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1、收稿日期: 2003 年4 月低刚度薄壁零件的精密加工孔金星中国物理工程研究院机械制造工艺研究所摘? 要: 分析了低刚度薄壁零件的工艺刚度特征及其加工过程的受力变形特性, 提出了实现低刚度薄壁零件精密加工的技术途径。关键词: 工艺刚度, ? 薄壁零件, ? 精密加工Precision Machining for Low Rigidity Thin ?Wall PartsKong JinxingAbstract: The process rigidity character of low rigidity thinwall partswas analyzed. The technology pa
2、thway of precision ma?chining for low rigidity thin wall parts was brought forward.Keywords: process rigidity, ? thin wall parts, ? precision machining? ?1? 引言切削加工是在由机床、 夹具、 刀具和零件等工艺 系统各环节所构成的机械加工工艺系统中进行的,零件的加工误差主要取决于零件和刀具在切削成形过程中相互位置的正确程度, 而工艺系统刚度则是影响工件加工质量的关键所在。图 1 所示薄壁球壳 类和长筒状零件( 其圆直径 D 与壁厚?之比通常为
3、D/ ? = 50 200, 壁厚 ?约为 0?25 2mm) 是典型的低刚度薄壁零件, 这类零件的共同特点是刚度低, 加工 时极易变形, 如不采取适当措施, 容易引起工件颤振, 降低工件的加工精度。特别是当零件的形状及尺寸精度要求较高时, 对振动、 切削力大小及波动、切削温度、 装夹方式等均十分敏感, 往往未加工到规 定尺寸, 零件已经变形。对于某些壁厚很薄的零件,因其刚度太差, 甚至不能按常规方法进行机械加工。本文针对低刚度薄壁零件的特点, 基于对其刚度特征及加工过程中受力变形的分析, 提出实现低刚度 薄壁零件精密加工的技术途径。图 1? 典型薄壁零件示意图? ?2? 薄壁零件的工艺刚度2
4、?1? 刚度的一般概念机床 ? 夹具 ? 工件? 刀具组成的工艺系统是一个弹性系统, 机械加工过程中工艺系统会在切削力、夹紧力、 传动力、 重力或惯性力等的综合作用下产生变形, 从而破坏刀具和工件间已调整好的相对位置,造成尺寸误差或表面几何形状误差, 影响加工精度。 工艺系统抵抗变形的能力取决于工艺系统刚度的大小, 由于刀具在工件加工表面法向的位移对加工精度具有显著的影响, 所以将工艺系统的刚度Ks定义为垂直于被加工表面的法向切削力 Fn与工件和刀具在 Fn方向的相对位移 y 之比, 即Ks= Fn/ y(1)显然, 工艺系统刚度越大, 则工艺系统抵抗受外力变形的能力越大, 或在同样大小 Fn
5、力作用下其工艺系统变形量越小。在加工过程中, 机床的有关部件和夹具、 刀具、工件在切削力作用下, 都会有不同程度的变形, 导致 刀具相对工件在加工表面法向产生位移, 其总位移( 即工艺系统在受力情况下的总变形 ys) 应是各组成部分变形量的迭加, 即ys= ym+ yf+ yc+ yw(2)式中? ys? 工艺系统总变形ym? 机床变形yf? ? 夹具变形yc? ? 刀具( 刀架) 变形yw? ? 工件变形若设 Ks、 Km、 Kf、 Kc、 Kw分别为工艺系统、 机床、 夹具、 刀具及工件的刚度, 且令 Ks= Fn/ ys, Km= Fn/ ym, Kf= Fn/ yf, Kc= Fn/
