薄壁零件的加工方法

1、2007年8月第35卷第8期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSAug.2007Vol󰀁35No󰀁8薄壁零件的加工方法姚荣庆(浙江机电职业技术学院机械系,浙江杭州310053)摘要:介绍了近几年来国内外对薄壁零件加工方法的研究进展,对薄壁零件加工方法和加工技术的现状进行了阐述,并进一步指出了薄壁零件加工技术的发展方向。关键词:薄壁零件;加工工艺;数控补偿法;振动切削;高速切削中图分类号:TG506󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1001-3881(2007)8-250-4R

2、esearchonProcessingTechnologyofThin󰀁wallPartsYAORongqing(MechanicalDepartmen,tZhejiangInstituteofMechanical&ElectricalEngineering,HangzhouZhejiang310053,China)Abstract:Theprogressionoftheprocessingtechnologyonthin󰀁wallpartsinrecentyearsathomeandabroadwasintroduced,themaindevelopm

3、entdirectioninthisfieldwasproposed.Keywords:Thin󰀁wallparts;Processingtechnology;MethodofNCcompensation;Vibrationcutting;Highspeedcuttingand0󰀁前言机电产品生产中,经常存在着一些刚性差、精度高的薄壁零件,其中多数为产品的关键零件。航空航天产品中一般要求结构尺寸小、重量轻、精度高,因此薄壁零件也更多些。一般认为,在壳体件、套筒件、环形件、盘形件、平板件、轴类和特形件中,当零件壁厚与内径曲率半径(或轮廓尺寸)之比小于11ϗ

4、041;20时,称作薄壁零件。薄壁零件在加工中对各种影响因素十分敏感,极易产生变形,很难满足精度要求,严重影响产品质量,因而成为机械加工中的一大难题。1󰀁传统加工方法及工艺措施虽然由于薄壁零件的加工难度限制了它的使用的广泛性,然而通过广大工程技术人员的不懈努力,一直以来,还是有很多精度要求较高的薄壁零件在传统的车、铣、刨、磨的加工方法下制作成功,为各行各业的发展作出了贡献。在此过程中,有许多文献对影响薄壁零件加工精度的因素进行了分析,有许多的工艺措施得到了实施和完善,从而确保了零件的加工质量。在这方面文献1进行了较为全面的阐述。1󰀁1󰀁影响薄壁零

5、件加工精度的因素加工精度是加工后零件表面的实际尺寸、形状、位置3种几何参数与图纸要求的理想几何参数的符合程度。影响零件加工精度的因素主要取决于由机床、夹具、刀具和工件构成的工艺系统的几何误差、受力受热变形和工件内应力引起的误差。对于薄壁零件加工精度的影响因素主要有以下几个方面:(1)毛坯刚性低;(2)毛坯和半成品本身有形状误差,按误差复;1-2(3)装夹时零件产生弹性变形,严重影响加工表面的几何精度和位置精度;(4)切削力作用使零件产生变形;(5)机床、附件、夹具本身刚性不足,影响加工精度;(6)加工过程中的热变形增大零件的形位误差;(7)切削振动也是造成加工误差的重要原因;(8)加工后残余应

6、力的重新分布导致零件的变形;(9)零件在存放、搬运、装配、调试过程中由于零件的残余应力及使用环境如温度、振动、加速度等原因产生变形。上述诸原因中,零件弹性变形是主要,甚至是决定性的原因。其次工艺系统热变形和零件的残余应力也是引起变形的重要原因,因此要获得尺寸、形状、位置精度稳定的零组件,是一项系统工程。1󰀁2󰀁工艺措施1󰀁2󰀁1󰀁选择合理的工艺路线薄壁零件加工工艺的重点应着重于分析、研究和掌握其变形规律,进而从整个工艺环节中注重防止和解决变形问题以确保各工序的加工质量。工艺路线一般划分几个阶段,即毛坯准备ϗ

