节状”变化，不易获得良好的表面粗糙度和几何精度。
11、所以要认真调节支承爪对工件的压力。另外加工时也要对支承爪进行相应的润滑，减小支承爪变形带来的加工误差。另外对于细长薄壁工件，在自身重力作用下，工件在刀具已经走过的位置会发生一定的下降变形，所以我加上一可调高度的托架进行支撑，工件变形也得到了改善。如果没有托架，也可以用高度合适的木块来支撑，也十分方便。5、机床调整调整主轴中心和尾座顶尖中心连线与导轨全长平行；主轴中心和尾座顶尖中心的同轴度公差小于0.02mm；调整大、中、小拖板的间隙到合适。四、课题研究的结果及取得的成果薄壁零件的加工问题，一直是较难解决的一种加工轮廓，目前一般采用数控车削的方式进行加工，为此要对工件的装夹、刀具几何参数、程序的
12、编制等方面进行加工试验，从而找到有效克服加工过程中出现的变形，保证加工精度的方法。通过研究，归纳出影响的因素主要有以下几个方面：1、受力变形因工件壁薄刚性太差，装夹时在夹紧力的作用下极易产生变形，在切削力和重力等的作用下，工件变形会更为严重，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。2、刀具因素刀具的刀柄长度、刀尖形状、锋利程度以及长时间使用时的磨损等都会影响工件的尺寸精度。3、受热变形因工件较薄散热性能较差，在切削热的作用下会引起工件热变形，从而使工件尺寸难于控制。4、工件的长度因素超长薄壁件在自身重力下易弯曲，而超短薄壁件没有装夹位置，是加工工艺要解决的问题5、机床因素使工件同轴度难以保证。工件内
13、孔完成后，再精车外圆，由于机床丝杠的反向间隙影响，难免会出现产品出现椭圆、锥度以及跳动等现象，影响内外圆的同轴度和跳动。（二）开展相关工作的初步成效：1、找到影响薄壁零件加工精度的因素2、提高薄壁零件的加工精度3、分析工件的性能特点。4、分析工件夹具的优化5、分析加工工艺的优化6、具体操作中总结经验。结束语薄壁工件的车削加工虽然是机械加工中比较常见的加工方式，由于薄壁工件刚性差,车削时受力、受热变形较大，很难保证薄壁件的加工质量要求。通过研究可以发现，根据薄壁工件的特点，采用相应的手段，如合理的辅助工具、刀具、加工参数及冷却方式后，可以保证薄壁工件的加工质量要求。由于薄壁类零件种类繁多，以及本人的技术水平和能力有限，只能选取具有代表性的零件进行研究，结果不当之处敬请指导。参考文献：1、杨彬主编数控车床加工工艺与编程中国劳动社会保障出版社2、宋建国、宋卫国主编数控技术实训教程电子科技大学出版社
