浅谈薄壁件的加工变形论文_任增斌

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

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