薄壁类零件的车削工艺分析
段立波 一．引言
薄壁类零件指的是零件壁厚与它的径向、 轴向尺寸相比较, 相差悬殊, 一般为几十倍甚至上百倍的金属材料的零件，具有节省材料、结构简单等特点。薄壁类零件已广泛地应用于各类石油机械部件。但是薄壁类零件的车削加工是比较棘手的，具体的原因是因为薄壁类零件自身刚性差、强度弱，在车削加工中极容易变形，很难保证零件的加工质量。如何提高薄壁类零件的加工精度是机械加工行业关心的话题。
二．薄壁类零件车削过程中常出现的问题、 原因及解决办法
我们在车削加工过程中，经常会碰到一些薄壁零件的加工。如轴套薄壁件（图1），环类薄壁件（图2），盘类薄壁件（图3）。本文详细分析了薄壁类零件的加工特点、防止变形的装夹方法、车刀材料、切削参数的选择及车刀几何角度。进行了大量的实验,为以后更好地加工薄壁类零件,保证加工质量,提供了理论依据。
图1轴套薄壁件
图2
环类薄壁件
图3盘类薄壁件
1.薄壁类零件的加工特点
1.1因零件壁薄，在使用通用夹具装夹时，在夹压力的作用下极易产生变形，而夹紧力不够零件又容易松动，从而影响零件的尺寸精度和形状精度。
如图4所示，当采用三爪卡盘夹紧零件时，在夹紧力的作用下，零件会微微变成三角形，车削后得到的是一个圆柱体。但松开卡爪，取下零件后，由于零件弹性，又恢复成弧形三角形。这时若用千分尺测量时，各个方向直径相同，但零件已变形不是圆柱体了，这种变形现象我们称之为等直径变形。
图4三爪卡盘装夹
1.2因零件较薄，加工时的切削发热会引起零件变形，从而使零件尺寸难以控制。对于膨胀系数较大的金属薄壁零件，如在一次安装中连续完成半精车和精车，由切削热引起零件的热变形，会对其尺寸精度产生极大影响，有时甚至会使零件卡死在芯轴类的夹具上。
1.3薄壁类零件加工内孔中，一般采用单刃镗刀加工，此时，当零件较长时，如果刀具参数及切削用量处理不当，将造成排屑困难，影响加工质量，损伤刀具。
1.4由于切削力和夹紧力的影响，零件会产生变形或振动，尺寸精度和表面粗糙度不易控制。如刀具角度不正确或磨损后，导致切削力增大，工件表面会产生颤纹影响表面质量。
1.5薄壁类零件刚性差，不能采用较大的切削用量，生产效率低。
因此选择合适的装夹方法，加工工艺，合理的切削用量，刀具材料及角度，减小零件振动，充分冷却和检测都是保证加工薄壁类零件的关键因素。
2.薄壁类零件的装夹方法
2.1通用软爪定位装夹：选择合理的夹紧力作用点，使夹紧力作用在零件刚性较好的部位，适用于形状和尺寸公差要求不严的零件加工。
优点：装卸方便长度可定位，可以承受较大切削力。
缺点：零件定位点较集中，零件加紧后变形较严重。
2.2扇形软爪装夹：采用扇形软爪的三爪卡盘（图5），按与加工零件的装夹面动配合的要求，加工出卡爪的工作面，增大与零件的接触面积。
图5扇形软爪
优点：增大夹紧力的作用面积，使零件支持面增大，夹紧力均匀分布在工作面上，可加大切削用量，不易产生变形。
缺点：扇形软爪不易加工。
2.3刚性芯轴装夹
图6 刚性芯轴
2.3.1采用锥体芯轴装夹，将零件直接套在锥体芯轴加工。
2.3.2采用圆柱芯轴装夹，将零件装在芯轴上采用轴线压紧。
减小零件径向变形。
优点：装卸零件方便，能保证较高的同心度，技术要求。 缺点：零件内孔被芯轴划伤。
2.4磁力吸盘装夹：通过磁力将零件吸附在吸盘上，零件只承受轴向力，而径向不受力。
优点：可一次加工完零件内外圆。
缺点：零件找正比较麻烦，应用范围小，不适合加工有色金属类零件。