7、041;󰀁󰀁粗加工阶段󰀁󰀁󰀁精加工阶段。粗、精加工之间可安排一次或数次半精加工,一次或数次时效处理工序,目的在于消除切削力、夹紧力产生的应力和零件本身的残余应力,使变形发生在最后精加工之前。这样,一方面可以保证成品零件的尺寸精度和形位公差精度;另一方面也可以保证零件在存放、装配、调试时尺寸和形位精度的稳定性。对不够成熟的工艺方法,事先应进行必要的工第8期姚荣庆:薄壁零件的加工方法󰀁251󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁浇灌石膏;𘀀

8、1;应用低化的测量对比,以便取得经验和数据,借以更好地完善工艺方案。正确选择零件和夹具的定位基准和夹紧方式,注意前后工序定位基准的协调一致。合理分配加工余量,必要时应提高定位基准的尺寸和形状公差精度。对于同一零件的不同加工部位的精加工工序。视具体情况确定最优加工顺序。以套环类零件为例,最后精加工顺序,一般先精加工内孔(外圆余量大,刚性较好),然后以内孔为基准加工外圆。当一次装夹完成半精车和精车时,为纠正半精车时的变形,在精车前半松开零件,再轻夹紧,以减小夹紧力。最后辅加工前要检查或修正零件定位基准。又如某些零件可能自身刚性较低,但与其它零件结合后,可提高刚性,这样如是装配后不需拆卸的零件则可采

9、用装配后加工的方法。对从工艺需要装配后要拆开的零件,为补偿夹紧力引起的变形,有时也可加装一个工艺零件后再进行加工。总之,工艺路线是很灵活的,它需要不断的试验和总结。如文献3对一种7A04超硬铝合金材料薄壁零件加工变形情况进行了工艺试验。采用高低温循环处理的方法:先将工件放入低温箱内,冷到-40-50󰀁,在此低温下保持3h,回升到室温后,再放入铝合金人工时效炉内,升温到90100󰀁,保温3h,冷到室温。反复进行3次即:󰀁冷󰀁󰀁󰀁热󰀁󰀁󰀁冷󰀁

10、;󰀁󰀁热󰀁󰀁󰀁冷󰀁󰀁󰀁热󰀁循环。结果表明高低温循环处理对消除7A04铝合金件的残留应力,改善材料的切削加工性能,减少切削加工变形有明显的效果,为解决铝合金薄壁件切削加工变形提供了另一条途径。文献4提出了一种铝合金薄壁零件冷热加工方案。为及时消除工件加工过程中产生的内应力,在每道加工工序后均进行稳定化时效处理,以减小上道工序工件变形对下道工序的不利影响。经实践证明,稳定化时效处理对消除工件加工过程中产生的内应力的效果非常明显。可见合理的工艺路线对传统加工

11、方法解决薄壁零件的加工变形问题具有很重要的意义。1󰀁2󰀁2󰀁提高零件的刚度由于薄壁零件自身刚度是工艺系统刚度的薄弱环节,所以提高薄壁零件刚度是消除工艺系统变形和振动、提高工件加工精度的关键。一般来说,在零件设计完成后,其刚度是一定的,除特殊情况下采取工艺措施外(如增加工艺搭子、增加热处理等),工艺人员较难提高工件本身的结构刚度。但薄壁零件的刚度除与工件本身的结构有关外,还与工件加工时的定位、夹紧形式、工装、夹紧力的大小等有关。因此可通过确定薄壁零件在工艺系统中的适当位置、选择适当的夹紧方式、切削方法及切削用量等来提高零件的刚度。其次,增加壁厚有利

