烟台市职业教育科研十二五规划课题.docx

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烟台市职业教育科研十二五规划课题

烟台市职业教育科研“十二五”规划课题

《“数控机床薄壁工件加工困难问题的研究”的实践研究》

课题研究报告

课题主持人：

郝占向

课题研究人员：

郝占向

报告执笔人：

郝占向

一、课题研究的背景、目的和意义

（一）研究背景

薄壁零件具有体积小、重量轻、结构紧凑的特点，在许多产品中得到应用，随着一些产品体积向小型化、精密化发展，薄型零件的应用也越来越广泛，已经成为许多产品的关键性零件。

但是，由于薄壁零件刚性差，加工时空易变形，不易保证加工质量，给该类零件的机械加工造成困难，因而阻碍了产品的设计和发展，也正因为加工困难，这一类零件也成为历年数控比赛的加工要素之一。

因此，薄壁零件的加工工艺已成为机械加工中必须解决的工艺问题。

（二）研究目的

通过对薄壁零件加工工艺及工装夹具、加工方法的设计和优化，总结利用数控技术和专用夹具加工薄壁零件的经验，并从理论上加以分析和提高，给制造薄壁类零件加工提供可行的依据。

（三）研究意义

使用数控设备加工的薄壁零件已日益广泛地应用在各工业部门，因为它具有重量轻，节约材料，结构紧凑等特点。

但薄壁零件的加工是车削中比较棘手的问题，原因是薄壁零件刚性差，强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。

对于批量大的生产，我们可利用数控车床高加工精度及高生产效率的特点，并充分地考虑工艺问题对零件加工质量的影响，为此对工件的装夹、刀具几何参数、程序的编制等方面进行试验，有效地克服薄壁零件加工过程中出现的变形，保证了加工精度为今后更好的加工薄壁零件提供了好的依据及借鉴。

二、课题研究的对象、范围和方法

研究对象：

利用数控机床加工薄壁工件

研究范围：

数控机床加工薄壁工件时装夹、刀具和编程等方面的研究

研究方法：

分析影响薄壁工件加工精度的因素，通过加工实验，逐一找到解决方法，并从中归纳确定最终的实用方案。

三、课题研究的主要内容

从本课题开题以来，我利用教学之余，寻找出影响薄壁件加工精度的因素，并逐一探讨对应的解决方法，已经取得了巨大的成果，我以图1为例，介绍一下我主要采用的加工措施：

图1

1、工件的装夹

我主要采用两种方法进行研究，最后进行改良，分别是：

方法一：

先根据薄壁工件的内孔加工出一根芯轴（图2）作为辅助；然后再安装工件，加工出标准内孔；把做好的芯轴装入加工好的孔内，最好使孔轴配合间隙为0.01mm以内；加工出外圆，直至尺寸要求；把芯轴取出，用切断刀把薄壁工件切断，并控制总长为要求长度。

图2

方法二：

和方法一类似，先根据薄壁工件的外圆加工出一个轴套（图3）辅助，再按照零件图尺寸加工出外圆，直到尺寸精度；把做好的轴套辅助零件套在加工好的外圆上，最好使孔轴配合间隙为0.01mm以内；按照图纸要求加工内孔，直至尺寸精度；把加工好的薄壁零件切断，保证总长尺寸。

图3

对这两种辅助工具进行试切，发现两种方法优点十分明显：

都能精确保证加工的尺寸精度，并且大大减少了工件的变形；在进行小批量生产时能够比普车加工节省很多加工时间；方法一的外圆和内孔是一个工步完成的，因此零件的外圆和内孔同轴度精度要高一些。

同时也存在明显的缺点：

用的毛坯比较大，最少要长一个装夹长度（10mm以上），一般的短料无法完成加工；工艺相对复杂，不适合大批量加工。

为了减少毛坯用料，节约成本，并符合大批量生产的要求，在上面两种方法的基础上进行取舍和改进，总结出生产中可以采用的辅助工具和方法。

方法三：

对于大批量生产，为了节约成本，所用的毛坯尺寸比工件仅长出2－3mm，使用前两种方法已经不能满足加工要求，如果调头加工，由于受到切削力和夹紧力的作用，工件会变形严重，如果不掉头，则无法完成加工，所以我在方法一的基础上进行辅助工件和加工工艺的改良，辅助工具见图4。

图4

当轴芯带动工件转动准备加工时，由于工件旋转方向自由度没有限制，因此需要一螺母与芯轴右端配合，当工件装入芯轴后，用螺母和芯轴外螺纹配合从而固定工件的轴向移动，通过轴向力使工件和芯轴连在一起，从而避免加工时有相对运动。

加工步聚：

首先加工工件两端面，保证总长；加工内孔，保证加工精度；把工件装在芯轴上，并且装好螺母，使工件与芯轴轴向固定，孔轴间隙最好在0.01mm以内；固定好工件，开始加工外圆，直至尺寸要求；拆卸工件时尽量不要借助机械工具，以防工件变形。

方法三加工的优缺点分析：

优点是节省了毛坯，一般长出2－3mm即可；适合大批量加工，效率较高。

外圆与内孔的同轴度相比较前两种方法有所降低，原因是方法三中外圆和内孔不是同一工序完成的，而前两种方法是在同一工序中加工完成；工艺相对复杂，辅助成本相对有所增加。

2、刀具选用

刀具几何参数和切削用量选择不当，会造成切削力过大，发生弯曲变形和表面粗糙度增大，如何选择加工刀具，以下图反向走刀车削（图5）为例进行研究。

图5

粗车刀：

刀具特点是主偏角较大（75°左右），使径向力Py减小，轴向力Px增大，能减少切削振动和弯曲变形；前角约为15°－20°左右，可使切削更轻快；断屑槽磨成R约在2.5－4mm之间，有良好的卷屑作用，并增大实际切削前角。

