如何提高薄壁零件的加工精度

因為具有重量輕、節約材料、結構緊湊等特點,薄壁零件已日益廣泛地應用在各工業部門。但薄壁零件的加工是比較棘手的,原因是薄壁零件剛性差、強度弱,在加工中極容易變形,不易保證零件的加工質量。如何提高薄壁零件的加工精度將是業界越來越關心的話題。

薄壁零件的加工問題一直難以解決。目前薄壁零件一般采用數控車削加工。因此,應對零件的裝夾、刀具的幾何參數、編程等方面進行檢驗,從而有效克服薄壁零件在加工過程中的變形,保證加工精度。影響薄壁零件加工精度的因素很多,但主要有以下三個方面:

(1)應力變形

由于工件壁薄,在夾緊力的作用下容易變形,從而影響工件的尺寸精度和形狀精度,如圖1所示。

(2)熱變形

由于工件較薄,切削熱會引起工件的熱變形,使工件的尺寸難以控制。

(3)振動變形

在切削力(特別是徑向切削力)的作用下,容易產生振動和變形,從而影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。

圖1夾緊力的影響

既然已經找到了影響薄壁零件加工精度的因素,那么如何提高薄壁零件的加工精度呢?接下來筆者將通過具體實例介紹提高薄壁零件加工精度和效率的措施。

圖2所示的薄壁零件是我校數控車床中最難加工的零件。采用的設備是一臺配有廣州數控系統GSK980T的數控車床。為了提高產品的合格率,我們綜合考慮工件的裝夾、刀具的幾何參數、編程等各個方面。實踐證明,有效地提高了零件的精度,保證了產品質量。

圖2樣品零件

1.工件特性分析

從零件的圖紙要求和材料來看,該零件的加工主要有兩個難點:

(1)因為是薄壁件,螺紋部分厚度只有4mm,材質是45 #鋼,批量大。既要考慮加工過程中如何保證工件的定位精度,又要考慮裝夾方便可靠。通常車削是用三爪卡盤夾緊外圓或支撐內孔來完成的。但是這部分比較薄,轉彎的受力點離擰緊力的作用點比較遠。況且M24螺紋需要車削,受力大,剛性不足,容易造成晃動。所以要充分考慮如何夾緊定位。

(2)螺紋加工部分厚度只有4mm,精度要求高。

廣州數控系統目前GSK980T螺紋編程有G32、G92、G76指令。G32是簡單的螺紋切削,顯然不適合。G92螺紋切削循環采用直線進給方式。如圖3所示,刀具兩邊同時切削工件,所以切削力大,切削困難。切割時,兩個刃口容易磨損。切削大螺距螺紋時,切削深度大,刃口磨損快,導致螺紋中徑有誤差,但其加工的齒形精度高。G76螺紋切削循環采用斜進給方式,如圖4所示,用一面刃切削工件時,刀刃容易損壞和磨損,但加工的螺紋表面不直,刀尖角變化,導致齒形精度差。

從上面的對比可以看出,單純用一條指令來翻線程并不完美。用G92和G76編程,即用G76進行螺紋粗加工,用G92進行精加工,在薄壁螺紋加工中會有兩個好處:一方面可以避免大切削量引起的薄壁變形;另一方面,可以保證螺紋加工的精度。

圖3 G92直線加工

圖4 G76斜向加工

2.優化夾具設計

由于工件壁薄、剛性差,如果用常規方法裝夾工件,在軸向切削力和熱變形的影響下,工件會發生彎曲,難以滿足技術要求。為解決這一問題,我們設計了一套適合上述零件加工的專用夾具,如圖5所示。

圖5專用夾具

其中,零件1為夾具主體,材質為45 #鋼,左端直徑為80mm,夾持工件的內孔直徑范圍為20 ~ 30mm;零件2是拉桿,45號鋼,直徑21mm,剛好與薄工件上的φ21孔吻合,使工件在夾具中定位,傳遞切削力。零件3是指已經加工好左端面和內孔的工件。夾緊時,應注意工件與夾具體1之間的軸向夾緊配合。小槽是為了方便控制工件翻轉夾緊后的總長度而設計的,尺寸為5mm×2mm。

3.刀具的合理選擇

(1)內鏜刀采用機床刀架,縮短了換刀時間,無需刃磨刀具,剛性好,可減少振動變形,防止振痕;

(2)硬質合金90°車刀用于外圓粗、精車;

(3)螺紋刀具是具有標準頂角的機床,這樣磨損后可以很容易地更換。

4.加工步驟的選擇

(1)夾緊毛坯長15mm,平端面符合加工要求;

(2)用φ18鉆頭鉆通孔,粗精加工φ21通孔;

(3)粗、精加工φ48外圓,加工長度大于3mm達到尺寸要求;

(4)掉頭,用夾具夾緊,如圖二,控制35mm平端面的總長度尺寸;

(5)加工螺紋外徑至φ23.805;

(6)螺紋加工用G76和G92混合編程;

(7)拆除工件并完成加工。

5.切削參數的選擇

(1)內孔粗車時,主軸轉速500 ~ 600 r/min,進給速度F100~F150,精車余量0.2 ~ 0.3mm;

(2)精加工內孔時,主軸轉速為1100 ~ 1200 r/min。為了獲得較好的表面粗糙度,選擇較低的進給速度F30~F45,一次進給完成;

(3)外圓粗車時,主軸轉速1100 ~ 1200 r/min,進給速度F100~F150,精加工余量0.3 ~ 0.5mm;

(4)外圓精加工,主軸轉速1100 ~ 1200 r/min,進給速度F30~F45,一次性進給完成。

6.準備好的加工程序。

根據以上分析,使用GSK980T的數控系統加工程序如圖6所示。

圖GSK980T的加工程序

7.加工中的注意事項

(1)工件應夾緊,防止車削時打滑飛出傷人及刺刀;

(2)車削時使用合適的冷卻液(如煤油)可以減少熱變形,使加工表面更好地滿足要求;

(3)注重安全文明生產。

通過實際加工生產,上述措施解決了加工精度低的問題,減少了裝夾和校正時間,降低了操作人員的勞動強度,提高了效率,保證了加工零件的質量,經濟效益明顯。本文介紹的只是針對特定工件的加工策略。雖然不具有普遍性,但還是希望能起到拋磚引玉的作用。