加強(qiáng)數(shù)控車(chē)床薄壁零件加工措施探析
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摘要：薄壁零件作為數(shù)控車(chē)床中難以加工的零件，加工零件的同時(shí)主要解決變形及精度上的問(wèn)題。在研究中，將薄壁汽缸作為加工對(duì)象，分析薄壁零件及影響薄壁零件精度的因素，在把握問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出加強(qiáng)數(shù)控車(chē)床薄壁零件加工的措施，為薄壁零件加工提供幫助。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床；薄壁零件；加工措施
0引言
數(shù)控車(chē)床是機(jī)械加工的設(shè)施，在車(chē)床加工過(guò)程中，對(duì)加工產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格管理，才能保證加工的零件質(zhì)量，滿(mǎn)足質(zhì)量要求的產(chǎn)品會(huì)進(jìn)行售賣(mài)，進(jìn)入人們的生活中。在實(shí)際加工過(guò)程中，涉及一些特殊的薄壁零件，此類(lèi)零件的加工難度較大，生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量不容易控制，出現(xiàn)不合格產(chǎn)品的概率高。在機(jī)械加工企業(yè)中，薄壁零件加工讓操作員感到困擾，對(duì)此，還需掌握薄壁加工中影響加工精度的因素，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)處理，解決零件加工變形問(wèn)題，保證薄壁零件的加工精度。
1薄壁零件簡(jiǎn)述
薄壁零件指的是薄形板材及加強(qiáng)筋條形成的輕量化構(gòu)件，薄壁零件厚度及內(nèi)徑曲率比值<5%，此類(lèi)零件使用的材料量小，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量輕。薄壁零件本身結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，硬度及剛度不足，在生產(chǎn)過(guò)程中容易發(fā)生變形及翹起，對(duì)薄壁零件感官產(chǎn)生影響的同時(shí)，也會(huì)影響薄壁零件的使用效果。薄壁零件在尺寸及造型上特殊，本身屬于特殊材料，經(jīng)常使用的薄壁加工材料是鈦合金、復(fù)合材料，此類(lèi)材料均針對(duì)不同的生產(chǎn)場(chǎng)景，在不同場(chǎng)景中生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)品。自薄壁零件加工及工藝角度進(jìn)行分析，薄壁零件最終的加工效果反映加工水平，薄壁零件一般應(yīng)用于高精尖領(lǐng)域，加工水平直接影響后續(xù)的組裝產(chǎn)品質(zhì)量。自車(chē)削工藝角度上看，切削量及道具材料、幾何參數(shù)均會(huì)對(duì)薄壁加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。
2薄壁零件加工精度的影響因素
①受力變形：薄壁零件輕薄，在夾裝時(shí)受到壓迫性因素影響，發(fā)生彈性變形的概率高，容易導(dǎo)致薄壁零件表面形狀及尺寸、位置發(fā)生變化，合理選擇夾緊力及支撐力位置，對(duì)薄壁零件質(zhì)量產(chǎn)生影響，對(duì)降低附加應(yīng)力具有重要意義。②受熱變形：薄壁加工的工件應(yīng)克服材料變形問(wèn)題，包括彈性變形及塑性變形，此類(lèi)因素會(huì)導(dǎo)致工件發(fā)生熱變形，操作人員往往無(wú)法控制工件尺寸，導(dǎo)致加工的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)圖紙存在偏差。經(jīng)大量的研究發(fā)現(xiàn)，切削溫度影響薄壁零件形狀，多數(shù)加工中以縮減切削熱以免發(fā)生受熱變形。通過(guò)減小切屑力的方法，避免切削溫度不斷增高，加大道具尖部散熱面積及加注足夠的切削液，可改善切削熱情況。③車(chē)削振動(dòng)變形：機(jī)械加工中，會(huì)產(chǎn)生徑向切削力，導(dǎo)致薄壁零件發(fā)生振動(dòng)及變形。水平面徑向切削力就縱向走刀向垂直，刀具及工件的抗力作用會(huì)導(dǎo)致工件變形，薄壁零件對(duì)切削質(zhì)量要求較高，選擇的切削工具較小，加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生斷裂屑，導(dǎo)致刀尖與工件的切削抗力發(fā)生變化，加工產(chǎn)品與刀具振動(dòng)從而引發(fā)變形。
