大型薄壁件车加工变形控制

摘 要：文章介绍了根据现场试验，通过优化加工刀具、优化工艺路线、优化切削参数、优化装夹方案等积累的一些大型薄壁零件的车加工变形控制方法和经验。

关键词：薄壁零件；变形控制；方法

引言

零件毛坯在铸造、锻压、焊接等过程中，由于受热、冷却的作用，在零件内部产生残余内应力，导致工件处于特别不稳定状态，降低了工件的尺寸精度，使工件在工作过程中产生应力变形，因此加工变形是薄壁弱刚性构件普遍存在的问题。

大型薄壁壳体零件，存在两个加工弊端，一是受零件形状和锻造工艺限制，毛料余量大；二是受零件材料的影响，一般大型薄壁零件均采用高温合金、钛合金等难加工材料，零件的切削性能差，这样就给变形控制带来一定的难度。下面就从以下几方面介绍大型薄壁零件的车加工变形控制。

1 合理安排加工路线

对于毛料余量很大的零件，车加工路线分为：粗加工、半精加工、精加工，同时要合理分配各工序加工余量，在粗加工后安排去应力热处理工序，这样可以消除毛料中的残余应力；在半精加工后进行自然时效或振动时效等方法消除加工应力，减少零件变形。半精车后一定要求安排车基准工序，保证加工基准面的平面度要求，提高加工质量。

振动时效消除零件残余应力的方法比自然时效需要的时间短，可以缩短零件的加工周期，这种方法将是未来的发展方向。

2 通过夹具、辅助支撑等方式增强零件的系统刚性

由于薄壁零件的外型多样，零件自身刚性差，在装夹时压紧位置的受力不同，所产生的变形量就会不同。实践证明，增大零件与夹具的受力接触面，减少零件的共振现象，可有效的降低零件的变形。

某大型薄壁机匣（直径在1.3米，高0.46米），在粗车内外圆时，通过袋装砂砾子放置在零件内圆，橡胶带缠绕在外圆的方法，增到阻尼，有效减震，控制零件的加工变形。精加工时夹具采用内外分级辅助支撑结构，内圆均布8点两级辅助支撑，外圆均布12点3级辅助支撑。加工中采用打表的方式进行支撑，避免支撑力过大，加工中产生弹性变形。该种装夹方式，有效地增强了大型薄壁零件的切削刚性，减小零件加工过程中产生的振动、应力变形和让刀现象，保证零件的表面加工质量。

组合夹具也同样可以达到增加系统刚性的目的，成本较低，更有利于单件加工，需要注意的是辅助支撑最好采用面接触的方式，这样使承力面受力更均匀。另外值得注意的是，随着零件车加工过程中壁厚尺寸的减小，零件刚性就会越来越差，所以零件各个工序加工时，要采用未加工部分作为加工部分的支撑，这样可以增强加工位置的刚性。

3 规划能够减小零件变形切削路径

科学合理地安排薄壁件的切削走刀路径，是减少零件加工变形量的有效手段。在车加工过程中，要依据零件具体结构、毛料余量，正确安排零件各个型面的加工先后顺序和刀具走刀路线。

某大型薄壁零件在加工中变形较大，所以对零件的加工路线进行了改进。该零件在进行车加工时，采用对称加工的方式，均匀留余量，保证每道工序加工余量均匀，这样可以均匀的释放零件的内部应力，减少加工变形。同时每道车加工工序都进行粗精加工工步，首先粗加工后，单边留0.5余量，松开压板，释放应力，然后重新装夹找正零件，再进行精加工；在零件精车工序，零件壁厚小，刚性差，因此采用内外对称分级交替的方式加工，即内圆加工上部，进行外圆对称部位的加工，然后加工内圆中部，进行外圆对称部位加工，以此类推，交替加工。经过试验，该方法可以有效地减少加工应力变形，保证加工精度。

