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在数控车床上提高薄壁零件的加工精度

抚矿技师学院职业能力开发中心

周 波

摘要： 针对影响加工薄壁零件精度不高等因素，分析了如何提高薄壁零件的加工精度，给出解决问题的具体方法。
关键词： 薄壁零件、加工、精度。
前言：1 薄壁零件的应用和特点
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。
2 影响薄壁零件加工精度的因素
（1）易受力变形：因工件壁薄，在夹紧力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度；(如图1所示)
（2）易受热变形：因工件较薄，切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制；
（3）易振动变形：在切削力（特别是径向切削力）的作用下，容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、形状、位置精度和表面粗糙度。

图1

3 如何提高薄壁零件的加工精度
图2所示的薄壁零件，是用数控车床加工产品中难度较大的零件，为了提高产品的合格率，我从工件的装夹、刀具几何参数、程序的编制等方面进行综合考虑，实践证明，有效提高了零件的精度，保证了产品的质量。

图　2
3.1 分析工件特点
从零件图样要求及材料来看，加工此零件的难度主要有两点：
(1)主要因为是薄壁零件，螺纹部分厚度仅有4mm，材料为45号钢，既要考虑如何保证工件在加工时的定位精度，又要考虑装夹方便、可靠，而我们通常都是用三爪卡盘夹持外圆或撑内孔的装夹方法来加工，但此零件较薄，车削受力点与加紧力作用点相对较远，还需车削M24螺纹，受力很大，刚性不足，容易引起晃动，因此要充分考虑如何装夹定位的问题。
(2) 螺纹加工部分厚度只有4mm，而且精度要求较高。目前FANUC数控系统CAK6150螺纹编程指令有G32、G92、G76。G32是简单螺纹切削，显然不适合； G92螺纹切削循环采用直进式进刀方式，如图3所示，刀具两侧刃同时切削工件，切削力较大，而且排削困难，因此在切削时，两切削刃容易磨损。在切削螺距较大的螺纹时，由于切削深度较大，刀刃磨损较快，从而造成螺纹中径产生误差。但由于其加工的牙形精度较高；G76螺纹切削循环采用斜进式进刀方式，如图4所示，单侧刀刃切削工件，刀刃容易损伤和磨损，但加工的螺纹面不直，刀尖角发生变化，而造成牙形精度较差。
从以上对比可以看出，只简单利用一个指令进行车削螺纹是不够完善的，采用G92、G76混用进行编程，即先用G76进行螺纹粗加工，再用G92进精加工，在薄壁螺纹加工中，将有两大优点：一方面可以避免因切削量大而产生薄壁变形，另一方面能够保证螺纹加工工的精度。

图3　G92直进式加工

图4　G76斜进式加工
3.2 优化夹具设计
由于工件较薄，刚性较差，如果采用常规方法装夹工件及切削加工，将会受到轴向切削力和热变形的影响，工件会出现弯曲变形，很难达到技术要求。因此，需要设计出一套适合上面零件的专用夹具，如图5所示。

