薄壁零件加工变形难题及解决方案
薄壁零件加工变形难题及解决方案
薄壁零件在制造业中广泛应用，但其加工过程中容易发生变形，这给制造装备和工艺技术提出了更高的要求。本文将深入探讨薄壁零件加工变形的原因，并介绍几种有效的解决方案，包括柔性工装设计、增加夹持点数量等，以帮助制造业从业者提高加工精度和效率。
薄壁件加工变形的原因
薄壁件加工变形的原因可以归结为材料的物理性质和加工过程中的应力分布不均匀两个方面。首先，材料的物理性质对薄壁件的加工变形起着重要作用。薄壁件通常由具有较高可塑性的材料制成，例如金属或塑料，这些材料在受到外部力作用下，容易发生塑性变形，导致薄壁件产生形状改变。
加工过程中的应力分布不均匀也是薄壁件加工变形的重要原因之一。在加工过程中，薄壁件经历了各种力和应力的作用，如切削力、摩擦力、热应力等。由于薄壁件的结构特点，这些力和应力会在薄壁件内部和表面产生不均匀的分布。例如，在铣削过程中，切削力会使薄壁件局部发生挤压变形，而热应力则会由于加工过程中的摩擦产生局部的热膨胀变形。
历史上，对薄壁件加工变形的研究始于工业革命时期。当时，工业化的进程带来了对薄壁件的大规模生产需求，但同时也面临了加工变形的挑战。工程师们开始关注薄壁件的加工变形问题，并提出了一系列的解决方案。通过对材料力学性质的研究和对加工过程中应力分布的分析，人们逐渐揭示了薄壁件加工变形的原因和机制。
随着科学技术的进步和研究方法的不断完善，人们对薄壁件加工变形的认识不断深化。如今，通过利用数值模拟方法和先进的实验技术，可以更加准确地预测和评估薄壁件的加工变形情况，为优化加工工艺提供了有力的支持。此外，工程师们也提出了一系列的改进措施，包括优化装夹方式、改进刀具设计、控制加工参数等，以减小薄壁件的加工变形，提高产品质量和工艺效率。
装夹方式与加工变形的关系
装夹方式与加工变形密切相关。自古以来，人们就一直在追求更好的装夹方式，以确保工件在加工过程中能够保持稳定的形状和精度。随着工业的发展，装夹方式逐渐从简单的手工操作发展到机械夹具的应用。这种演进过程中，人们逐渐认识到不同的装夹方式对加工变形产生的影响是不同的。
在历史上，人们最早采用的装夹方式是手工夹持，通过人的力量来保持工件的位置和形状。然而，这种方式往往无法提供足够的稳定性和精度，导致工件在加工过程中容易发生变形。
随着机械夹具的发展，如机械钳、机械卡盘等，装夹方式得到了改进和优化。机械夹具能够提供更强的夹紧力和更稳定的夹持效果，从而减少了工件在加工过程中的变形。此外，机械夹具还可以通过精确的调节和控制，使得工件的位置和姿态可以更加稳定和精准地保持。
然而，并非所有的装夹方式都能够完全消除加工变形。在实际应用中，我们发现不同的装夹方式对加工变形的影响是复杂而多样的。首先，夹紧力的大小对加工变形具有重要影响。过大的夹紧力会导致工件的变形和压痕，而过小的夹紧力则无法确保工件的稳定性。其次，夹具的刚度和刚性也是影响加工变形的关键因素。刚度较低的夹具容易发生变形，而刚度较高的夹具可以提供更好的稳定性和精度。
此外，工件的形状和材料特性也会对装夹方式的选择和加工变形产生影响。例如，对于薄壁件而言，由于其结构特点，装夹方式对加工变形的影响更为敏感。在选择装夹方式时，需要考虑工件的刚度和变形敏感度，以及夹具对工件的固定力和支撑力。
综上所述，装夹方式与加工变形之间存在着密切的关系。通过选择合适的装夹方式和优化装夹参数，可以有效减少加工变形的发生。
柔性工装设计解决易变形薄壁件加工难题