4 合理的选择刀具

加工中，刀具受到来自工件和机床的作用，产生一定量的变形，对工件的加工质量有影响，根据刀具变形产生的原因，可分为受热变形和弹力变形。选择合理的刀具主要是在刀具本身强度、锋利程度、耐磨程度等方面做出合理的选择。根据零件材料选择合适的刀具材料，根据加工部位选择合理的刀具角度，根据不同尝试，确定最优的选刀方案。

4.1 高温合金材料的加工

大型薄壁件大多采用高温合金材料，故要求刀具锋利，一般情况下宜选取较小正前角，较大后角，较大工作主偏角。加工镍基高温合金的刀具应该选用耐磨性和稳定性好的材料，主要为硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷刀具等，其中陶瓷刀具适合余量大的粗加工工序。精加工应该选用硬质合金、涂层硬质合金刀具。车削时刀具的几何参数：前角γ0=5°～10°，后角α0=10°～15°，刀尖圆弧半径R=0.4～0.8mm，刀头前刃面应作断屑槽或采用可转位刀片。

4.2 钛合金材料的加工

车削钛合金时，应尽可能使用硬质合金刀具，以提高生产率，应该选用与钛合金亲和力小，热导性能良好的高强度细晶粒钨钴类（YG类）硬质合金。为提高切削刃强度和散热能力，刀具应采用较小的前角（5°～10°）和较大的后角（6°～15°）。刀尖采用圆弧过渡刃，刀刃上避免有尖角出现。刀刃上避免有尖角出现。刀刃的粗糙度应尽可能小，以保证排屑流畅和避免蹦刀。

4.3 加工中的具体应用

粗加工刀具的选择：粗加工时选择耐磨刀具，W6R0.4切刀片以及R1.2的方刀片进行加工，这样可以大大提高加工效率；半精加工选择W4R0.4和DNMG型偏刀进行加工，加工切削力小，减少零件的应力变形。精加工刀具的选择：加工时，一般单边余量在1mm，使用半精加工刀具加工时，产生很大的振动，变形较大。经过试验加工，选用VB型偏刀加工型面效果较好，但是在加工长斜面时，产生严重的让刀，多次光刀效果不佳，表面加工硬化，刀具非常易磨损。大胆尝试大前角抛光刀片VCGT型刀具加工大斜面，由于该刀具锋利，大大减少加工变形量，保证尺寸要求，同时可以保证壁厚均匀，该刀片让刀小并且一致性好，值得推广。

5 加工参数的选择和优化

加工参数的合理选择，也是控制薄壁零件加工变形的主要方法，同时可以达到优化加工、提高加工效率的目的。总体原则是粗车加工采用大切深，小进给、低转速的强力切削方式提高材料去除率，半精车加工给精加工留均匀的余量，在精车加工时，采用大进给，小切深、高转速的高速切削方式，保证零件的加工质量。

车削高温合金时，应采用较小偏低的切削速度，并适当加大切削深度和进给量，保证切削刃和刀尖在硬化层下进行切削。车削钛合金时，切削速度不宜过高（40～50）m/min，背吃刀量可以较大，进给量应适当。但是要根据不同材料选择合适的深度，保证在加工硬化层下切削，这样可以减少磨刀。

以上方案确定后，还要根据软件对程序进行优化，特别是零件的转角连接处，结构特殊位置和接刀处进行每一段程序的参数优化，优化后的程序要求进行试验加工，然后根据现场实际加工情况进行二次优化，保证参数最优，有效控制零件的加工变形。

6 切削液的要求

切削液的作用主要是减少切削过程中刀具的磨损和降低切削温度，在加工中为了避免零件加工变形必须合理充分的使用切削液，保证零件的加工部位切削液充足，这样可以降低车加工时零件受热、受力变形，提高刀具的耐用度和零件的表面质量。

7 结束语

航空领域大型薄壁零件较多，依托现有零件，主要从加工路线的选择、切削走刀路径的优化、辅助支撑增强零件刚性、合理选择刀具和优化切削参数等方面对控制大直径薄壁零件车加工变形进行探讨，并总结了现场的实际加工经验，为类似薄壁零件的加工提供技术支持。

参考文献

[1]刘杰华，任昭容.金属切削与刀具实用技术[M].国防工业出版社，2006.