6、yc及 Kw= Fn/ yw, 代入式( 2) , 则Ks=1 1 Km+1 Kf+1 Kc+1 Kw(3)292003 年第 37卷 12式( 3) 表明了工艺系统各组成部分刚度与工艺系统刚度之间的关系。2?2? 薄壁零件的工艺刚度工件加工精度包括零件的尺寸精度、 形状精度、表面粗糙度等各项指标, 均与加工时的工艺系统刚度有关。在薄壁零件的加工中, 由于零件结构尺寸较大, 壁厚很薄, 质量小, 因此加工中机床、 夹具、 刀具的刚度 Km、 Kf和 Kc远大于薄壁零件的刚度 Kw,代入式( 3) 后则有Ks! Kw(4)显然此时工艺系统刚度将取决于薄壁零件自身刚度的大小, 即零件自身刚度是工艺
7、系统刚度的薄弱环节。为此, 提高薄壁零件刚度是消除工艺系统 变形和振动、 提高工件加工精度的关键。一般来说, 在零件设计完成后, 其刚度是一定的, 除特殊情况下采取工艺措施外( 如增加工艺搭子、 增加热处理等) , 工艺人员较难提高工件本身的结构刚度。但薄壁零件的刚度除与工件本身的结构有关外, 还与工件加工时的定位、 夹紧形式、 工装、 夹紧力的大小等有关。我们把工件在一定的定位、 夹紧形式下表现出来的刚度称作零件的工艺刚度, 提高薄壁零件的工艺刚度, 可通过确定薄壁零件在工艺系统中的适当位置、 选择适当的夹紧方式、 切削方法及切削用量等来实现。 由于薄壁零件的加工精度与其定位夹紧方式及切削力
8、的大小直接相关, 因此加工中薄壁零件的工艺刚度受其静刚度和动刚度的共同影响。工件静刚度是由装夹直接引起的工件变形, 是一种确定的静态形式的变形, 可由式( 1) 进行计算。工件动刚度Kd是在加工过程中引起的工件变形, 是指工件在激振力作用下产生单位振幅所需激振力的大小, 即Kd= Ks(1- ? )2+ (2? )2(5)式中频率比 ? = !/ !0, ! 为激振频率, !0为固有频率; 为阻尼比。显然采用适当的装夹、 合适的切削力、 切削方式可以提高薄壁工件的工艺刚度, 借以减轻甚至消除薄壁零件的变形、 振动, 提高工件精度。因此本文重点研究提高薄壁零件的工艺刚度。? ?3? 零件加工过程
9、的受力分析工件在切削力的作用下将产生变形, 由于切削力可分解为径向、 切向( 主切削力) 、 轴向三部分, 工件的变形将在这三个方向产生。由于径向切削力Px的作用, 工件在直径方向产生变形 x, 使工件中心由原先的 O 点移至 O点, 因此 Px对工件加工精度影响很大( 如图 2 所示) ; 而切向力 Pz和轴向力在主切削力方向产生的误差对工件的尺寸精度影响很 小, 可忽略不计。如图 3 所示, 切削是在机床? 工件? 刀具组成的弹性工艺系统内完成, 切削力 P1( t)是时间的函数。图 2? 变形对工件精度的影响图 3? 切削力波形根据切削理论, 将工件系统的受力情况进行简化( 如图 4 所
10、示) 。显然工件在吃刀抗力方向( 即 X1方向) 的动态位移对加工精度有着直接关系, 其运动 方程为:图 4? 切削力学模型d2x dt2+ 2#dx dt+ ?02x= P 1( t)(6)2#= /M, ?02= k0/M(7)式中? x ? 工件在水平方向上的位移!0? 系统固有频率t ? ? 时间M ? ? 装夹在主轴上工件的等效质量 #? 阻尼系数? 粘性阻尼系数30工 具 技 术k0? 工件系统刚度, 薄壁件加工中, 工件系统刚度约等于工件刚度P1( t ) ? 径向切削力, P1( t ) = P0+ Psin( ! t ) , 其 中 P0为 静 态 分 量,Psin!t 为激
11、振力, !为激振频率切削力 P0+ Psin!t 必然导致切削时工件的位 移增大和切削热的增加, 使切削过程不稳定。但这种切削力在普通切削中是不可少的, 因为没有 P0则不能形成刀具对工件的挤压和切削作用。由于 P0作用在弹性体上, 必将产生力 Psin!t, 从而使位移增大, 造成加工精度降低。方程( 6) 的解为:x=P0 !20+P !2014 2!2/ !2 0+ (1- !2/ !2 0)2sin!t+ tan- 1- 2 !/ !0 1- !2/ !20(8)显然 P0越小则工件变形越小, 工件加工精度 提高; 工件固有频率 !0越大则工件变形越小, 即刚度越大, 变形越小。同时工
