浅谈薄壁零件易变形的原因及改进措施

[摘 要]薄壁零件因其质量轻、节省材料、结构较为紧密等特点，而被广泛应用于机械加工行业。但在实际加工过程中薄壁零件因为某些原因，特别容易发生变形，结果不能保证加工精度。本文主要是对薄壁零件容易出现变形的原因及改进措施和新型的加工方法进行分析论述，希望提供一些有价值的参考，从而减少薄壁零件变形的发生，进而保证加工的精度。

[关键词]薄壁零件；变形；改善措施

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0074-01

薄壁零件刚性差、易变形，严重影响了机械加工的精度。薄壁零件的加工易变形问题一直是困扰着机械加工行业。所以，许多国内外的专家学者通过反复的实验和验证，建立了多种动态或静态模型，采用先进的有限元技术对加工过程中的刀具和工件进行分析，并依据结论提出了改进加工的有效方法，从而使得薄壁零件的加工工艺有了一些进步。但在实际生产过程中，我们需要要针对加工过程中出现变形的原因，采取不同的控制措施，提高生产效率。下文将对薄壁零件变形的相关内容进行论述。

一、薄壁零件变形的原因

在机械加工过程中薄壁零件发生振动和变形的原因多种多样，具体如下：

1.装夹、定位不合理

薄壁零件的刚性较差，因此，在进行加工过程中，如果夹紧力和承受力的作用位置选择不合适，就会增加薄壁零件的内应力；夹、压所产生的弹力极易造成变形，从而影响了零件的表面尺寸、形状和精度，进而导致薄壁零件的变形。因此，对零件的装夹、定位的合理设计，有助于降低变形的可能性，充分保证加工质量。

2.加工残余应力

在机械加工过程中，对零件进行加工时会造成刀具与零件的挤压，刀具前刀面和后刀面与已加工表面的挤压、摩擦等作用，从而增加了薄壁零件内部的加工残余应力。加工残余应力指的是在薄壁零件受到外力作用时，残余应力与外力之间的作用，导致零件局部出现变形，内部应力重新分布，使零件处于一种不稳定的应力状态，而当外力作用消失后，零件内部的应力作用就会发生一定的变化，应力又会重新分配，造成零件的再一次变形，严重影响了加工的精度和质量。

3.切削力和切削热

在薄壁零件加工过程中，即对零件进行切削的过程中，为了克服加工过程中材料的弹性、塑性形变，以及刀具与零件之间的切削和摩擦作用，因此，会产生一定的切削力和切削热，这样更容易造成薄壁零件的振动和变形，从而影响加工的精度和质量。

此外，机械加工的机床、工装具有一定的刚度，切削刀具的材质、角度、参数及零件的冷却散热等加工条件都会对薄壁零件的振动和变形产生影响。而在所有的影响因素中，切削力、夹紧力和残余应力是零件形变的主要影响因素。

二、薄壁零件变形的改善措施

综上所述，在机械加工过程中由于某些原因，导致薄壁零件出现变形，因此，为确保机械加工的顺利进行，需要针对出现问题的原因，采取有效的改进措施，具体如下：

1.加强零件的整体刚性

薄壁零件的刚性随着壁厚的不断变薄而日益下降，而这大大增加了零件加工变形的机率、因此，在零件加工过程中，尽可能的充分利用零件未加工的地方，未加工部分是正在切削的支持力，有助于切削过程中的零件处于最佳的刚性状态。例如，腔体类零件自身腔内具有一定的腹板，在进行零件加工的过程中，刀具可以从零件的腔体中间位置进行切削，由中心向四周进行切削。当内腔较深时，也可以按照以上的切削方式对零件进行多层加工。这种切削方法大大降低了零件变形的可能性及所导致的影响，随着刚性的降低，也逐渐降低了由切削所产生的振动。

2.加强设计工艺筋条，提高零件刚性

对于薄壁零件的加工，要采用增加设计工艺筋条，以此来提高零件的整体刚性，这是工艺设计比较常用的一种方法。依据零件的形状、结构特点，对零件增加合适的工艺筋条，利用这种方式，可以有效地控制零件的变形处于设计精度的范围之内。

3.对称分层铣削，均匀释放残余应力

如果对毛坯材料进行对称分层铣削，要使初始的残余应力均匀释放，这样可以大大减少加工过程中零件发生震动和变形的概率。而对于板类零件的两面加工，则要应用上下两面去除余量的基本原则，对厚度两面进行交替加工。在进行机械加工时，满足余量依次减少的基本原则，残余应力随交替次数的增加而释放更彻底，有利于零件加工后变形的可能性变小。

4.优化刀具下刀方式

刀具下刀方式将会直接影响零件的形变程度和加工质量。如采用垂直进刀的切削方式，就会对腹板产生一个向下的作用压力，从而造成腹板的变形；如采用水平进刀的切削方式，就会对零件的侧壁产生一定的挤压作用，如果刀具的刚性较差则会导致让刀，直接影响了加工的精度和质量水平。

5.实现薄壁零件加工变形工艺方法的固定化

随着科学信息技术的迅速发展，数控机床的应用范围更加广泛，使得大部分控制薄壁零件加工变形工艺方法的工艺实现固定化，从而避免了操作者的操作对加工质量的影响。因此，在零件加工过程中，要积极引进和应用数控机床、专用夹具，制定科学的、合理的作业指导书。落实这些控制手段，有助于提高加工的质量和精度。

三、薄壁零件新型的切削加工方法

1.误差补偿技术

薄壁零件的数控加工技术是现代制造企业的核心技术，误差补偿技术应用于薄壁零件加工是通过分析各种不同的误差来源及变化规律，建立适当的误差模型进而有效克服切削力变形、热变形等数控机床加工误差因素的影响，提高零件加工精度。数控补偿工艺需配备高精度五轴数控机床，适用于高端制造行业，如航天航空加工中。

2.高速切削加工技术

高速切削是当今制造业中一项快速发展的新技术，是常规切削速度的5～10倍。切削温度、切削力通常随切削速度的升高而升高，但超过一定范围后，反而随切削速度的升高而下降。所以高速切削薄壁零件具有以下优越性：

（1）高速切削时，由于采用极小的切削深度和很窄的切削宽度，因此和常规切削状态下的切削力相比至少可减小30%，所以在加工薄壁、薄板类零件时可减小加工变形，易于保证零件的尺寸精度和形位精度。

（2）高速切削时由于切削热的95%将被切屑带走，工件温度升不高，工件的热变形小，这对于减小薄壁、薄板类零件的变形非常有利。

（3）由于工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，而高速切削时，刀具切削的激振频率很高，远离了零件结构工艺系统的低振频率范围，不会造成工艺系统的受迫振动，从而避免切削振动，实现平稳切削降低了表面粗糙度，使加工表面非常光洁，可达到磨削的水平。

（4）高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5-10倍，单位时间材料切除率可提高3-6倍，加工效率得到很大提高。

四、结束语

综上所述，本文主要是对薄壁零件变形的原因及改进措施和新型的加工方法进行论述，同时介绍了两种新型的切削加工方法，希望能够有效控制薄壁零件的变形状况。

参考文献

[1] 于春涛，韩爱芳：《航空薄壁零件变形控制方法的研究》[J]，《机电信息》，2013年第6期.

[2] 刘峻：《薄壁零件的加工工艺研究》[J]，《机械研究与应用》，2011年第3期.

[3] 王家颖：《大型薄壁零件防变形加工工艺》[J]，《航空制造技术》，2011年第Z2期.

[4] 陈德兰：《控制薄壁零件变形的工艺措施》[J]，《装备制造技术》，2010年第6期.