青岛核工实业公司 山东青岛 266000
前言
高精度、薄壁腔体类零件在汽车工业的应用越来越广泛，该类零件一般由管材加工而成，材料去除率最达80%以上。这种结构特点和生产模式决定了其制造技术一直处于不成熟状态，加工制造一直存在合格率低、加工周期长、加工成本高、加工精度不易控制等难点。高精度、薄壁腔体类零件金属切除量大、工件壁薄、刚性低，加工中需要解决的主要问题是控制和减小变形，在此基础上，希望尽可能提高切削效率、缩短加工周期。本文从工件装夹、工序安排、切削方式等多方面对薄壁件变形产生的原因及对策进行论述。
一、工装装夹
图1为我厂8AT产品的一种，截面尺寸123mm×112mm，厚31.2mm，齿根圆116.3mm，齿根圆到内孔厚度厚度为3.35mm，通孔和盲孔尺寸精度0.03mm。该零件材料为20Cr，毛坯为管材，每件毛坯加工一件成品，批量为试制小批量。
最初的工艺要求在精车内孔112时，夹紧方式是三爪卡盘的卡爪夹住工件外圆，以工件左端面为定位基准定位在卡爪的台阶面上，精车内孔和车倒角做为一道工序。加工完后，取下工件测量内孔尺寸，在互成90度的两个方向上测量，尺寸差达0．1mm以上，远超出尺寸公差0．03mm，内孔的圆度和尺寸公差无法保证。
产生尺寸前后不一致的原因是：在精车内孔时，直接以三爪卡盘夹住工件外圆，以外圆面做为受力面，由于三爪卡盘的压紧力要大于切削力，并且工人在装夹工件时，担心工件脱落，均习惯用大力压紧。由于工件为薄壁型，卡爪未压住的圆弧面在吃刀受力时产生弹性变形，但由于工件受到卡爪压力未变形回来，工件在机床上夹紧状态下，在相互成90度的两个方向上测量均达到图纸要求；而取下工件后，不受夹紧力状态，工件产生变形，再测量时，尺寸就超出图纸要求。
针对上述问题，经过分析和工艺试验，改变工件的装夹压紧方式，并设计制作投入一套工装（如图2）。该工装设计的思路是通过压板压在工装的右端面上，从而将工件压紧，以工件右端面为受力面，将原来工件径向受力改为轴向受力，加工时工件受力情况比最初装夹的受力大大改善，顺利解决工件定位和压紧问题。在精车时，由于工件受力面壁厚，并且精加工余量小，切削力也较小，工件不会产生变形。采用改进后的工艺和工装，尺寸和形位公差完全达到图纸要求。证明该工装装夹是合理的，从而顺利解决工件变形问题。
针对图3所示空刀槽车削工艺，采用传统工艺加工，由于端面太薄在精车外圆切槽后，大端面平行度超差。
通过分析得知一次装夹车削完成、加工余量太大，壁太薄，车削完后，大端面很容易变形，此端面又是后续工序的基准。
针对上述问题，我们设计改进了了加工工艺流程（见图5），与传统工艺流程相比（图4），改进后的工艺流程在调质处理完成、半精盲孔后增加了半精车外圆切槽工序，把切槽工序一分为二，减少了精车余量，后续的平磨端面工序又把半精车外圆切槽产生的变形消除，精车外圆切槽后，产品符合图纸要求，提高了产品合格率，降低加工成本。
三、高速铣削
高速切削加工技术代表着切削加工技术最高水平，在国内外已经得到了较广泛的应用，高速切削加工中的“高速”是一个相对概念，在不同切削条件下，切削速度并不相同，线切削速度是一个基本条件。目前最常沿用的一种观点是高速切削加工是指线速度在（500-7000）m/min的切削加工。高速切削加工有四个显著的优点：高效率、高精度和高表面质量、低切削温度和低切削力。
高效率
高速切削加工的特点是小切深、高进给，目前常用的高速切削加工主轴转速一般在（15000-35000）r/min，切削进给速度一般在（4000-12000）mm/min，通常情况下，高速切削加工的效率是普通数控加工的（3-6）倍，高速切削加工的高效性在三维空间曲面的精加工中表现的优为显著。
高精度和高表面质量
高速切削加工技术对高速切削加工机床系统的要求较高，高速切削加工机床本身就是高档机床，其加工精度相对普通加工中心要高。切削过程中影响工件表面质量的主要因素有切削时产生的积屑瘤、磷刺、振动以及切削刃的刃磨质量、工件材料组织的缺陷、切削液使用情况等。高速切削与普通切削相比，切削速度快、材料变形速度快、应变率大，不易产生积屑瘤及磷刺，同时，由于切削速度较快，切削表面来不及产生塑性变形，切削加工已经完成。高速切削加工对刀具系统动平衡要求较高，切削时振动性相对普通切削加工要好。因此，高速切削加工精度和表面质量非常好。
低切削力和低切削温度
高速切削加工与普通切削加工相比，切削力、尤其径向切削力可降低30%以上。由于切削速度高，切削热来不及传到工件、大部分被切屑带走，一般认为大约有90%以上切削热被切屑带走。因此，高速切削加工过程中产生的应力可控制在很小的水平，这为高精度薄壁零件的高效加工提供了可能和技术支撑。
针对图6所示的5个对称油槽，传统工艺用普通铣床，手动分度，效率很低。去年我厂购买了数控铣床，采用数控分度，高速铣削（主轴转速8000 r/min），极大地提高了加工效率。在8AT项目中，椭圆孔、槽采用高速铣削加工技术，可以控制加工中由于切削引起的加工变形，大大的缩短工件的加工周期。同时，较好的保证了工件的尺寸精度和表面质量。
结论：
对于高精度薄壁、腔体类零件，实现高效、高精度加工的关键有三点：一是采用合理的工序安排，尽量减少工艺产生的变形；二是选用合适的防变形装夹技术，减少或避免由于装夹变形产生的尺寸精度误差和表面质量损失；三是采用高速切削加工技术，高速切削加工具有低切削力、低切削温度、高效率的特点，是减小变形和缩短加工周期的关键。
论文作者:任增斌
论文发表刊物:《基层建设》2017年第9期
论文发表时间:2017/7/20
标签：加工论文; 工件论文; 端面论文; 薄壁论文; 尺寸论文; 工序论文; 工装论文; 《基层建设》2017年第9期论文;