数控车床加工薄壁零件的工艺及参数选择

平艳玲

（长治职业技术学院，山西 长治 046000）

薄壁类零件本身的结构相对薄弱，加工难度较大，并且在目前数控机床操作环节，对于操作人员而言，最难的问题就是对薄壁零件的加工。因此在设计过程中采取工装夹具等来分析具体电气设备中的支护件结构，然后利用数控车床进行加工，判断影响其加工精度的相关因素，以优化设计来促进后续加工工作顺利开展。同时，也需注重后续加工质量的保障措施，提升薄壁类零件的加工精度。

1 零件结构分析

目前所加工的薄壁零件是指壁厚在1 mm以下的零件，其本身质量轻、结构硬、耗材少，在各种工业建筑工程中应用范围较广。但是由于在加工期间其本身的刚性与强度较低，导致加工难度提升，容易引起多种工艺质量问题，难以发挥出其具体的功能性[1]。数控加工能够改善薄壁零件的质量和精密度，但是在实际加工过程中会受到加工工艺、机床和刀具等各个方面因素的影响。因此需要分析对其结构与加工精度有影响的因素，改善工艺质量的同时提升加工精度。

以某电气设备中的支护件为例，该支护件为45#钢材质，属于典型的薄壁零件，其中，该零件的两翼支腿部分高度为30 mm，最薄壁厚为1 mm，最厚壁厚为2 mm。两腿连接的大板有着较大的尺寸，壁厚为2 mm，竖直与水平方向都存在薄壁部分。该零件本身的可装夹性较差，在具体加工中存在的难度如下：对于两支腿之间的尺寸控制存在难度，支腿位置1 mm处的尺寸精度较难控制，并且还需保障大板表面的粗糙程度，这些都是本部件加工的难点。

2 影响薄壁零件加工精度的因素

2.1 受力产生的变形问题

目前，我们所研究的薄壁零件其自身厚度决定了其是否需要实施夹紧等工作内容，并且该支护件本身的可装夹性较弱，这样在力的作用下，不仅容易发生变形，而且容易产生位置的变化。因此选择部件夹紧力和支撑的位置十分重要，如果位置选择不当，很容易产生附加力，影响其加工精度[2]。

2.2 受热产生的变形问题

一般薄壁的支护件本体加工需要对这些材料本身的切削热和塑性等进行限制，避免出现热变形等问题，这样则需要操作人员对工件的实际尺寸进行严格控制，结合相关理论和实践分析。薄壁零件会受到切削过程所产生的温度影响而产生变形[3]，因此在实际操作中，切削热的减少是目前避免零件变形的主要方法，且在此过程中为防止温度上升速度过快，通常都会将刀具、刀尖散热面积增大，并且加入足量的切削液，这样也可有效减少切削热的产生，避免部件发生热变形的问题。

2.3 车削振动导致的变形问题

在机械加工期间，零件会受到机械对其造成的径向的力，发生变形等问题。另外在水平面上，也会在处于垂直的走刀方向和切削力作用下发生变形，基于薄壁部件的特征，对于背吃刀量的要求较高，因此可选择较小的切削刀具来实现具体的切削效果[4]。但是由于断裂切削的存在，导致工件与刀尖之间的切削抗力会发生变化，发生剧烈振动，产生振动力。零件在这样强力的振动下会产生变形问题。

3 薄壁零件加工优化设计

3.1 夹具的优化设计

为了使加工过程中薄壁零件的表面在装夹后不会发生变形，一般会采取轴向的装卡与定位方法，并根据技术要求创建一套避免零件变形的优化方案，该方案的内容在实际加工过程中也十分常见。

3.2 刀具几何参数的选择

在对薄壁零件进行切削加工的过程中，需科学选择刀具的几何角度，根据材料硬度进行选择。本次所选择的支护件材料为45#钢材，该材料具备良好的切削性能，所以加工重点在于钢材的前角。但是如果该部位过大，很容易影响刀具的散热和强度，所以需根据大量实验推算来确定最终的前角[5]。

3.3 切削用量的合理选择

在对薄壁零件进行精加工的过程中，加工质量是首要的关注点，然后再对其切削的效率和经济性加以考虑。结合相关工程经验分析，在对工件进行机械切削时，随着主轴转速逐渐提升，发生颤振的可能性也会提升。因此，可以减小主轴转速来减少振动变形问题[6]。

4 薄壁零件加工

在加工过程中，需要注意加工精度会受到切削参数、零件装夹的方式和刀具角度的刃磨等因素的影响。

4.1 刀具刃磨

为保障薄壁零部件的加工效果，需要根据实际情况来选择合适的刀具，且刀具刃口需要保持锋利和平滑，角度为R0.2，本次所加工的材料为45#钢，属于精加工的范围。刀具选择YT15材料，其刃口的强度与韧性良好，刃口锋利度较高，以此来保障精加工的效果[7]。