12、于提高工件的刚度。因5件。具体有:󰀁浇灌石腊;熔合金。此外还应用明矾、低熔塑料。在其它零件加工中,还有用硫磺、松香等材料的情况。俄罗斯近几年使用一种尿素树脂聚合物,作为增强零件刚性的材料。该聚合物是由96%的尿素树脂和4%的硫酸钾组成。熔融温度为134140󰀁。固化迅速,刚性好,粘结力强,溶解速度快,价格便宜。可局部或整体地增强非刚性零件的刚性。加工完毕后,把零件加热或放入水中,聚合物可自行与零件脱开。但在加工中,不能用水剂冷却液。1󰀁2󰀁3󰀁适当的装夹零件装夹可分成定位和夹紧2个功能。定位使零件处于稳定状态,对平

13、面来说应采用3点定位。定位点一般要承受夹紧力,并应具有一定强度和刚性。从定位稳定性和定位精度看,接触面越小越好;而从夹紧力功能看,接触面需越大越好,可以用小的单位面积压力获得最大的摩擦力。在精密加工中,夹紧机构和夹紧力大小的确定,都是以小的切削力为前提。应仔细分析零件的定位和夹紧机构,以及刀具对零件的施力情况,预计引起变形力的部位大小和作用方向。如径向上不受力是薄壁环形工件最好的加工状态。在薄壁套筒件的加工中,夹紧点与变形量的关系,据西德福尔卡特(FORKADT)国际夹具技术有限公司关于夹紧点与变形量的测试表明:在同一夹紧条件下,如以3点夹紧的零件变形量为1,则均匀6点夹紧产生的变形量仅为3点

14、的1/16。而12点的夹紧变形量几乎为0,可见均匀多点夹紧会大大减小零件的夹紧变形,即增加卡爪与零件的接触面积是减小夹紧变形量的重要方法。这也是软爪卡盘和开缝套筒常用于薄壁套筒件加工的原因。另外,有许多文献介绍了一些专用夹具的设计,还有如施工圈、胀套、辅助支承、液塑心轴等工装夹具的应用。这些都是各单位在实际工作中的经验总结,在实践中发挥了很大的作用。1󰀁2󰀁4󰀁合适的切削力在切削过程中作用在刀具上的切削力是由几个分力组成的一个空间合力,切削力是使零件在切削加工中产生变形和振动的主要因素之一。影响切削力大小的主要因素有:被加工材料的硬度、刀具几何形

15、状、切削用量和冷却润滑液等。(1)刀具角度对切削力的影响刀具前角和后角,应适当加大,使切削变形和摩擦减少,从而减少切削力。刀具主偏角的大小决定轴向和径向切削力的分配。对径向刚性差的零件,应取较尖的接近90󰀁的主偏角。刀具副偏角,决定刀具和已加工表面间的摩擦情况和表面粗糙度。粗加工时应取较大的副偏角,精加工时应取较小的副偏角。󰀁252󰀁机床与液压第35卷精加工薄壁零件时,一般应采用降低和控制切削用量,增加切削次数,匀速切削,以便有利于减小切削力和切削热。若切削面积相等,增加走刀量比增加切削深度的切削力小。而切削速度对切削力的影响是不断变化的,一般应

16、采用较高的切削速度。选用合理的切削参数是传统加工薄壁零件时所应考虑采取的重要措施之一。切除过程;(4)评估零件变形引起的数控加工误差,计算刀位补偿量,修正原始数控加工刀位轨迹。数控补偿加工法已成为目前条件下提高薄壁零件加工精度的重要方法之一。2󰀁数控补偿加工在目前加工系统中,典型的数控加工过程分为3个阶段:(1)离线零件编程(加工前);(2)在线加工和监控(加工中);(3)检验处理(加工后)。在线加工中工艺系统会受到各种干扰,如装夹变形、刀具变形、受热变形等,这会明显影响加工质量。为此文献6介绍了有限元在分析薄壁件铣削加工变形中的应用,并提出一种数控补偿方法来减少让刀误差从而控

