复杂薄壁零件加工的辅助刚性增强方法

复杂薄壁零件加工的辅助刚性增强方法

李国旭 石阳 王洪征

吉林江机特种工业有限公司 吉林省吉林市 132021

摘要：复杂薄壁零件因其结构复杂、壁薄等特点，在加工过程中容易受到切削力、切削热等因素的影响，导致工件变形、加工精度下降等问题。为了解决这些问题，经过历来研究者的不断探索，终于提出了一种辅助刚性增强方法。该方法通过在加工过程中施加外部支撑，提高工件的刚度，从而降低加工变形，提高加工精度。基于此，本文将详细论述复杂薄壁零件加工的辅助刚性增强方法。

关键词：复杂薄壁零件；加工；辅助刚性增强

近些年，随着我国科技的快速发展，这其中表现最明显的就是制造业的崛起。而支撑制造业的就是对复杂薄壁零件的加工。这些零件广泛应用于航空、航天、汽车等领域，具有轻量化、高效化的特点。然而，由于复杂薄壁零件的薄壁结构和低刚度特性，加工过程中容易出现变形、精度不足等问题，导致生产成本高、生产效率低。因此，提高复杂薄壁零件的加工性能成为制造业的迫切需求。

一、复杂薄壁零件加工过程中刚性不足的原因分析

（一）材料力学性能较差

薄壁零件通常由具有较低抗拉强度和屈服强度的材料制成，这些指标反映了材料抵抗外部作用力的能力。当这些指标较低时，材料在受到外部作用力时更容易发生塑性变形。在薄壁零件的加工过程中，这种变形可能会导致零件的尺寸精度和形状精度受到影响。例如，由于材料的变形，加工出的零件可能会比设计尺寸大或小，或者形状可能会发生扭曲或不规则。这些变化不仅会影响零件的质量，还可能对其使用性能产生深远影响。例如，尺寸精度的变化可能会导致零件在运转过程中出现问题，或者在使用过程中出现故障[1]。

（二）结构设计不合理

薄壁零件由于其厚度较薄，刚性较差，因此在加工过程中容易受到切削力、切削热等因素的影响，导致零件变形，影响加工精度。如果薄壁零件的结构设计不合理，例如存在截面形状突变、厚度不均匀等问题，会导致零件在加工过程中出现应力集中、变形等问题，这些问题的出现会使得零件的加工精度受到限制，同时也会影响零件的使用性能和寿命。

（三）设备精度不高

当设备的精度不足时，加工出的零件尺寸和形状与设计要求存在偏差，导致零件的配合精度降低，影响其整体性能。在加工过程中，设备精度不高会导致振动和变形等问题，使加工过程变得不稳定。这种不稳定性会进一步加剧薄壁零件的变形，使零件的刚性更加不足。此外，设备精度不高也会导致零件表面质量的下降，使零件的耐磨性、光滑度等性能受到影响。

（四）热处理工艺落后

在金属加工中，热处理是改变材料内部结构，进而改变其物理和机械性能的关键环节。对于薄壁零件，热处理工艺的落后可能会导致零件在热处理过程中产生变形或者材料强度不足。如果热处理温度过高或者冷却速度过快，可能会导致零件产生热变形或者组织结构不均匀，这将进一步影响零件的刚性和加工质量。例如，如果热处理温度过高，可能会导致工件产生变形或过热现象，使工件失去原有的形状精度和尺寸精度[2]。

二、复杂薄壁零件加工的辅助刚性增强方法

（一）优化夹装方式

在传统装夹方法中，由于夹紧力的作用，零件容易发生变形，导致加工余量不均匀，加工完成后松开卡盘，零件又会因弹性恢复而变形，这两次变形会严重影响加工精度。所以就需要通过选择恰当的装夹方式，降低刚性因素方面的影响，以确保加工工艺的精度能够满足实际要求。例如，在薄壁环形零件的加工中，传统加工中常用的径向装卡方式可能导致零件变形。因此，可以合理转变装夹方式，采用轴向装卡来避免零件变形，从而确保最终的加工精度。