3數(shù)控車(chē)床薄壁零件加工質(zhì)量控制措施
3.1薄壁汽缸零件施工
3.1.1加工工藝及加工階段。薄壁汽缸零件生產(chǎn)較為復(fù)雜，這種零件是基礎(chǔ)性零件，側(cè)面結(jié)構(gòu)及構(gòu)成具有多樣化特點(diǎn)，構(gòu)成細(xì)節(jié)尺寸具有顯著的差異。一般情況下，薄壁汽缸零件表面會(huì)增加一層稀有金屬，達(dá)到保護(hù)薄壁的目的，并保持薄壁的美觀性。薄壁零件內(nèi)部也要加工，從而降低薄壁汽缸零件內(nèi)部的阻力及磨損率。薄壁零件內(nèi)孔及臺(tái)階面孔表面有公差，公差一般在0.02mm左右。自總體上看薄壁汽缸對(duì)加工的要求較高，且此類(lèi)零件的剛度差，容易發(fā)生變形，對(duì)最終的加工質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生影響。在薄壁零件加工過(guò)程中，會(huì)使用獨(dú)特的夾具及刀具，合理選擇工藝路線(xiàn)，對(duì)滿(mǎn)足圖紙要求具有重要意義，具體的質(zhì)量控制措施如下。在本文研究中，將薄壁汽缸作為案例（見(jiàn)圖1），薄壁汽缸加工質(zhì)量要求較高、剛性差，加工余量大，合理劃分施工階段具有重要意義。對(duì)圖紙進(jìn)行分析，在加工過(guò)程中，可以分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段是粗加工，對(duì)外圓及內(nèi)孔進(jìn)行處理，將大部分加工量去除，及時(shí)發(fā)現(xiàn)上述分析中的變形因素，掌握毛坯材料缺陷，為后續(xù)加工奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第二個(gè)階段是半加工，針對(duì)零件表面進(jìn)行處理。第三個(gè)階段是精加工，此階段的加工是精車(chē)外圓，滿(mǎn)足精度要求。3.1.2定位選擇。在薄壁汽缸零部件加工中，汽缸內(nèi)孔及臺(tái)階孔對(duì)精度的要求較高，包括位置及尺寸，加工過(guò)程中通過(guò)統(tǒng)一精準(zhǔn)定位可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合零件加工工藝，將外圓表面及C端面作為加工定位基準(zhǔn)面。將C面作為基準(zhǔn)面對(duì)提升加工精度具有一定的優(yōu)勢(shì)。在一次夾裝中可以對(duì)外圓面及內(nèi)孔、端面、臺(tái)階面等處理，進(jìn)一步提升零件的生產(chǎn)效率，也能保證各個(gè)面對(duì)精度要求。在加工中同時(shí)展開(kāi)外圓及內(nèi)孔加工，保證零件壁厚均勻，縮減誤差率。將C端面作為定位基準(zhǔn)面，也能避免設(shè)計(jì)及加工上的誤差，提升薄壁汽缸的加工質(zhì)量。3.1.3刀具選擇。企業(yè)在生產(chǎn)中，數(shù)控車(chē)床常見(jiàn)的切削刀具是白鋼刀、硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金中包括YT類(lèi)及YG類(lèi)，YT類(lèi)刀具常見(jiàn)加工碳素鋼及合金鋼。而YG道具常見(jiàn)加工不銹鋼及鑄件等。針對(duì)薄壁汽缸零件的特點(diǎn)及材料要求，加工過(guò)程中使用機(jī)夾可轉(zhuǎn)車(chē)刀，見(jiàn)表1。3.1.4切削量。在切削過(guò)程中，對(duì)切削加工的速度及深度進(jìn)行研究，切削量關(guān)系到零件加工的精度及表面粗糙情況，應(yīng)當(dāng)將刀具的功能充分發(fā)揮，保證刀具的切削功能及耐久度。將機(jī)床性能發(fā)揮，最大程度提升生產(chǎn)率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，見(jiàn)表2。3.1.5夾具設(shè)計(jì)夾具多數(shù)在主軸前端安裝，與主軸共同活動(dòng)，對(duì)此，夾具應(yīng)當(dāng)在合理定位下，保持可靠的松弛度。在夾具設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)保持結(jié)構(gòu)緊湊、懸伸短。家具重心盡可能的靠近主軸，縮減慣性力及回轉(zhuǎn)力矩。合理控制配重，保持平衡，降低振動(dòng)率，避免結(jié)構(gòu)變形。夾具裝置安全耐用，在工件最大位置夾緊，夾緊力足夠大的情況下，避免離心力及慣性力影響而發(fā)生夾具松動(dòng)。夾具及機(jī)床保持穩(wěn)定聯(lián)結(jié)，降低安裝引發(fā)加工誤差。