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摘要：车削薄壁零件是车削加工的一个难点，而带螺纹的薄壁零件在车床上更加难以加工。本文结合教学中的实例，从薄壁零件的夹具设计，到螺纹加工逐一进行阐述，并在教学实践中加以运用。既完成了生产任务，又对学生学习加工薄壁工件这个课题，从工艺分析、实际操作都取得了良好效果。
关键词：薄壁零件 变形 螺纹 定位夹具
薄壁零件因为具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，已日益广泛地应用在机械中。但薄壁零件的加工是比较棘手的，原因是薄壁零件刚性差、强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。如何在生产中提高薄壁零件的加工精度将是业界越来越关心的话题。
影响薄壁零件加工精度的因素有很多，但归纳起来主要有以下三个方面：
（1）受力变形。因工件壁薄，在夹紧力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。
（2）受热变形。因工件较薄，切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制。
（3）振动变形。在切削力（特别是径向切削力）的作用下，很容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、形状、位置精度和表面粗糙度。
薄壁零件的加工问题，一直是较难解决的。为此我们从工件的装夹、刀具几何参数、加工方法等方面进行综合考虑，从而有效地克服了薄壁零件加工过程中出现的变形，保证加工精度。
图1所示的薄壁零件，是我校对外加工产品中难度较大的零件，采用的设备是沈阳机床厂的CD6140A普通车床。
1. 工件特点分析
从零件图样要求及材料来看，加工此零件的难度主要在于： 螺纹部分厚度仅有6mm，材料为45号钢，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，并且不会引起工件的弹性变形。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，但此零件较薄，车削受力点与加紧力作用点相对较远，而且还需车削M40的螺纹，受力很大，刚性不足，容易引起晃动，导致工件在加工中变形，造成加工上的困难，因此要充分考虑如何装夹定位的问题，还要考虑学生能否操作方便，减少出错的环节。
目前，我们在普通车床上加工螺纹，多采用的进刀方式是直进式或斜进式。采用直进式，刀具两侧刃同时切削工件，切削力较大，而且排削困难，在切削时两切削刃容易磨损，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，但由其加工的牙形精度较高。采用斜进式，单侧刀刃切削工件，刀刃容易损伤和磨损，但加工的螺纹面不直，刀尖角发生变化，而造成牙形精度较差。
从以上对比可以看出，只简单利用一种加工方式进行车削螺纹是不够完善的，采用直进式、斜进式混用进行加工，即先用斜进式进行螺纹粗加工，再用直进式进行精加工的方式在薄壁螺纹加工中将有两大优点：一方面可以避免因切削量大而产生的薄壁变形；另一方面能够保证螺纹加工的精度。
2. 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，我们设计出了一套适合上面零件加工的专用夹具，由径向夹紧改为轴向夹紧，通过试验分析：轴向夹紧力的正应力约为径向夹紧力的1/6，零件的变形很小，也可以说明轴向压紧方法有利于承载夹紧力，而不致使零件变形。如图2所示。
其中，件1为夹具主体，材料为45号钢，左端被夹持直径为80mm，可用来夹持工件的内孔直径范围为30～40mm；件2为拉杆，材料为45号钢，直径为21mm，它刚好与薄片工件上的φ21孔对应配合，使工件在夹具中定位及传递切削力；件3为已加工完左端面和内孔的工件，装夹时要注意工件与夹具体1的轴向夹紧配合。小沟槽是在工件调头装夹后，为方便控制总长度而设计的，尺寸为5mm×2mm。而且这个夹具操作简单，可以降低学生的劳动强度。
3. 刀具的合理选择
（1）内孔车刀采用主偏角60°，副偏角30°，前角35°，主后角14°～16°，副后角6°～8°，刃倾角5°～6°。具有较好的刚性，能减少振动变形和防止产生振纹；
（2）外圆精车刀采用主偏角90°～93°，副偏角15°，主后角14°～16°，副后角15°，前角适当增大；
（3）螺纹刀的刀尖角60°，前角35°，主后角5°，进给方向的副后角10°～12°，另一侧副后角6°～8°，刃倾角15°。
螺纹刀采用高速钢车刀外，其他刀具均采用硬质合金刀具。
4. 加工步骤的选定
装夹毛坯15mm长，平端面至加工要求；用Φ32钻头钻通孔，粗、精加工Φ34通孔；粗、精加工Φ44外圆，加工长度大于3mm至尺寸要求；调头，利用夹具如图2所示装夹，控制总长尺寸35mm平端面；加工螺纹外圆尺寸至Φ39.74；采用斜进法对螺纹进行粗加工，采用直进法进行精加工；拆卸工件，完成加工。
注意：为了减少学生的劳动强度，可以采用流水线作业方式，对加工尺寸进行分工，以提高生产效率；并且还可以对学生进行岗位轮换，参与整个生产流程，以达到完整的工件加工体验和学习。
