现代化机械设计制造工艺及精密加工技术探讨

摘 要：精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动 ，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度小于 0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于 0.01μm 的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术。

关键词：机械；精密加工；技术

一、前言

精密铸造成形、精密模压成形、塑性加工、薄板精密成形技术在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。20世纪 70 年代美国空军主持制订“锻造工艺现代化计划”，目的是使锻造这一重要工艺实现现代化，更多地使用CAD/CAM，使新锻件的制造周期减少。1992年，美国国防部提出了“军用关键技术清单”，其中包含了等压成型工艺、数控计算机控制旋压、塑变和剪切成形机械、超塑成型 / 扩散连接工艺、液压延伸成型工艺等精密塑性成型工艺。

国外近年来还发展了以航空航天产品为应用对象的“大型模锻件的锻造及叶片精锻工艺”、“快速凝固粉末层压工艺”、“大型复杂结构件强力旋压成型工艺”、“难变形材料超塑成形工艺”、“先进材料（如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等）成形工艺”等。我国的超塑成形技术在航天航空及机械行业也有应用，如航天工业中的卫星部件、导弹和火箭气瓶等，采用超塑成形法制造侦察卫星的钦合金回收舱。与此同时，还基本上掌握了锌、铜、铝、钦合金的超塑成形工艺，最小成形厚度可达 0.3mm，形状也较复杂。此外，国外已广泛应用精密模压成形技术制造武器。常用的精密模压成形技术，如闭塞式锻造、采用分流原理的精密成形及等温成形等国外已用于军工生产。目前，精密模压技术在我国应用还较少，精度也较差，国外精度为±0.05～0.10mm，我国为±0.1～0.25mm。

二、典型薄壁零件的加工技巧

（一）加工问题的提出

薄壁零件的加工属机械加工中比较棘手的问题，内外椭圆薄壁零件的加工更是如此。原因是薄壁零件刚性差，强度弱，在加工中极易变形，致使零件的形位误差增大，降低零件的加工质量。为此，对薄壁零件的装夹，加工中刀具的合理选用以及切削用量的选择，提出了特殊要求。

我们加工的内外椭圆薄壁零件为壁厚1.2 mm，材料：铝合金（牌号2A80 ）、外径214 mm， -67.9 mm的薄壁零件。

技术要求如下：

（1）内壁的型线包含一个氏15mm的直线段，和一个2：1的标准圆，椭圆中心位于两条中心线的交点。

（2）半氏轴为（105+—0.05）mm，半短轴为（52.5+—0.05）mm，直径（210+ -0.1）mm，薄壁2mm，圆度0.2 mm。

（3）未注公差按GB /T1804.f执行。

（二）工艺分析

根据薄壁类零件的加工特点及防比和减少变形的各类方法，我们在编制工艺路线时考虑了以下几点。

1、车加工分粗车、精车。粗车时吃刀量和进给量可取大些，精车时吃刀量和进给量选相对小些，以此消除加工时因切削力过大而引起的变形。

2、在粗加工后精加工前增加热处理工序。使用热处理方法增加零件材料强度和硬度，达到改善零件受力变形状态，从而减少精加工后的变形。

3、选择前角相对大一点的刀具，保持刀具锋利，以便减小切削力。

4、应用轴向夹紧夹具。车薄壁工件时，一般不使用径向夹紧，而是选择轴向夹紧，用螺母端来压紧工件，使夹紧力沿工件轴向分布，这样可防比夹紧变形。

（三）示意图

（四）薄壁零件加工问题分析

（1）工件装夹不当产生变形用自定心卡盘夹紧薄壁外圆，车削完成卸下后，被卡爪夹紧部分会因弹性变形而胀大，导致零件呈多角形。为了减少变形，使用前车削扇形软卡爪内孔及内端而并符合零件定位外圆尺寸，且保持内孔与端而垂直，同时采用外加开口套筒或改用特殊软爪等措施来增大接触而积，使夹紧力均匀分布。

（2）相对位置调整不准，产生壁厚不均工件、夹具、刀具与机床主轴旋转中心的相对位置调整不准，引起工件几何形状变化和壁厚不均匀。

（3）有些薄壁零件均匀性要求很高，但其尺寸精度要求却不高这类工件若采用刚性定位，则误差较大，壁厚极易超差。

（4）刀具的选用会影响零件的精度和表而粗糙度精车薄壁零件孔时，刀杆的刚度要高，修光刃不宜过长（一般取0. 2 - 0. 4mm），刀具刃口要鋒利，同时注意冷却润滑，否则影响加工表而粗糙度；精车深孔薄壁时，还要注意刀具的磨损情况，特别是车削高强度材料的薄壁时，往往由于刀具逐渐磨损而使工件孔径出现锥度。