為保證薄壁汽缸零件滿(mǎn)足加工要求，加工過(guò)程中通過(guò)開(kāi)槽套筒使零件壁厚增加，提升零件剛性，降低振動(dòng)率，避免內(nèi)孔加工時(shí)，扇形軟三爪的夾緊力不足，導(dǎo)致內(nèi)孔周?chē)l(fā)生變形。3.1.6修改刀具路徑。在實(shí)際施工過(guò)程中，除上述具體操作外，也要合理對(duì)刀具路徑進(jìn)行調(diào)整，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，在修改刀具路徑過(guò)程中，需要嚴(yán)格根據(jù)規(guī)定對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行調(diào)整，避免發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量改變問(wèn)題。薄壁汽缸生產(chǎn)中，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求較高，需嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量，避免人為操作失誤而發(fā)生誤差，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生過(guò)大的影響。自薄壁汽缸產(chǎn)品上看，薄壁汽缸屬于輕工業(yè)產(chǎn)品，對(duì)參數(shù)的要求較高嚴(yán)格，避免后期發(fā)生變形，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保證產(chǎn)品質(zhì)量滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)，一旦產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，容易發(fā)生變形，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。對(duì)此，修改刀具路徑是非常有效的方案，在施工中對(duì)加工精度進(jìn)行計(jì)算，選擇合適的切削角度，有利于提升產(chǎn)品質(zhì)量。3.1.7調(diào)整進(jìn)給量。在薄壁汽缸加工中，為減少進(jìn)給量問(wèn)題，控制工件變形，提出進(jìn)給量局部調(diào)整方法，在剛性變形關(guān)鍵區(qū)大量進(jìn)給，帶剛性變形大區(qū)域小量進(jìn)給，確定關(guān)鍵區(qū)域后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲得分布圖。邊界點(diǎn)是道具路徑的關(guān)鍵交接位置，根據(jù)幾何算法獲得曲線(xiàn)路徑，使用CAM軟件生成道具路線(xiàn)圖，根據(jù)工差補(bǔ)齊分線(xiàn)段，將道具放在合適的區(qū)域。在薄壁汽缸加重，相關(guān)技術(shù)人員對(duì)工藝進(jìn)行跟進(jìn)及解讀，合理解決變形問(wèn)題，保證薄壁汽缸的加工質(zhì)量。
3.2無(wú)縫鋼管棒料加工
在無(wú)縫鋼管棒料加工過(guò)程中，通過(guò)自定心三爪卡盤(pán)夾緊，完成一次性裝夾加工、在操作過(guò)程中，先粗車(chē)隨后精車(chē)，使用粗車(chē)對(duì)車(chē)內(nèi)孔進(jìn)行處理，達(dá)到準(zhǔn)33.5mm，外圓準(zhǔn)38.5mm、準(zhǔn)42.5mm，利用精車(chē)刀對(duì)內(nèi)孔及外圓進(jìn)行處理，最后完成切斷，通過(guò)一次性?shī)A裝保證同軸垂直度。工藝方案的缺陷是零件壁淡薄，容易發(fā)生振動(dòng)，機(jī)床主軸較為松懈，導(dǎo)致機(jī)床剛性低，容易發(fā)生振動(dòng)，切斷刀在切斷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。在第一道工序中，零件是無(wú)縫鋼管棒料，通過(guò)自定心三爪卡盤(pán)固定，完成粗加工，尺寸預(yù)留在0.5-0.8mm。通過(guò)大面積扇形軟抓夾裝，精加工內(nèi)孔徑在準(zhǔn)34mm。若采取普通自定心三爪卡盤(pán)固定，零件可能發(fā)生變形，受力集中在三點(diǎn)的情況下，薄壁強(qiáng)度降低，容易發(fā)生變形。夾力較小時(shí)，零件在車(chē)削時(shí)受到力學(xué)影響容易導(dǎo)致零件松懈，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生撞刀。大面積扇形軟爪可縮減變形，主要是軟爪夾裝應(yīng)當(dāng)與零件外徑配合。可最大程度獲得接觸面積，從而增大夾緊力，使夾緊力均勻分布在零件上，對(duì)端面進(jìn)行固定。