12、件加工精度的稳定性与激振力 Psin!t 有关, Psin!t 受切削层厚度变化和切 削速度的改变影响很大, 而对于薄壁球壳零件的精密加工来说, 这种影响将是致命的, 因此在加工中必须设法使激振频率 ! 与固有频率 !0远离, 以确保切削过程的稳定。一般切削中普遍存在 !# !0的 情况, 而当 != !0( 即激励频率与固有频率接近)时, 将产生共振现象, 破坏工件的加工精度, 无法进行有效切削, 对薄壁零件的加工尤其如此。因此现 在常用的切削方法是降低切削速度, 采用小切深、 低进给, 使产生的激励频率 ! 远小于固有频率 !0, 切削工件产生的动变形接近于工件静变形。? ?4? 提高薄壁
13、零件加工精度的技术途径4?1? 提高薄壁零件的刚度如果不考虑加工过程中工件的动态变形影响, 则式( 8) 变为x=P0 !0=P0M kw(9)式中 ? kw? 工件刚度M ? 工件等效质量( 对于薄壁件, M 为常 数)为提高加工精度, 必须减小由静态切削力 P0引起的位移变化 x 值。由式( 9) 可知, 提高工件刚 度 kw将有利于提高工件的加工精度。而 kwEI,E 为工件材料的弹性模量, I 为工件的惯性矩。对于以端面定位绕主轴旋转的薄壁球壳工件, 惯性矩I 的表达式为I=1 5Mw( R2- r2)( 10)式中? Mw? 工件质量R、 r ? ? 分别为工件的内、 外半径显然增大
14、壁厚将有利于提高工件刚度。因此可 采用加固的方法, 即在待加工件的内部填充一些容易去除的物质达到提高工件刚度的目的, 如低熔点合金, 对薄壁筒状零件可将一块橡胶卷成筒状塞入 零件内孔, 达到增加工件刚度和消振减振的目的。4?2? 适当的装夹提高薄壁零件与工装间的接触刚度, 减小加工过程中工件的变形, 也可提高薄壁零件的工艺刚度。 提高工件与工装连接配合表面的加工精度( 尺寸精度和几何形状精度) 和加工表面光洁度, 使工件与工装间有效接触面积增大, 提高接触刚度。其次, 在零件间施加预加载荷、 消除配合间隙和造成局部预变 形, 可有效提高工件的工艺刚度。另外, 采用具有较高弹性模量的材料或提高接
15、触表面硬度, 都可以提高工件的工艺刚度。 4?3? 减小切削力 P0在同样工艺系统刚度条件下, 减小切削力, 可减小工艺系统受力变形, 提高薄壁零件加工精度。为减少工件振动和变形, 应使工件上所受的切削力和 切削热相应小些, 因此薄壁零件加工时一般应采用较高的切削速度, 但背吃刀量和进给量不宜过大, 这是任何精加工工序均要求采用小切深和低进给的原 因。4?4? 采用高速车削车削加工中为保持加工过程稳定, 必须使激振频率 ! 与工件固有频率 !0远离。对薄壁零件的精 密加工, 采用高速切削可以加大激振频率 !, 从而实现 ! !0的情况, 越过不稳定区域, 保证切削中只有位移 x= P0/ !2
16、0, 使切削处于最佳的稳定状态。这样一方面可提高车削的生产效率, 另一方面可提 高工件的加工精度和光洁度, 适合于薄壁零件的精密加工。4?5? 超声振动切削技术的应用超声振动切削是在切削过程中给刀具以一定振 幅 %和超声频率f 的强迫振动, 刀具周期性地离开和接触工件, 刀尖运动速度的大小和方向在不断变化, 改变了传统意义上的切削过程, 即工件受到刀具 的挤压, 产生弹塑性变形, 使切屑与工件分离。与传统切削相比, 超声振动切削具有切削力小、 切削温度312003 年第 37卷 12明显降低、 切削液能充分润滑、 可提高刀具使用寿命等特点, 适用于低刚度薄壁零件的精密加工, 能有效的提高薄壁工件的加工精度和表面质量。? ?5? 结语( 1) 采用适当的装夹方式、 选择合适的切削方法及切削参数以提高薄壁零件的工艺刚度, 可以减少 甚至消除薄壁零件的加工变形、 振动, 显著提高零件加工精度。( 2) 薄壁零件加工过程的受力分析表明, 为保持 工件加工过程的稳定性, 应使激振频率 ! 远离工件固有频率 !0。(