17、制薄壁件的加工精度。通过分析和实验建立切削力模型,运用ANSYS有限元分析软件对典型薄壁框体零件的加工变形进行了分析计算,结果与实际加工情况相符。根据有限元分析结果,提出在精加工时,在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加一个偏摆,补偿因变形而产生的让刀量,可基本消除让刀误差。文献7提出了进给量局部优化的方法,即根据零件表面上的刚性不同(变形量不同)而选用不同的进给量,就是在变形大的位置采用小的进给量,变形小的位置采用大的进给量,这样可在保证变形量的同时提高效率,降低成本,既保证加工质量又减少加工时间。进给量局部优化的过程包括切削参数的计算、确定变形区域、确定边界点、修改刀位文件4个步

18、骤。通过加工实例表明,进给量局部优化也是一种改进薄壁零件数控加工质量的有效方法。文献8对复杂薄壁零件数控加工变形误差控制补偿技术进行了研究。提出解决复杂薄壁零件高效精密数控加工关键技术主要涉及以下2个方面:一是五坐标NC编程与防干涉技术。包括通道分析、通道加工对接域确定、最佳刀轴矢量确定、刀轴矢量光顺以及刀位轨迹生成和验证等。二是切削过程物理仿真与变形误差补偿技术。包括高速切削机理研究、切削力建模、残余应力预测以及切削路径和参数优化等。就现有数控加工工艺技术加工效率低、精度难以保证的现状,提出了以下进一步研究的4个方面:(1)深入研究材料的高速切削机理,建立切削参数与切削力大小、工件加工表层残

19、余应力分布状态等的定量关系;(2)将切削力和残余应力大小信息输入至工件有限元模型中,仿真切削加工过程的动态特性,分析不同切削参数和走刀路径条件下结构的变形规律;(3)用一组体积单元表示零件的实际变形轮廓,并与刀具,3󰀁振动切削加工振动切削是一种新型的非传统加工的特种切削加工方法,按振动频率可分为低频振动切削(20150Hz)和超声振动切削(1535kHz)。它是给刀具(或工件)以适当的方向、一定的频率和振幅的振动,以改善其切削功效的脉冲切削方法。与普通切削相比,振动切削具有切削力小、切削热降低、工件表面质量提高、精度提高、切屑处理容易、刀具耐用度提高、加工稳定、生产率高等优点。

20、令人信服地解决了难加工材料和普通材料的难加工工序的加工问题,9被认为是机械加工的一个重要发展方向。文献9还介绍了焦作工学院焦锋等人在超声振动车削超薄壁零件(照相机导向镜筒)的粗糙度和圆度误差方面进行的试验研究,超声振动切削出的工件,圆度误差仅是普通精密切削的1/3,而表面粗糙度比普通切削要下降达30%,达Ra0󰀁63󰀁m以下,满足了设计要求。超声振动切削是在普通切削加工的基础上,利用专门设置的振动驱动装置,使切削工具按正弦波形做强迫振动,形成一种脉冲式的变速断续切削过程。因为刀具振动频率大大高于工艺系统固有频率,所以切削过程服从󰀁不灵敏性振动切削

21、机理󰀁,它可以有效抑制切削过程中的振动,达到󰀁以振抑振󰀁10的效果。这也是振动切削能提高切削效果的原因。文献11基于超声振动切削理论,设计了一套超声振动车削装置,为实现黑色金属薄壁零件的精密加工提供了新的途径。与传统切削相比,超声振动切削的小切削力、低切削温度更适用于薄壁零件的精密加工,能有效地提高薄壁工件的加工精度和表面质5量。4󰀁高速切削加工高速切削加工理论是1931年4月由德国的CarlSalomon博士首先提出的,他认为:在常规的切削速度范围内,切削温度随着切削速度的增大而提高。对于不同的工件材料,存在一个切削速度范围,在