在加工過(guò)程中，軟爪加工應(yīng)當(dāng)完成一次性?shī)A裝，提升零件精度，避免零件在加工時(shí)發(fā)生變形。第三道工序則是對(duì)外圓進(jìn)行精加工，外圓準(zhǔn)42mm，保證零件總體長(zhǎng)度。椎體軸心在夾裝過(guò)程中，包括椎體及墊圈、推薦塊，工作方式是對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行加工，對(duì)內(nèi)六角螺釘進(jìn)行禁錮，椎體在移動(dòng)時(shí)，夾具會(huì)膨脹，從而使內(nèi)部?jī)?nèi)孔受力均勻。精加工完成后，將六角螺釘松解，實(shí)現(xiàn)椎體向外移動(dòng)，避免夾具膨脹，最后將零件松開(kāi)。在實(shí)際施工過(guò)程中，使用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，鋼強(qiáng)度及彈性較好，在施工過(guò)程中也要注意，不同截面夾裝可以保證垂直度，在加工過(guò)程中保持合適的截面，內(nèi)孔尺寸應(yīng)當(dāng)在0.05-0.08mm，便于零件夾裝。椎體內(nèi)六角螺釘在配合過(guò)程中，椎體大徑在28.4mm，錐度設(shè)置為8°。內(nèi)六角螺釘應(yīng)當(dāng)是M10*90，椎體及內(nèi)六角螺釘配合保持松動(dòng)狀態(tài)，對(duì)此，在固定過(guò)程中應(yīng)當(dāng)把推件塊穩(wěn)定，在固定過(guò)程中，距離椎體2mm。在零件加工后，將內(nèi)六角螺釘固定，從而將零件松開(kāi)。在加工過(guò)程中也要注意減少切削變形，從而控制薄壁尺度，對(duì)加工精度進(jìn)行處理，從而提升加工精度，保證整體生產(chǎn)效率。在薄壁零件車(chē)削過(guò)程中，合理對(duì)刀具尺寸進(jìn)行處理，避免發(fā)生熱變形。刀具的幾何角度對(duì)切削力也會(huì)產(chǎn)生影響。刀具前角設(shè)置，在設(shè)置過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)關(guān)注切削的鋒利度，前角大，則切削力及摩擦力減小，刀具強(qiáng)度縮減，刀具散熱不佳，會(huì)導(dǎo)致磨損度增加。車(chē)削鋼件過(guò)程中，使用硬質(zhì)合金刀，前角設(shè)置為5°-20°時(shí)，粗車(chē)取小前角，精車(chē)取大角。刀具選擇過(guò)程中，也要關(guān)注摩擦情況，后角大的情況下，摩擦力縮減，后角過(guò)大則導(dǎo)致切削強(qiáng)度縮減。在車(chē)削加工過(guò)程中，使用硬質(zhì)合金刀具加工，后角取4°-10°，在粗車(chē)過(guò)程中，取較小前角，精車(chē)則獲得較大后角。在加工過(guò)程中，影響道具加工的因素較為復(fù)雜，包括工件表面及粗糙度，車(chē)臂薄件加工中，若徑向切削力小，軸向切削力大，若徑向切削力大，軸向則變小，車(chē)削薄壁無(wú)外圓時(shí)，需主偏角進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到95%。刀具副偏角對(duì)刀具加工摩擦情況產(chǎn)生影響，車(chē)薄壁加工過(guò)程中，粗車(chē)副偏角大，精車(chē)副偏角縮小。
4結(jié)束語(yǔ)
數(shù)控車(chē)床在加工零件過(guò)程中，企業(yè)關(guān)注加工質(zhì)量，企業(yè)加工的合格產(chǎn)品數(shù)量多，獲得較高的收益，若企業(yè)生產(chǎn)的零件精度不足，無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，企業(yè)也會(huì)面對(duì)巨大的損失。對(duì)此，在數(shù)控車(chē)床薄壁零件加工中，應(yīng)當(dāng)具體問(wèn)題具體分析。薄壁汽缸零件在加工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行分析，掌握加工的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)加工材料及切削工藝進(jìn)行分析，結(jié)合過(guò)往的研究案例，說(shuō)明加工過(guò)程中面對(duì)的常見(jiàn)性問(wèn)題，對(duì)各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行處理，保證加工精度，提升薄壁汽缸的生產(chǎn)率及生產(chǎn)質(zhì)量。
作者:胡新華 單位:常州市高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校