2.5采用轴向夹紧夹具：车薄壁零件时，不使用径向夹紧，而选用轴向夹紧方法。零件靠轴向定位套的端面实现轴向夹紧，由于夹紧力沿零件轴向分布，而零件轴向刚度大，不会产生夹紧变形。
图7轴向夹紧夹具
优点：零件变形小，加工质量好。
缺点：工艺系统复杂，夹具适用范围小。
2.6增加工艺肋：有些薄壁零件可以在其装夹部位特制几根工艺肋，以增强此处刚性，使夹紧力作用在工艺肋上，以减少零件的变形，加工完毕后，再去掉工艺肋。
图8工艺肋
优点：增加了零件刚性，减小装夹变形。
缺点：不适合大批量加工。
2.7采用可涨式芯轴装夹：如图9所示，装夹时，工件以弹性心轴的外圆作为定位基准，通过拧紧或松开夹紧螺钉实现弹性心轴的轴向移动。由于刚性心轴与弹性心轴间的配合为锥面配合，因此，弹性心轴沿轴向移动的同时将会产生径向的胀开或收缩，从而实现对工件的径向夹紧或松开
图9
优点：非常适合内孔尺寸一致性较差的成批零件加工，制造成本低。
缺点：不适合加工精度要求较高的零件。
3.薄壁类零件车削加工工艺的选择 3.1 先粗后精：薄壁零件的车削一般应把粗车和精车加工分开进行, 粗车后进行热处理。有些零件形状复杂、 精度要求高
, 需在粗车和精车之间增加半精车工序, 使粗加工产生的变形逐渐得到修正, 几何形状和尺寸精度逐步得到提高。当使用同一基准、 一次装卡完成工件半精车与精车加工时, 可在精车前松开工件, 并把它稍微转动一下, 使它恢复到自由状态, 再把工件夹紧进行精车, 同样
能达到修正变形的目的。同时使用夹具时应减少工件夹紧与车削时的变形, 以此保证薄壁件质量。
3.2先内后外：因为孔较外圆难加工，易产生变形。先加工内孔，然后加工外圆，可采用芯轴装夹，以内孔定位轴向夹紧，防止零件加工中产生影响加工精度。
3.3一次完成在一次装夹中完成所需要的加工的所以尺寸，主要应用于毛坯料是棒料或带有工艺台的薄壁类零件加工。
薄壁零件的加工实例:
图 10薄壁套筒
薄壁套筒( 如图 10 所示) , 小批量生产, 材料为2A12( 硬铝) , 外圆
:
1) 棒料装夹于三爪定心卡盘中夹紧, 车一端面用
钻头钻孔, 粗车内孔成
mm( 定位用) 。
2) 粗车完成后, 转热处理时效工序, 之后装夹于软三定
心卡盘中, 车一端面总长 60. 15 mm; 然后做一工装,
镗一内孔长 50 mm, 内孔的端面车平,内孔与零件的外
圆配合。注意不能拧紧, 否则零件内孔加工完卸下来之
后内, 孔会变形, 这主要是因为零件外圆不圆造成的
3) 工装(如图 11 所示) 的外圆挑一外螺纹 M50@2 mm, 长
50 mm,内孔车成
内螺纹为M50@ 2 mm, 长50 mm。压帽外径为
花, 总长53 mm, 压帽的内径为
图11工装图
4.薄壁类零件车床加工时的切削用量选择
我们都知道在切削用量中对切削力影响最大的是背吃刀量（Ap），对切削热影响最大的是切削速度(Vc)和刀具锋利状况。因此车削薄壁套零件应减小背吃刀量和适当降低切削速度，同时应适当增大进给量。
在精加工时，应采用大的切削速度，小的进给量(F),当机床精度降低时，要适当的降低切削速度。
薄壁类零件切削用量参数（精车）
5. 薄壁类零件加工车刀几何角度的选择
车刀几何角度中对切削力影响最大的是主偏角（Kr）、前角(γ0)和刃倾角(λs)。增大前角使车刀锋利，排屑顺利，减小切屑与前刀面之间的摩擦，减小切削力和切削热。
5.1外圆精车刀Kr=90°～93°，Kr′=15°，α0=14°～16°，α01=15°，γ0适当增大。