22、这个范围中,由于切削温度过高,刀具材料无法承受而不能进行加工,故该速度区域被称为󰀁死区󰀁。当切削速度超过󰀁死区󰀁以后,随着切削速度的增大切削力会下降,切削温度也会降低。近20年来由于工业发达国家的大量投入,高速切削加工技术及装备均取得了突破性进展。目前高速切削技术已在航空航天、汽车工业、模具加工等行业得到广泛应用。较之传统的,:12第8期姚荣庆:薄壁零件的加工方法具技术,2006(2):44-47󰀁󰀁253󰀁󰀁󰀁󰀁(1)切削效率高。随着

23、刀具切削速度的大幅提高,工件进给速度亦相应提高510倍,这样大大缩短了加工时间和空行程的时间,生产效率显著提高。(2)加工精度高,表面粗糙度低。高速切削时,机床的激振频率相当高,远离了工艺系统的低阶固有频率,因而工作平稳,振动小,能加工出非常精密、光洁的零件,表面质量可达到磨削的水平。(3)切削力小,变形小。当切削速度达到一定数值时,切削力可减小30%,尤其是径向切削力的大幅减小,特别有利于提高薄壁件等刚性差的零件的加工。(4)工件无飞边、毛刺,切屑易处理。(5)可完成高硬度材料的加工。如采用带有特殊涂层的硬质合金刀具,在高速、大进给量和小切削深度的条件下,可完成硬度高达HRC4062的淬硬钢

24、的加工,不仅效率高出电加工(EDM)的36倍,而且可获得很高的表面质量(Ra0󰀁4)。高速切削所具有的一系列特色和在生产效益方面的巨大潜力,早已成为德、美、日等国竞相研究的重要技术领域。如今美国波音公司、法国达索公司采用数控高速切削加工技术超高速铣削铝合金、钛合金整体薄壁结构件,美国休斯飞机公司采用超高速精度铣削技术加工平面阵列天线、波导管、挠性陀螺框架等。在采用整体薄壁结构件方面,高速切削的作用非常显著。如波音公司采用这种方法已使F/15和F/A-18E/F战斗机的零件数目减少了42%1413󰀁3󰀁姚春臣,陈静林,俞银祥,等󰀁解

25、决7A04铝合金薄壁件加工变形的工艺试验J󰀁机械工人(热加工),2002(2):34-35󰀁2004󰀁4󰀁乐成明,宋广华,李真楷,等󰀁冷热加工技术在铝合金薄壁零件中的应用J󰀁航空制造技术,(11):84-86󰀁󰀁5󰀁孔金星󰀁低刚度薄壁零件的精密加工J󰀁工具技术,2003,37(12):29-31󰀁󰀁6󰀁王志刚,何宁,武凯,等󰀁薄壁零件加工变形分析及控制方案J

26、󰀁中国机械工程,2002,13(2):114-117󰀁󰀁7󰀁魏丽,郑联语󰀁改进薄壁零件数控加工质量的进给量局部优化方法J󰀁航空精密制造技术,2001,37(4):10-14󰀁󰀁8󰀁王增强,孟晓娴,任军学,等󰀁复杂薄壁零件数控加工变形误差控制补偿技术研究J󰀁机床与液压,2006(4):61-63󰀁󰀁9󰀁陈光军,顾立志󰀁振动切削技术及最新发展J󰀁

27、机械工程师,2005(10):25-27󰀁󰀁10󰀁徐可伟,陈斌,朱训生,等󰀁薄壁零件的超声振动精密切削研究J󰀁航空精密制造技术,2001,37(4):1-5󰀁󰀁11󰀁罗跃,张明君,孔金星,等󰀁超声振动车削装置设计J󰀁教学与科技,2005(2):39-43󰀁󰀁12󰀁袁峰,王太勇,王双利󰀁高速切削技术的发展与研究J󰀁机床与液压,2005(12):8-11󰀁󰀁13󰀁郭新贵,李从心󰀁高速切削技术的研究与应用J.模具技术,2001(5):61-65󰀁󰀁14󰀁张伯霖.高速切削技术及应用M.北京:机械工业出版社,2002:253.󰀁