图5
对夹具结构说明：
(1) 件1为夹具主体，材料为45号钢，左端被夹持直径为80mm，可用来夹持工件的内孔直径范围为20－30mm；
(2) 件2为拉杆，材料为45号钢，直径为21毫米，刚好与薄片工件上的Φ21孔对应配合，使工件在夹具中定位及传递切削力；
(3) 件3为已加工完左端面和内孔的工件，装夹的时候注意工件与夹具体1的轴向夹紧配合。
(4) 小沟槽的作用：在工件调头装夹后，为方便控制总长而设计，尺寸为5*2mm。
3.3 合理选择刀具
(1) 内镗孔刀采用机夹刀，缩短换刀时间，无需刃磨刀具，具有较好的刚性，能减少振动变形和防止产生振纹；
(2) 外圆粗、精车均选用硬质合金90°车刀；
(3) 螺纹刀选用机夹刀，刀尖角度标准，磨损时易于更换。
3.4 分析工艺过程
1）加工步骤
(1) 装夹毛坯15mm长，平端面至加工要求；
(2) 用Φ18钻头钻通孔，粗、精加工Φ21通孔；
(3) 粗、精加工Φ48外圆，加工长度大于3mm至尺寸要求；
(4) 调头，利用夹具如图2所示装夹，控制总长尺寸35mm平端面；
(5) 加工螺纹外圆尺寸至Φ23.805；
(6) 利用G76、G92混合编程进行螺纹加工；
(7) 拆卸工件，完成加工。
2）切削用量
(1) 内孔粗车时，主轴转速每分钟500~600转，进给速度F100~F150，留精车余量0.2~0.3mm。
(2) 内孔精车时，主轴转速每分钟1100~1200转，为取得较好的表面粗糙度选用较低的进给速度F30~F45，采用一次走刀加工完成。
(3) 外圆粗车时，主轴转速每分钟1100~1200转，进给速度F100~F150，留精车余量0.3~0.5mm。
(4) 外圆精车时，主轴转速每分钟1100~1200转，进给速度F30~F45，采用一次走刀加工完成。
3.5 科学编制程序　（数控系统采用FANUC）
程序内容
程序说明
O1234
G00 X200 Z50
定位至起刀点
S1 M3
启动主轴，转速560转/分
T0101
调用1#镗孔刀
G00 X16 Z5
定位至（16,5）
G71 U0.8 R0.3
G71外圆车削循环，
对内孔Φ21进行粗加工
G71 P1 Q2 U-0.5 W0 F0.15
N1 G0 X21.4
G1 Z0 F40
X21 Z-0.2
N2 Z-37
G0 X200 Z50 M5
回至起刀点，主轴停止
M0
程序停止
M3 S1
主轴启动，转速560转/分

G0 X16 Z5
定位至（16,5）
G70 P1 Q2
G70精车循环N1～N2
G0 X200 Z50
定位至起点
T0202 M3 S2
调用2#外圆精车刀，启动主轴，转速为1120转/分
G00 X52 Z5
定位至（52,5）
G90 X50 Z-6 F100
G90外圆切削循环
X48
车至Φ48
G0 X100 Z100 M5
回至起刀点，主轴停止
M0
程序停止，零件调头并装夹
T0202
调用2#外圆精车刀
M3 S1
主轴启动，转速1120转/分
G00 X50 Z2
定位至（50,2）
G71 U2 R0.5
G71外圆车削循环，
对螺纹外圆进行粗加工
G71 P3 Q4 U0.5 W0 F0.15
N3 G0 X21.805
G1 Z0 F0.1
X23.805 Z-1
N4 Z-32
G0 X100 Z100 M5
回到起刀点，主轴停止
M0
程序停止
M3 S2
主轴启动，转速1120转/分
G00 X50 Z2
定位至（50,2）
G70 P3 Q4
精车N3～N4内容
G0 X100 Z100
回换刀点（100,100）
T0404
调用4#螺纹刀
G0 X25 Z5
定位至（25,5）
G76 P010160 Q300 R0.1
G76螺纹车削循环
车削M24*1.5螺纹部分
G76 X22.25 Z-28 P975 Q100 F1.5
G0 X25 Z5
定位至G76同一螺纹加工起点
G92 X22.15 Z-28 F1.5
G92精修螺纹
X22.05
X22.05
G0 X100 Z100 M5
返回起点、停主轴
M30
程序结束
3.6 加工时的几点注意事项
(1) 工件要夹紧，以防在车削时打滑飞出伤人和扎刀；
(2) 在车削时使用适当的冷却液（如煤油），能减少受热变形，使加工表面更好地达到要求；
(3) 安全文明生产。
4结束语
通过实际加工生产，以上措施很好地解决了加工精度不高等问题，减少了装夹校正的时间，减轻了操作者的劳动强度，提高效率并保证加工后零件的质量，经济效益十分明显。