（五）薄壁零件车削过程中常出现的问题、原因及解决办法

1.薄壁零件的种类及加工要求

薄壁零件的种类很多，在车削加工中经常碰到的薄壁零件有3种类型。

（1）轴套薄壁件，这类零件内、外圆的直径差很小，轴向尺寸大于径向尺寸；一般对孔的圆度、圆柱度、各圆柱表面的同轴度、孔轴线的直线度等都有严格的要求（如图1所示）。

（2）环类薄壁件，这类零件内、外圆的直径差很小，径向尺寸大于轴向尺寸，端面面积小；一般与套类薄壁件的要求基本相同，但有时有1个或2个端面对孔轴线的垂直度有严格的要求（如图2所示）。

2.薄壁零件加工问题分析

车削各类薄壁零件时，会遇到各种问题，要解决这些问题就必须根据其不同的特点，找出薄弱环节，选用不同的工艺路线和装卡方法来保证加工要求。

（1）工件装卡不当产生变形。用三爪卡盘夹紧薄壁外圆，车削完成卸下后，被卡爪夹紧部分会因弹性变形而胀大，导致零件呈多角形。为了减少变形，使用前先车削扇形软卡爪内孔及内端面，并符合零件定位外圆尺寸的士0. OS mm，且保持内孔与端面垂直，同时采用外加开口套筒或改用特殊软爪等措施来增大接触面积，使夹紧力均匀分布。

（2）相对位置调整不准，产生壁厚不均。工件、夹具、刀具与机床主轴旋转中心的相对位置调整不准，引起工件几何形状变化和壁厚不均匀。

（3）有些薄壁零件的壁厚均匀性要求很高，但其尺寸精度要求却不高。这类工件若采用刚性定位，则误差较大，壁厚极易超差。可采取以下措施：a缩小工件基准尺寸的公差，成批产品需保证批差为0.03mm； b采用弹性定心元件，如塑性涨胎等；c利用夹具定位元件做初定位，按百分表找正后再夹紧工件。

（六）典型薄壁零件的加工技巧

1.分析图样、毛坯及加工的难点

（1）零件毛坯分析。毛坯是由生产厂家铸造成型的粗坯，需要加工零件的端面、外圆和薄壁等距宽槽部分，其中宽槽是加工重点，每个槽肋都非常薄，同时还要考虑批量生产的效率。

（2）加工难点分析。工件装夹位置有限。既要考虑如何保证工件加工时的定位精度，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，还需车削的薄壁宽槽，受力很大，刚性不足，容易引起变形，因此要充分考虑如何装夹定位的问题。

2.设计零件的装夹

1、对零件薄壁右端外圆的装夹设计。从图5中可以看到，零件是在三爪自定心卡盘上装夹，零件只受到三个爪的夹紧力，夹紧力不均衡，从而使零件变形。如果将零件上的每一点的夹紧力都保持均衡，换句话说，就是增大零件的装夹接触面，而减少每一点的夹紧力。如图6所示，采用开缝环套装夹，通过试验证明！后一种方法夹紧，零件的变形小，方法可行。

2、对于毛坯上2.5mm厚凸圆的右端面以及右端外圆和宽槽的车削，应该如何装夹，我们采用的办法就是！先在三个卡盘的卡爪上分别焊接一个康型凸台，凸台厚度大概为2mm，将卡爪改进成如图7所示的情况，用来夹住零件的左端，然后在零件的右端设计一个专用夹具，如图吕所示，用来顶住零件右端，从而形成一夹一顶的牢固装夹，其装夹方式如图9所示。

2.选择合理的切削参数

薄壁零件车削时变形是多方面的。装夹工件时的夹紧力，切削工件时的切削力，工件阻碍刀具切削时产生的弹性变形和塑性变形，使切削区温度升高而产生热变形。切削力的大小与切削用量密切相关。

我们在试验中发现：背吃刀量和进给量同时增大，切削力也增大，变形也大，对车削薄壁零件极为不利。减少背吃刀量，增大進给量，切削力虽然有所下降，但工件表面残余面积增大，表面粗糙度值大，使强度不好的薄壁零件的内应力增加，同样也会导致零件的变形。所以，应根据切削用量的选用原则，合理地确定数控车床的各项切削参数。

①外圆粗车时，主轴转速每分钟500一600转，进给速度F100一120，留精车余量 0.3一0.5mmo

②外圆精车时，主轴转速每分钟1 100一1 200转，进给速度F120一1明，采用一次走刀加工完成。

③宽槽加工时，用3个G75指令进行定位加工，主轴转速每分钟560转。进给速度F20一300

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作者简介：

刘成梁，出生年月：1996.01.02，性别：男，民族：汉族，籍贯（精确到市）：湖北省襄阳市，学历：本科，研究方向：机械设计制造及其自动化.