5.2内孔精车刀Kr=60°，Kr′=30°，γ0=35°，α0=14°～16°，α01=6°～8°，λs=5～6°。
6．减小薄壁类零件车削时产生振动措施。
6.1调整车床主轴、拖板、床鞍、刀架和滑动部位间隙，使转动和滑动部分处于最佳状态。
6.2使用吸振材料，用软塑料，橡胶带，橡胶片、软橡胶管，棉纱等材料填充或包裹零件。当工件旋转时，在离心力的作用下橡胶片将紧贴孔壁，能阻碍减振并防止振动传播车削时减小振动和消除噪音的作用。
6.3填充低熔点的物质（如石蜡）就低熔点的物质，填入薄壁类零件与芯轴内孔只觉得缝隙，两端用堵头封上，不但减小振动，还可以减小变形。
6.4楔形芯轴填充法，应用铝制楔形芯轴，使楔形芯轴与零件内孔紧密配合达到减振的目的。
7.充分冷却
在加工薄壁类零件时，应使薄壁类零件得到冷却，根据零件材料的不同选用合理的切削液来降低切削温度，减小零件受热而产生变形，以提高加工精度。
三．结语
本文阐沭了薄壁零件的加工特点，加工难点分析，从装夹方法、车刀材料、切削参数的选择，车刀几何角度，减少和防止加工变形的方法，以及车削薄壁件参数的选择，以实例分析了车削工艺的设计。论文的写作对于我来说是第一次，这次让我从中学到了很多以前没有学到东西，总结了以前的一些经验，这个过程给我以后的生产实践中又很大的帮助。由于时间和本人水平有限,文中错漏之处在所难免,敬请各位师长、同行多多批评指正!
四．参考文献
1.作者：张洪波 汪延君 孙宝先 篇名：《解析薄壁零件的加工工艺》 2012年第5期《赤子》 2.作者：朱敏红 徐云 王祥鑫 篇名：《薄壁套的加工工艺与夹具设计》 2012年第4期《机械制造与自动化》
薄壁类零件的车削工艺分析
段立波 一．引言
薄壁类零件指的是零件壁厚与它的径向、 轴向尺寸相比较, 相差悬殊, 一般为几十倍甚至上百倍的金属材料的零件，具有节省材料、结构简单等特点。薄壁类零件已广泛地应用于各类石油机械部件。但是薄壁类零件的车削加工是比较棘手的，具体的原因是因为薄壁类零件自身刚性差、强度弱，在车削加工中极容易变形，很难保证零件的加工质量。如何提高薄壁类零件的加工精度是机械加工行业关心的话题。
二．薄壁类零件车削过程中常出现的问题、 原因及解决办法
我们在车削加工过程中，经常会碰到一些薄壁零件的加工。如轴套薄壁件（图1），环类薄壁件（图2），盘类薄壁件（图3）。本文详细分析了薄壁类零件的加工特点、防止变形的装夹方法、车刀材料、切削参数的选择及车刀几何角度。进行了大量的实验,为以后更好地加工薄壁类零件,保证加工质量,提供了理论依据。
图1轴套薄壁件
图2
环类薄壁件
图3盘类薄壁件
1.薄壁类零件的加工特点
1.1因零件壁薄，在使用通用夹具装夹时，在夹压力的作用下极易产生变形，而夹紧力不够零件又容易松动，从而影响零件的尺寸精度和形状精度。
如图4所示，当采用三爪卡盘夹紧零件时，在夹紧力的作用下，零件会微微变成三角形，车削后得到的是一个圆柱体。但松开卡爪，取下零件后，由于零件弹性，又恢复成弧形三角形。这时若用千分尺测量时，各个方向直径相同，但零件已变形不是圆柱体了，这种变形现象我们称之为等直径变形。
图4三爪卡盘装夹
1.2因零件较薄，加工时的切削发热会引起零件变形，从而使零件尺寸难以控制。对于膨胀系数较大的金属薄壁零件，如在一次安装中连续完成半精车和精车，由切削热引起零件的热变形，会对其尺寸精度产生极大影响，有时甚至会使零件卡死在芯轴类的夹具上。