4.2 选择科学的切削用量

1）选择背吃刀量ap：根据对薄壁零件所设计的图样的分析，外圆的半精车背吃刀量ap1=0.5 mm，精车背吃刀量ap2=0.25 mm。

2）选择主轴转速：精车切削速度Vc=120 m/min，经过计算得到主轴的转速为（精车工件直径D=32 mm）1 200 r/min。

3）选择进给速度：结合G99指令变成每转进给，在精车期间进给量可选择0.1 mm/r。

4.3 工件的装夹

1）选择合适的夹具对内孔进行装夹。结合专业的夹具进行装夹作业。首先，使用三爪的定心卡盘来夹住夹具，然后在数控车床的夹具内放入薄壁零件。此时夹具外源具备螺纹，内孔的左侧有台阶，以此来对轴套进行定位。其次，将螺母锁紧，螺母内部螺纹可以压紧轴套，且应注意轴套的内径需要较螺母内径尺寸小，保障薄壁轴套不被车削。轴套需向上定位，薄壁零件被加工完毕后，可拆卸螺母，如果需要大量生产，则不必拆卸螺母，直接将其在下一个零件上装入即可。同时，在内孔进行加工期间还需要考虑到内孔车刀的刚性问题。一般会通过对内孔车刀刀柄截面积的增加来达到加工刚性要求，其中在对刀具进行刃磨的过程中，可保障刀柄和内孔车刀刀尖有着等高的中心线，进而可将孔中刀柄的截面积增大，并且一般的刀柄需要长出加工零件5 mm~8 mm，这样可以在切削过程中减少其所发生的振动，防止部件发生振动变形的问题[8]。但是，如果太长也会对车刀刀柄的刚性造成负面影响。

2）外圆加工期间选择合适的夹具来实现装夹作业。利用三爪定心卡盘来夹住夹具，然后将薄壁套轴直接套在夹具上，把垫圈放在夹具的台阶轴上，利用螺母压紧垫圈，同时压紧薄壁套。

4.4 加工过程

1）在粗加工过程中为了提升加工效率，选择比标准大一些的切削参数，根据零件设计图纸的要求预留出单边加工的余量，长度为3 mm~5 mm。如果预留的长度过长，可以先以粗加工的模式进行分段加工，在某一段加工完毕之后，再利用半精加工或者精加工来实现其他部分的加工作业，也可根据零件加工的具体需求来实现二次加工。

2）半精加工与粗加工一样选择分段加工，不同的位置分别留出不同的加工余量。对于长度相对较长的部件可以分为3~4段进行加工。如前1/3的位置留有0.5 mm的加工余量，中间1/3的位置留有1 mm的加工余量，后1/3的位置留有2 mm的加工余量。如果其存在端面，则可留出0.5 mm的加工余量。

3）在精加工前面1/3位置留有余量0 mm，半精加工中间1/3位置留有余量0.5 mm，后面1/3的位置留有余量1 mm。如果存在端面，则可留出余量0.5 mm。精加工中间1/3位置留出余量0 mm，端面留出余量0 mm。精加工后面1/3位置留出余量0.5 mm。在加工过程中零件会形成形如“金字塔”的阶梯型结构，根部较粗，进而可以在后续加工过程中留出足够的长度来实现支撑效果，保障加工的精准性。

4）在对内孔进行精加工的过程中，可选择相应的装夹方式来对其进行装夹作业，在薄壁零件中加入夹具，根据部件的需求选择适合的夹紧力。首先利用半精加工的方式来加工零件的内孔，当加工到Φ29.5 mm时，预留出0.5 mm的精加工余量[9]，最后精加工内孔Φ30 mm达到图纸的要求。

5）在对外圆进行精加工的过程中，选择适合的夹具实施装夹作业，以适当的夹紧力进行夹紧。首先利用半精加工对外圆进行加工，精加工的余量可以保持在0.5 mm[10]，最后精加工外圆Φ32 mm达到图纸的要求。

5 加工效果分析

通过上文的工装和加工过程对多个工件车削加工后，检测工件尺寸、粗糙度、精度、形位公差等相关参数，本次检测合格率高达97%，并且工装效率在设计的科学性要求下也出现巨大提升，满足设计图纸的要求与工程需要。

6 案例应用分析

经过上述对支护件的加工分析，下面以某玩具汽车中的电机座为例，进一步探讨数控车床中对于薄壁零件加工的实际过程与应用。

6.1 零件图纸的分析

对该零件图纸进行分析：壁厚为1.5 mm，长度为67 mm，毛坯为Φ40 mm圆柱，使用透明的硬质塑料材料所制作。

6.2 工艺路径的设计

经过分析得出，该电机座后端的直径为Φ38 mm，前端直径为Φ30 mm，内孔为Φ27 mm，壁厚为1.5 mm。由于其属于塑料件的材质，很容易出现破裂和变形等问题。因此要想完成该零件的加工，必须合理科学地选择加工的工艺与参数。

1）调头前。在实际加工过程中，需要注意的是，孔加工难度要高于外圆加工，所以选择零件时，需要加工其后壁的尺寸外壁，这样可以产生较小程度的变形问题，可以将内孔先加工到Φ27 mm，孔深度为78.5 mm，然后将外圆加工到Φ38 mm，保障零件总长度不小于80 mm，并且将其切断。

2）调头后。为了避免其塑料零部件发生变形，在装夹过程中选择较长的芯轴来减少零件加工期间的变形，而本案例中只是为了保障装夹期间受力程度的提升。在具体调头之后，需要采取粗加工的方式进行同步实施，统一安排刀具的轨迹。在粗加工过程中，外圆的直径已经被车到Φ38 mm，单边加工余量为4 mm，所以该位置不能再去实施粗加工作业。且在半精加工过程中，主要由于零件较长，因此可将半精加工分为四段来逐段进行，直到最后一段完成精加工之后可保障零件的总长度，并将其切断。具体的零件加工在VERICUT软件中的仿真效果图，如图1所示。

图1 零件加工在VERICUT中的仿真效果图

7 结语

综上所述，可以在薄壁类零件设计过程中采取工装夹具等来分析具体电气设备中的支护件结构，然后利用数控车床进行加工，判断影响其加工精度的因素，以优化设计来促进后续加工工作的顺利开展。同时也需注重后续加工质量的保障措施，提升薄壁类零件的加工精度。