（二）增加辅助支撑

辅助支撑可以有效地提高零件的刚性，降低加工过程中由于振动、变形等因素引起的误差。它是通过在零件表面增加支撑结构，以增加零件的整体刚性和稳定性。这种支撑结构可以采取多种形式，如点支撑、线支撑和面支撑等。点支撑是在零件表面增加一些点状支撑结构，可以有效地提高零件的刚性；线支撑是在零件表面增加一些线状支撑结构，可以有效地提高零件的刚性和稳定性；面支撑是在零件表面增加一个或多个面状支撑结构，可以有效地提高零件的整体刚性和稳定性。在选择辅助支撑的形式时，需要考虑零件的结构、材料、加工方法和加工精度等因素。不同的支撑形式适用于不同的场合，需要根据实际情况进行选择。同时，辅助支撑的设计和制造也需要考虑到成本、可维护性和可拆卸性等因素。

（三）采用先进的加工技术

在处理复杂薄壁零件的加工时，辅助刚性增强是确保零件加工质量和精度的重要手段。通过采用先进的加工技术，不仅可以提高零件的加工精度和表面质量，还可以降低废品率，提高生产效率。同时，这些技术还具有环保、节能等优点，为企业的可持续发展做出了贡献。以下是一些典型的先进加工技术：

1、五轴加工

五轴加工是一种高级数控加工技术，可以在一次装夹中完成多个面的加工。这种技术通过高精度的切削和精确的定位，可以大大提高零件的加工精度和表面质量。同时，五轴加工还可以有效降低工件的装夹次数，避免由于多次装夹导致的误差和变形。

2、超精密切削

超精密切削是一种采用超硬切削刃和低速切削的加工技术。这种技术可以以极高的切削速度切除材料，同时切削力极小，可以有效地降低工件的变形量。超精密切削对于提高复杂薄壁零件的刚性和加工精度非常有效[3]。

3、激光切割

激光切割是一种非接触式的加工方法，可以通过高能量激光束快速、准确地切割各种形状的薄壁零件。激光切割的切口质量高、变形小，对于提高复杂薄壁零件的刚性和加工精度具有重要作用。

（四）控制切削参数

在加工过程中，切削参数的选择对加工质量和效率有着重要影响。合理的切削参数可以减少切削力和切削热对薄壁零件的影响，降低变形和振动的风险，提高加工精度和质量。控制切削参数主要包括以下几个方面：

1、切削速度

切削速度是指刀具切削刃上选定点相对于工件待加工表面在主运动方向上的瞬时速度。控制切削速度可以控制切削过程中的热量产生和切削力的变化。根据零件的材料、刀具类型和加工要求选择合适的切削速度，可以降低因切削力引起的变形和振动。
2、进给量

进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。控制进给量可以控制切削过程中的切削厚度和切削力的大小。较小的进给量可以减少切削力，降低变形和振动的风险，但也会影响加工效率。因此，需要根据加工要求和薄壁零件的特点选择合适的进给量。
3、切削深度

切削深度是指刀具切削刃在垂直于刀具进给方向上测得的待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。控制切削深度可以控制切削过程中的切削力矩和薄壁零件的受力情况。较小的切削深度可以减少切削力矩对薄壁零件的影响，降低变形和振动的风险。
4、刀具角度

刀具角度是指刀具切削刃各点相对于基准坐标平面在主偏角、副偏角、前角、后角等方向上的夹角。控制刀具角度可以影响切削过程中的切削力和切削热，进而影响薄壁零件的刚性和稳定性。根据薄壁零件的材料和加工要求选择合适的刀具角度，可以降低变形和振动的风险，提高加工效率和质量。

总而言之，通过合理地选择和使用这些辅助刚性增强方法，可以有效地提高零件的加工刚性，减少变形和振动等问题，进一步提高零件的加工精度和表面质量。随着现代制造技术的不断发展，数字化制造和智能制造等新技术的应用也将为薄壁零件的加工带来更多的机遇和挑战。因此，我们需要不断学习和探索新的加工技术和方法，以适应不断变化的市场需求和加工条件。

参考文献：

[1]袁明.高温合金薄壁盘复杂零件加工变形控制方法[J].机械与电子,2023,41(5):76-80.

[2]魏小兵.薄壁零件数控加工形变研究[J].南方农机,2021,52(6):114-115.

[3]苏晓,赵立国,王维暄等.大直径薄壁焊接零件的车削加工技术[J].工具技术,2021,55(1):77-79.