1.3薄壁类零件加工内孔中，一般采用单刃镗刀加工，此时，当零件较长时，如果刀具参数及切削用量处理不当，将造成排屑困难，影响加工质量，损伤刀具。
1.4由于切削力和夹紧力的影响，零件会产生变形或振动，尺寸精度和表面粗糙度不易控制。如刀具角度不正确或磨损后，导致切削力增大，工件表面会产生颤纹影响表面质量。
1.5薄壁类零件刚性差，不能采用较大的切削用量，生产效率低。
因此选择合适的装夹方法，加工工艺，合理的切削用量，刀具材料及角度，减小零件振动，充分冷却和检测都是保证加工薄壁类零件的关键因素。
2.薄壁类零件的装夹方法
2.1通用软爪定位装夹：选择合理的夹紧力作用点，使夹紧力作用在零件刚性较好的部位，适用于形状和尺寸公差要求不严的零件加工。
优点：装卸方便长度可定位，可以承受较大切削力。
缺点：零件定位点较集中，零件加紧后变形较严重。
2.2扇形软爪装夹：采用扇形软爪的三爪卡盘（图5），按与加工零件的装夹面动配合的要求，加工出卡爪的工作面，增大与零件的接触面积。
图5扇形软爪
优点：增大夹紧力的作用面积，使零件支持面增大，夹紧力均匀分布在工作面上，可加大切削用量，不易产生变形。
缺点：扇形软爪不易加工。
2.3刚性芯轴装夹
图6 刚性芯轴
2.3.1采用锥体芯轴装夹，将零件直接套在锥体芯轴加工。
2.3.2采用圆柱芯轴装夹，将零件装在芯轴上采用轴线压紧。
减小零件径向变形。
优点：装卸零件方便，能保证较高的同心度，技术要求。 缺点：零件内孔被芯轴划伤。
2.4磁力吸盘装夹：通过磁力将零件吸附在吸盘上，零件只承受轴向力，而径向不受力。
优点：可一次加工完零件内外圆。
缺点：零件找正比较麻烦，应用范围小，不适合加工有色金属类零件。
2.5采用轴向夹紧夹具：车薄壁零件时，不使用径向夹紧，而选用轴向夹紧方法。零件靠轴向定位套的端面实现轴向夹紧，由于夹紧力沿零件轴向分布，而零件轴向刚度大，不会产生夹紧变形。
图7轴向夹紧夹具
优点：零件变形小，加工质量好。
缺点：工艺系统复杂，夹具适用范围小。
2.6增加工艺肋：有些薄壁零件可以在其装夹部位特制几根工艺肋，以增强此处刚性，使夹紧力作用在工艺肋上，以减少零件的变形，加工完毕后，再去掉工艺肋。
图8工艺肋
优点：增加了零件刚性，减小装夹变形。
缺点：不适合大批量加工。
2.7采用可涨式芯轴装夹：如图9所示，装夹时，工件以弹性心轴的外圆作为定位基准，通过拧紧或松开夹紧螺钉实现弹性心轴的轴向移动。由于刚性心轴与弹性心轴间的配合为锥面配合，因此，弹性心轴沿轴向移动的同时将会产生径向的胀开或收缩，从而实现对工件的径向夹紧或松开
图9
优点：非常适合内孔尺寸一致性较差的成批零件加工，制造成本低。
缺点：不适合加工精度要求较高的零件。
3.薄壁类零件车削加工工艺的选择 3.1 先粗后精：薄壁零件的车削一般应把粗车和精车加工分开进行, 粗车后进行热处理。有些零件形状复杂、 精度要求高
, 需在粗车和精车之间增加半精车工序, 使粗加工产生的变形逐渐得到修正, 几何形状和尺寸精度逐步得到提高。当使用同一基准、 一次装卡完成工件半精车与精车加工时, 可在精车前松开工件, 并把它稍微转动一下, 使它恢复到自由状态, 再把工件夹紧进行精车, 同样
能达到修正变形的目的。同时使用夹具时应减少工件夹紧与车削时的变形, 以此保证薄壁件质量。
3.2先内后外：因为孔较外圆难加工，易产生变形。先加工内孔，然后加工外圆，可采用芯轴装夹，以内孔定位轴向夹紧，防止零件加工中产生影响加工精度。