5. 切削用量的选择
切削力的大小与切削用量密切相关。我们在试验中发现：
（1）切削深度ap和进给量f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。
（2）减少切削深度ap，增大进给量f，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。
因此结合本产品 ，我们所采用的切削用量为：
1）内孔粗车时，主轴转速为500～600r/min，进给速度（0.1～0.15）mm/n，留精车余量0.2～0.3mm； 2）内孔精车时，主轴转速为1100～1200 r/min，为取得较好的表面粗糙度选用较低的进给速度（0.03～0.05）mm/n，采用一次走刀加工完成；
3）外圆粗车时，主轴转速为500～600r/min，进给速度（0.1～0.15）mm/n，留精车余量0.3～0.5mm；
4）外圆精车时，主轴转速为1100～1200 r/min，进给速度（0.03～0.05）mm/n，采用一次走刀加工完成。
注意：在操作中，学生容易在粗、精车转换中忘记对进给箱的手柄进行调整，这样会导致工件的表面粗糙度值变大。一定要在操作中对学生灌输严格按照加工步骤进行加工，在哪个步骤，就做哪个步骤的事情，养成一个良好的安全操作习惯。
6. 加工时的几点注意事项
（1）工件要夹紧，以防在车削时打滑飞出伤人和扎刀；夹紧时用力过大，就会使薄壁零件产生变形，造成零件的圆度误差。如果在夹得不紧，在车削时有可能使零件松动而报废。夹紧力的大小，我们采取粗车时夹紧些，精车时夹松些来控制零件的变形。务必在操作中提醒学生注意多总结加工经验，减少废品和安全事故的发生。
（2）用高速钢刀具低速精加工时，选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，主要改善已加工表面的质量和提高刀具使用寿命；在使用硬质合金刀具，粗加工时，可以不用切削液；精加工时可以采用低浓度的乳化液或水溶液，但必须连续地、充分地浇注，并适当提高其润滑性能。在车削过程中充分使用切削液不仅减小了切削力，刀具的耐用度得到提高，工件表面粗糙度值也降低了。同时工件不受切削热的影响而使它的加工尺寸和几何精度发生变化，保证了零件的加工质量。
通过实际加工生产，以上措施很好地解决了加工精度不高，效率不高等问题，减少了装夹校正的时间，减轻了学生的劳动强度，提高效率并保证加工后零件的质量，消除了加工薄壁容易引起工件变形的技术难关，经济效益和教学效果十分明显。
参考文献：
1.《机械设计》 高等教育出版社 2001年出版（第七版）
2.《车工工艺与技能训练》 中国劳动和社会保障部出版社 2001年6月出版
3.《金属切削原理》 上海科学技术出版社 1993年5月出版
4. 《车工工艺学》 中国劳动出版社 2005年6月出版
关键词：薄壁零件 变形 螺纹 定位夹具
薄壁零件因为具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，已日益广泛地应用在机械中。但薄壁零件的加工是比较棘手的，原因是薄壁零件刚性差、强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。如何在生产中提高薄壁零件的加工精度将是业界越来越关心的话题。
影响薄壁零件加工精度的因素有很多，但归纳起来主要有以下三个方面：
（1）受力变形。因工件壁薄，在夹紧力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。
（2）受热变形。因工件较薄，切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制。
（3）振动变形。在切削力（特别是径向切削力）的作用下，很容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、形状、位置精度和表面粗糙度。
薄壁零件的加工问题，一直是较难解决的。为此我们从工件的装夹、刀具几何参数、加工方法等方面进行综合考虑，从而有效地克服了薄壁零件加工过程中出现的变形，保证加工精度。
图1所示的薄壁零件，是我校对外加工产品中难度较大的零件，采用的设备是沈阳机床厂的CD6140A普通车床。
1. 工件特点分析
从零件图样要求及材料来看，加工此零件的难度主要在于： 螺纹部分厚度仅有6mm，材料为45号钢，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，并且不会引起工件的弹性变形。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，但此零件较薄，车削受力点与加紧力作用点相对较远，而且还需车削M40的螺纹，受力很大，刚性不足，容易引起晃动，导致工件在加工中变形，造成加工上的困难，因此要充分考虑如何装夹定位的问题，还要考虑学生能否操作方便，减少出错的环节。
目前，我们在普通车床上加工螺纹，多采用的进刀方式是直进式或斜进式。采用直进式，刀具两侧刃同时切削工件，切削力较大，而且排削困难，在切削时两切削刃容易磨损，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，但由其加工的牙形精度较高。采用斜进式，单侧刀刃切削工件，刀刃容易损伤和磨损，但加工的螺纹面不直，刀尖角发生变化，而造成牙形精度较差。
