刘　凯

（许昌烟草机械有限责任公司，河南 许昌 461000）

浅谈薄壁零件的加工方案

刘凯

（许昌烟草机械有限责任公司，河南 许昌 461000）

薄壁零件在加工过程中，加工工艺性差，在切削力、残余应力、切削热、工艺刚性等因素的影响下，薄壁零件容易发生变形，不易控制加工精度和提高加工效率。本篇对薄壁零件的整个加工过程中引起变形的几个因素进行分析，并找到具体的加工方案，保证零件的加工精度。

薄壁零件；变形；切削应力；残余应力；工艺刚性

金属薄壁件重量轻、节省材料、结构紧凑、占空间位置小等优点、非常适合高速运转的轻工业机器中。主要以套类薄壁零件和环类薄壁零件最为难加工，对孔的圆柱度、同轴度、直线度、垂直度等精度都有严格的要求。在切削力、残余应力、切削热、工艺系统的刚性等因素的影响下，零件容易发生变形，不易控制加工精度，不能保证零件的位置公差，导致零件使用精度不达标。

1.各因素对薄壁件的影响

1.1切削力对薄壁零件的影响

切削力来自切削过程中挤压力大于晶体发生剪切变形的极限强度。被加工材料的物理力学性质、化学成分、热处理状态等影响切削力的大小。化学成分与热处理状态决定被加工材料的物理力学性质，导致硬度和强度的变化。被加工材料的强度越高，硬度越大，切削力就越大，造成零件在加工过程中抗力大，产生内应力并在材料内部积累，无法有效地快速释放。切削参数选择直接影响切削力的大小，被吃刀量与进给量增大都会使切削面积增大，从而使变形力增大，摩擦力变大，最终切削力随之增大。切削速度与被加工零件本身的特性有关，切削力与切削速度正比。锋利切削（前角与后角为正）刀具与被加工材料之间的接触面积小，产生的切削力就小。若切削面积相等，增加走刀量比增加切削深度的切削力小。

金属切削过程中在零件表面依次发生挤压、塑性变形、剪切变形、摩擦加工硬化等现象。切削力来自克服被加工材料对弹性变形的抗力，克服被加工材料对塑性变形的抗力、克服刀具后角对过渡表面和已加工零件表面的摩擦力3个方面。

1.2残余应力对薄壁零件的影响

影响残余应力的因素较为复杂，主要有切削力和切削热造成。总体上凡能减小塑性变形和降低切削温度的因素都能使已加工表面的残余应力减小。

（1）机械应力引起的塑性变形，导致晶粒分裂，产生拉应力；后刀面对易加工面挤压和摩擦导致塑性变形，内层金属对表层金属的压应力。

（2）切削过程中产生切削热，它向材料内部传导的速度与外部利用切削液冷却的速度不一致，表面存在拉应力，内部存在压应力。

（3）相变引起的体积变化，马氏体的比容比奥氏体大，温差导致金相有奥氏体冷却为马氏体，体积变大，表层金属膨胀，表层为压应力，里层拉应力。

薄壁零件在加工完成后可满足精度要求，但在加工之后的短期或一段时间内因自然变形过大而失效，这是由于内部材料的残余应力不合理分布导致了工件后续的二次变形［4］。所以，内应力应在加工过程中去除，消除内应力对加工完成的零件有持续影响，既保持结构不发生变化，又使零件在全生命周期内都能够避免内应力的影响。

1.3工艺系统刚性对薄壁零件的影响

工艺系统刚性是工艺系统抵抗受力变形的能力。由于加工中受到的应力是多向的，从影响精度的角度出发，应该对加工精度影响大的方向（即误差敏感方向）进行受力和变形问题进行分析，以增加整个工艺系统的刚性。工艺系统的刚度主要分为静刚度和动刚度。静刚度巩固工艺系统的理论刚性，主要是夹紧力、重力、塑性变形抗力等，应该从理论方面进行计算、改进消除误差；动刚度解决加工过程中出现的波动切削力、传动扭力、惯性力、弹性变形抗力。自身的振动频率应与加工过程中的切削参数设定的外部激励频率不在一个区间，避免零件在加工过程中振幅量过大，从而影响零件的加工精度。

薄壁类零件工装的设计应最大限度地保证零件在加工过程中在最敏感方向的刚性。薄壁零件都有自身独特的设计要求，针对每个结构应该有不同的工装设计要求。譬如，同轴孔应设计外部防止装夹变形的环筒类工装；内外同轴的薄壁零件应设计轴类配合的工装，并加工排气槽，穿轴磨外圆，等等；