3.3一次完成在一次装夹中完成所需要的加工的所以尺寸，主要应用于毛坯料是棒料或带有工艺台的薄壁类零件加工。
薄壁零件的加工实例:
图 10薄壁套筒
薄壁套筒( 如图 10 所示) , 小批量生产, 材料为2A12( 硬铝) , 外圆
:
1) 棒料装夹于三爪定心卡盘中夹紧, 车一端面用
钻头钻孔, 粗车内孔成
mm( 定位用) 。
2) 粗车完成后, 转热处理时效工序, 之后装夹于软三定
心卡盘中, 车一端面总长 60. 15 mm; 然后做一工装,
镗一内孔长 50 mm, 内孔的端面车平,内孔与零件的外
圆配合。注意不能拧紧, 否则零件内孔加工完卸下来之
后内, 孔会变形, 这主要是因为零件外圆不圆造成的
3) 工装(如图 11 所示) 的外圆挑一外螺纹 M50@2 mm, 长
50 mm,内孔车成
内螺纹为M50@ 2 mm, 长50 mm。压帽外径为
花, 总长53 mm, 压帽的内径为
图11工装图
4.薄壁类零件车床加工时的切削用量选择
我们都知道在切削用量中对切削力影响最大的是背吃刀量（Ap），对切削热影响最大的是切削速度(Vc)和刀具锋利状况。因此车削薄壁套零件应减小背吃刀量和适当降低切削速度，同时应适当增大进给量。
在精加工时，应采用大的切削速度，小的进给量(F),当机床精度降低时，要适当的降低切削速度。
薄壁类零件切削用量参数（精车）
5. 薄壁类零件加工车刀几何角度的选择
车刀几何角度中对切削力影响最大的是主偏角（Kr）、前角(γ0)和刃倾角(λs)。增大前角使车刀锋利，排屑顺利，减小切屑与前刀面之间的摩擦，减小切削力和切削热。
5.1外圆精车刀Kr=90°～93°，Kr′=15°，α0=14°～16°，α01=15°，γ0适当增大。
5.2内孔精车刀Kr=60°，Kr′=30°，γ0=35°，α0=14°～16°，α01=6°～8°，λs=5～6°。
6．减小薄壁类零件车削时产生振动措施。
6.1调整车床主轴、拖板、床鞍、刀架和滑动部位间隙，使转动和滑动部分处于最佳状态。
6.2使用吸振材料，用软塑料，橡胶带，橡胶片、软橡胶管，棉纱等材料填充或包裹零件。当工件旋转时，在离心力的作用下橡胶片将紧贴孔壁，能阻碍减振并防止振动传播车削时减小振动和消除噪音的作用。
6.3填充低熔点的物质（如石蜡）就低熔点的物质，填入薄壁类零件与芯轴内孔只觉得缝隙，两端用堵头封上，不但减小振动，还可以减小变形。
6.4楔形芯轴填充法，应用铝制楔形芯轴，使楔形芯轴与零件内孔紧密配合达到减振的目的。
7.充分冷却
在加工薄壁类零件时，应使薄壁类零件得到冷却，根据零件材料的不同选用合理的切削液来降低切削温度，减小零件受热而产生变形，以提高加工精度。
三．结语
本文阐沭了薄壁零件的加工特点，加工难点分析，从装夹方法、车刀材料、切削参数的选择，车刀几何角度，减少和防止加工变形的方法，以及车削薄壁件参数的选择，以实例分析了车削工艺的设计。论文的写作对于我来说是第一次，这次让我从中学到了很多以前没有学到东西，总结了以前的一些经验，这个过程给我以后的生产实践中又很大的帮助。由于时间和本人水平有限,文中错漏之处在所难免,敬请各位师长、同行多多批评指正!
四．参考文献
1.作者：张洪波 汪延君 孙宝先 篇名：《解析薄壁零件的加工工艺》 2012年第5期《赤子》 2.作者：朱敏红 徐云 王祥鑫 篇名：《薄壁套的加工工艺与夹具设计》 2012年第4期《机械制造与自动化》