从以上对比可以看出，只简单利用一种加工方式进行车削螺纹是不够完善的，采用直进式、斜进式混用进行加工，即先用斜进式进行螺纹粗加工，再用直进式进行精加工的方式在薄壁螺纹加工中将有两大优点：一方面可以避免因切削量大而产生的薄壁变形；另一方面能够保证螺纹加工的精度。
2. 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，我们设计出了一套适合上面零件加工的专用夹具，由径向夹紧改为轴向夹紧，通过试验分析：轴向夹紧力的正应力约为径向夹紧力的1/6，零件的变形很小，也可以说明轴向压紧方法有利于承载夹紧力，而不致使零件变形。如图2所示。
其中，件1为夹具主体，材料为45号钢，左端被夹持直径为80mm，可用来夹持工件的内孔直径范围为30～40mm；件2为拉杆，材料为45号钢，直径为21mm，它刚好与薄片工件上的φ21孔对应配合，使工件在夹具中定位及传递切削力；件3为已加工完左端面和内孔的工件，装夹时要注意工件与夹具体1的轴向夹紧配合。小沟槽是在工件调头装夹后，为方便控制总长度而设计的，尺寸为5mm×2mm。而且这个夹具操作简单，可以降低学生的劳动强度。
3. 刀具的合理选择
（1）内孔车刀采用主偏角60°，副偏角30°，前角35°，主后角14°～16°，副后角6°～8°，刃倾角5°～6°。具有较好的刚性，能减少振动变形和防止产生振纹；
（2）外圆精车刀采用主偏角90°～93°，副偏角15°，主后角14°～16°，副后角15°，前角适当增大；
（3）螺纹刀的刀尖角60°，前角35°，主后角5°，进给方向的副后角10°～12°，另一侧副后角6°～8°，刃倾角15°。
螺纹刀采用高速钢车刀外，其他刀具均采用硬质合金刀具。
4. 加工步骤的选定
装夹毛坯15mm长，平端面至加工要求；用Φ32钻头钻通孔，粗、精加工Φ34通孔；粗、精加工Φ44外圆，加工长度大于3mm至尺寸要求；调头，利用夹具如图2所示装夹，控制总长尺寸35mm平端面；加工螺纹外圆尺寸至Φ39.74；采用斜进法对螺纹进行粗加工，采用直进法进行精加工；拆卸工件，完成加工。
注意：为了减少学生的劳动强度，可以采用流水线作业方式，对加工尺寸进行分工，以提高生产效率；并且还可以对学生进行岗位轮换，参与整个生产流程，以达到完整的工件加工体验和学习。
5. 切削用量的选择
切削力的大小与切削用量密切相关。我们在试验中发现：
（1）切削深度ap和进给量f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。
（2）减少切削深度ap，增大进给量f，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。
因此结合本产品 ，我们所采用的切削用量为：
1）内孔粗车时，主轴转速为500～600r/min，进给速度（0.1～0.15）mm/n，留精车余量0.2～0.3mm； 2）内孔精车时，主轴转速为1100～1200 r/min，为取得较好的表面粗糙度选用较低的进给速度（0.03～0.05）mm/n，采用一次走刀加工完成；
3）外圆粗车时，主轴转速为500～600r/min，进给速度（0.1～0.15）mm/n，留精车余量0.3～0.5mm；
4）外圆精车时，主轴转速为1100～1200 r/min，进给速度（0.03～0.05）mm/n，采用一次走刀加工完成。
注意：在操作中，学生容易在粗、精车转换中忘记对进给箱的手柄进行调整，这样会导致工件的表面粗糙度值变大。一定要在操作中对学生灌输严格按照加工步骤进行加工，在哪个步骤，就做哪个步骤的事情，养成一个良好的安全操作习惯。
6. 加工时的几点注意事项
（1）工件要夹紧，以防在车削时打滑飞出伤人和扎刀；夹紧时用力过大，就会使薄壁零件产生变形，造成零件的圆度误差。如果在夹得不紧，在车削时有可能使零件松动而报废。夹紧力的大小，我们采取粗车时夹紧些，精车时夹松些来控制零件的变形。务必在操作中提醒学生注意多总结加工经验，减少废品和安全事故的发生。
（2）用高速钢刀具低速精加工时，选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，主要改善已加工表面的质量和提高刀具使用寿命；在使用硬质合金刀具，粗加工时，可以不用切削液；精加工时可以采用低浓度的乳化液或水溶液，但必须连续地、充分地浇注，并适当提高其润滑性能。在车削过程中充分使用切削液不仅减小了切削力，刀具的耐用度得到提高，工件表面粗糙度值也降低了。同时工件不受切削热的影响而使它的加工尺寸和几何精度发生变化，保证了零件的加工质量。
通过实际加工生产，以上措施很好地解决了加工精度不高，效率不高等问题，减少了装夹校正的时间，减轻了学生的劳动强度，提高效率并保证加工后零件的质量，消除了加工薄壁容易引起工件变形的技术难关，经济效益和教学效果十分明显。
参考文献：
1.《机械设计》 高等教育出版社 2001年出版（第七版）
2.《车工工艺与技能训练》 中国劳动和社会保障部出版社 2001年6月出版
3.《金属切削原理》 上海科学技术出版社 1993年5月出版
4. 《车工工艺学》 中国劳动出版社 2005年6月出版