航天类的薄壁复杂结构件具有弱刚性、形状结构相似等共性特征，同时型号种类呈现系列化发展特点，如舱体和端框类，舵面和翼面类等。这些零件的定位和夹紧规律性强。薄壁整体结构在切削加工中零件刚性随大量毛坯材料的去除而变化，结构刚性低且复杂，因而客观上要求加工中工件夹紧力要实时调整以适应零件整体动态刚度的变化；需要进行多点辅助支撑，以提高加工部位的局部刚度，减少薄壁变形。
综合体现机电液一体化技术和多传感器信息融合技术的柔性工装是近年来出现的先进装备技术。柔性工装的技术特点是定位和夹紧元件为通用元件，可互换性好；定位夹紧位置可自适应调整；夹紧力大小、方向和夹紧顺序可自动控制；驱动执行机构为机电液一体化部件；应用位移、力和压电传感器元件。
柔性工装技术可以使一套夹具满足系列化多种尺寸规格的零件安装要求，既具有机械式可调夹具和组合夹具的柔性，又具有特种专用夹具的高效性，适用于数控加工设备，可以使高速数控加工机床的性能得到更加充分的发挥，大幅度降低辅助准备时间。
增加夹持点数量解决易变形薄壁件加工难题
薄壁零件夹持变形问题的解决办法中，增加夹持点数量是其中一种。如果说有一种简单的方法，能在不更换卡盘的前提下，使卡盘的夹持点数量增加一倍，有可能吗？
与浮动卡爪集合后可以让传统的三爪卡盘轻松实现六爪夹持，而且可以在很大尺寸范围内快速调整夹持直径，既减小了工件的变形，又节省了夹持工件的时间。
- 六爪及八爪夹持
浮动卡爪系统的适用对象包括外表非正圆零件或热处理后变形的零件。通过使用后让传统三爪卡盘能够实现六爪卡盘的功能。整体滑座的机械浮动机构实现了六点浮动的可靠夹持，有效的降低了工件的变形。而其夹持直径范围还可以在很大范围内调整，以适应不同尺寸工件的夹持。
而在四爪浮动定心卡盘上使用浮动卡爪，则可实现薄壁工件的八点夹持。此时工件的夹持变形量可以减小到三点夹持时的几十分之一。
- 变形量对比
通过工程软件模拟工况受力分析：
- 三爪夹持时，工件变形后内圆圆度0.365mm
- 六爪夹持时，工件变形后内圆圆度0.020mm
- 四爪夹持时，工件变形后内圆圆度0.105mm
- 八爪夹持时，工件变形后内圆圆度0.010mm
由此可以看出，夹持点的数量越多，薄壁零件的变形就得到了有效控制。这种浮动卡盘+卡爪的组合形式不同于三（四）爪卡盘单一的夹持性，通过组合实现了传统方形、圆形、异形件以及易变形薄壁件不同方式的夹持。
提高薄壁零件的加工精度的方法
- 工件特点分析
从零件图样要求及材料分析零件的难度，因为是薄壁零件，既要考虑如何保证工件在加工时的定位精度，又要考虑装夹方便、可靠。通常的车削都是用三爪卡盘夹持外圆或撑内孔的装夹方法来加工，但零件较薄车削受力点与加紧力作用点相对较远、受力很大且刚性不足，容易引起晃动，因此要充分考虑如何装夹定位的问题。另外在切削螺距较大的螺纹时，由于切削深度较大，刀刃磨损较快，从而造成螺纹中径产生误差，切削量大而产生的薄壁变形。
- 优化夹具设计
由于工件壁薄刚性较差，如果采用常规方法装夹，工件将会受到轴向切削力和热变形的影响出现弯曲变形，很难达到技术要求。为解决此问题，我们需要设计出一套适合薄壁零件的加工的专用夹具。
- 刀具的合理选择
- 内镗孔刀采用机夹刀缩短换刀时间，无需刃磨刀具，具有较好的刚性，能减少振动变形和防止产生振纹；
- 外圆粗、精车均选用硬质合金车刀；
- 螺纹刀选用机夹刀，标准刀尖角度，以便磨损时易于更换。
- 专用切削油的选用
使用以硫化脂肪酸酯为主剂的切削油能很好的解决刀具磨损的问题，同时减少薄壁零件变形，避免积屑瘤的产生。部分以氯系添加剂为主要成分的切削油中在使用时还可能分解或挥发有毒气体，使用时宜采取安全防护措施；切削后应及时用清洗剂彻底清洗零件，清除含氯残留物。
以上就是提高薄壁零件的加工精度的方法，使用合理的夹具、刀具和切削油可以有效避免工件变形，提高工件精度。