随着科技的快速发展，新型材料刀具在不断增加，新型机床也得到广泛应用，较高的转速、锋利的刀具、精确的定位等都能有效的保证加工过程中工艺系统敏感方向的刚性，减少加工时在切削力作用下的让刀变形，防止加工零件的不对称增加冲击力对结构的影响。对整个工艺进行细化，每一个工序解决的问题有重点，特别是最终保证精度的道序经常会要求一次装夹，保证整个零件的所有精度。应避免道序集中，这样会提高操作人员的加工劳动强度，增加零件的报废风险。最后提高零件的精度，并优化整个工艺的合理性。

1.4转运等外部偶然因素

零件的加工质量包括加工精度和被加工表面的表面质量两大部分。精度是零件加工之后的几何参数与理想零件的几何参数的符合程度。加工完成的零件，只能算是制造规范的开始，真正使用到机器上，这中间的精度变化就不能不引起我们的重视。轻拿轻放，严密包装，制作适应零件结构的转运工装，支撑内壁，保护外壁。通过增加薄壁件的静刚性，防止零件的变形，并提高抵抗转运过程中遇到的不可预知因素的能力。

2.加工薄壁零件的加工工艺原则

结合薄壁零件结构弱刚性、易变形、材料去除率大等特点，工艺原则上应按照以下顺序安排：

（1）粗加工：优先提高切削速度，其次分别为切宽、切深和进给量。优先选用“高速度、大切宽、大进给量、小切深”的组合，可使用普通夹具夹紧定位，增大材料去除率，切深选用大于前道工序加工亚表面残余应力趋于平缓的深度。选材大小也应以有一定加工余量的管材最合适。不仅减少粗加工对刀具的浪费，也能减少多次进刀对工件的冲击。

（2）热处理人工时效，调整硬度，便于切削；消除残余内应力，防止变形；细化晶粒，提高力学性能。在粗加工之后进行去应力处理，能够最快最大限度的消除在粗加工过程中积累的应力，保证零件后续加工中内应力引起的变形。

（3）半精加工：先选定切削速度，减小其他工艺参数的优先顺序，分别切深、进给量、切宽。优先选用“进给量适中，大切宽和小切深”的组合，采用专用工装进行装夹、减少材料去除率。切深需选择应小于上道工序加工亚表面最大残余压应力值所在的深度，可以使薄壁加工变形减小。

（4）稳定处理，解决半精加工造成的应力。这里进行的低温处理或者自然时效。集中解决的半精加工过程中，刀具与零件之间的摩擦所引起的加工压应力，由于半精加工的加工量小，该部分的应力不能直接导致零件的变形。为了提高薄壁零件的全生命周期质量，应该进行必要的稳定处理。

（5）精加工保证零件的精度，利用磨床的加工精度高，线速度高、切削量小、自身有自锐性、切削宽度对整个零件的最终形位公差精度和表面粗糙度均可达到较高的要求。对于零件精度要求特别严格的零件，也可以从磨削余量上进行精细划分为粗磨（根据零件的精密等级合理选择）、半精磨、精磨。机床、工装、工件、刀具等组成的工艺系统抵抗应力变形的刚性，对整个加工方案的能否成功实施有决定性影响。机床与刀具的刚性在加工过程能够进行控制，剩下对整个工艺系统刚性影响最大的就是工件与工装。设计合理的工装有利于提高整个工艺系统的刚性。精加工过程要对精度划分，不可一概而论，精度是最重要的也是最后保证薄壁零件使用价值的。如果将整个零件的所有尺寸精度、形状精度、位置精度都放置在最后的磨削进行加工，造成加工效率低下，加工成本居高不下。只有合理的工艺规划，才能降低加工成本，提高加工效率。

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。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。合理使用切削液减少刀具的磨损、改善加工表面质量、提高生产效率。

薄壁零件的加工工艺应与所加工的零件精度严格挂钩，灵活使用整个流程，才能让零件在加工过程

3.加工完毕薄壁零件的变形防护

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。避免零件在温差大的环境中进行不必要的移动；配备专用的转运工装，避免在转运过程以及放置存放过程中遇到的偶然因素；在进入装配现场之前，应该设计专用的定制工装，防止造成的零件意外变形。

结语

薄壁零件结构复杂、刚性差在加工过程中不容易保证，影响的因素比较多，本文主要从切削力、残余应力、工艺系统刚性、偶然因素等4个方面进行分析总结，同时从薄壁零件的特点进行分析，制定工艺原则。本文没有对具体零件进行具体分析，提出方案的原则是以保证零件的设计应用要求为着力点，规范工艺流程，完善加工内容。希望本文对大家制定薄壁零件加工工艺有所帮助。

［1］葛守勤.怎样车薄壁零件［M］.北京：机械工业出版社，1983.

［2］王志刚，等.薄壁件加工变形因素的综合分析［J］.先进制造技术，2010：37-41.

［3］陈日曜.金属切削原理［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［4］江小辉.残余应力生成机理及复杂薄壁件加工精度控制方法研究［D］.华东大学，2014.

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