精车刀：

刀具特点是具有较大前角（93°左右），刀尖无倒棱，切削轻快，切屑呈铝箔纸状；刀刃宽度大于走刀量1.3倍以上，有一定的修光作用；有1.5°－2°刃倾角，切屑沿待加工表面排出；刀刃必须研磨平直，表面粗糙度达R0.6以上。

切削参数选择：

尽量选用反向低速大进刀车削，加工过程可以减小工件变形。

粗车时切削速度v=32m/min,走刀量f=0.3-0.4mm/r,切削深度ap=2-4mm;精车时切削速度v=1.5m/min,走刀量f=0.05-0.15mm/r,切削深度ap=0.02-0.05mm。

3、切削热的影响

在加工中会产生大量的切削热，而对于薄壁工件来说，这些热量更不容易消除，会引起工件的变形，最终影响工件加工的尺寸，热变形公式为：

△L＝L×a×△t，式中△L是工件的伸长量，单位是mm，L是工件的总长，单位是mm，a是材料的线膨胀系数，单位是um/℃，△t工件的升高温度，单位是℃。

由公式可知，工件变形量与温度变化量成正比，因此要尽量控制零件温升。

除了控制刀具、切削参数外，还要采用合理的切削液对加工工件进行充分冷却、润滑，减少热量产生，并带走切削产生的热量，改善刀具与工件的摩擦情况，降低切削热、减小热变形和刀具磨损，提高加工精度。

如果仍不能使温度降至要求温度，需工件冷却后再进行二次加工。

4、辅助工具的使用

加工细长薄壁工件时，我主要研究了跟刀架和支撑架的使用。

跟刀架固定在床鞍上，随车刀一超运动。

很多时候为了简单，只用一个支承爪为于车刀对面，加工时工件不会前后移动，但在高度方向还有自由度，所以在切削力和重力作用下，工件会产生上下攒动，导致加工失败。

我比较研究后排除了难以准确调整的三支承爪加工方案，而采用两个支承爪成120°，与车刀刀尖也互成120°的位置，这样的位置可以较完整的限制上下、左右两个自由度。

车超长薄壁件时由于使用跟刀架，若支撑工件的两个支承爪对零件压力不适当，也会影响加工精度。

若压力过小或不接触，就不起作用，不能提高工件的刚性；若压力太大，零件会被压向车刀，导致零件尺寸变小，如果跟刀架继续移动时，支撑块与工件在力的作用下脱离，工件向外让开，车出的直径变大，这样周而复始有规律的变化，造成细长轴类出现“节状”变化，不易获得良好的表面粗糙度和几何精度。

所以要认真调节支承爪对工件的压力。

另外加工时也要对支承爪进行相应的润滑，减小支承爪变形带来的加工误差。

另外对于细长薄壁工件，在自身重力作用下，工件在刀具已经走过的位置会发生一定的下降变形，所以我加上一可调高度的托架进行支撑，工件变形也得到了改善。

如果没有托架，也可以用高度合适的木块来支撑，也十分方便。

5、机床调整

调整主轴中心和尾座顶尖中心连线与导轨全长平行；主轴中心和尾座顶尖中心的同轴度公差小于0.02mm；调整大、中、小拖板的间隙到合适。

四、课题研究的结果及取得的成果

薄壁零件的加工问题，一直是较难解决的一种加工轮廓，目前一般采用数控车削的方式进行加工，为此要对工件的装夹、刀具几何参数、程序的编制等方面进行加工试验，从而找到有效克服加工过程中出现的变形，保证加工精度的方法。

通过研究，归纳出影响的因素主要有以下几个方面：

1、受力变形

因工件壁薄刚性太差，装夹时在夹紧力的作用下极易产生变形，在切削力和重力等的作用下，工件变形会更为严重，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。

2、刀具因素

刀具的刀柄长度、刀尖形状、锋利程度以及长时间使用时的磨损等都会影响工件的尺寸精度。

3、受热变形

因工件较薄散热性能较差，在切削热的作用下会引起工件热变形，从而使工件尺寸难于控制。

4、工件的长度因素

超长薄壁件在自身重力下易弯曲，而超短薄壁件没有装夹位置，是加工工艺要解决的问题

5、机床因素

使工件同轴度难以保证。

工件内孔完成后，再精车外圆，由于机床丝杠的反向间隙影响，难免会出现产品出现椭圆、锥度以及跳动等现象，影响内外圆的同轴度和跳动。

（二）开展相关工作的初步成效：

1、找到影响薄壁零件加工精度的因素

2、提高薄壁零件的加工精度

3、分析工件的性能特点。

4、分析工件夹具的优化

5、分析加工工艺的优化

6、具体操作中总结经验。

结束语

薄壁工件的车削加工虽然是机械加工中比较常见的加工方式，由于薄壁工件刚性差,车削时受力、受热变形较大，很难保证薄壁件的加工质量要求。

通过研究可以发现，根据薄壁工件的特点，采用相应的手段，如合理的辅助工具、刀具、加工参数及冷却方式后，可以保证薄壁工件的加工质量要求。

由于薄壁类零件种类繁多，以及本人的技术水平和能力有限，只能选取具有代表性的零件进行研究，结果不当之处敬请指导。

参考文献：

1、杨彬主编《数控车床加工工艺与编程》中国劳动社会保障出版社

2、宋建国、宋卫国主编《数控技术实训教程》电子科技大学出版社