薄壁零件車削加工中熱變形分析及對策

容黎明

摘 要：薄壁零件的車削是車削加工中的一個(gè)難點(diǎn)，這類零件在切削力作用下，容易引起熱變形以及產(chǎn)生振動和受力變形，影響工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。如何減少因“熱”引起零件變形，保證薄壁零件質(zhì)量？本文從切削用量、刀具的幾何角度和切削液的選擇三個(gè)方面對零件產(chǎn)生熱變形的因素、解決辦法作一些探討和分析。

關(guān)鍵詞：薄壁零件 變形 切削用量 刀具參數(shù) 切削液

薄壁零件的加工是車削中難度較大的，原因是薄壁零件剛性差，強(qiáng)度弱，在加工中容易變形，使零件的形位誤差增大，不宜保證零件的加工質(zhì)量。為此，我結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)將薄壁零件從切削用量的選擇、刀具的合理選用、切削液的使用等方面，進(jìn)行分析和探討。為以后更好地加工薄壁零件，保證質(zhì)量，提供一些依據(jù)。

一、薄壁零件加工中產(chǎn)生溫升的主要因素

切削熱是切削過程中的重要物理現(xiàn)象之一。切削所消耗的能量，除了1%～2%用以形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潛藏能外，有98%～99%轉(zhuǎn)換為熱能。大量的切削熱使得切削溫度升高，這將直接影響刀具前面上的摩擦因數(shù)、積屑瘤的形成和消退、刀具的磨損、工件加工精度和已加工表面質(zhì)量等，所以研究切削產(chǎn)生的“熱”是獲得加工質(zhì)量的重要內(nèi)容。

被切削的金屬在刀具的作用下，發(fā)生彈性和塑性變形而耗功，這是切削熱的一個(gè)重要來源。此外，切屑與前面、工件與后面之間的摩擦也要耗功，也產(chǎn)生大量的熱量。因此，切削時(shí)共有三個(gè)發(fā)熱區(qū)域，即剪切面、切屑與前面接觸區(qū)、后面與過度表面接觸區(qū)。

切削塑性材料時(shí)，變形和摩擦都比較大，所以發(fā)熱較多。切削速度提高時(shí)，因切屑的變形減小，所以塑性產(chǎn)生的熱量百分比降低，而摩擦產(chǎn)生的熱量百分比增高。切削脆性材料時(shí)，后面上摩擦產(chǎn)生的熱量在切削熱中所占的百分比增大。切削區(qū)域的熱量被切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)傳出。向周圍介質(zhì)直接傳出的熱量，在干切削（不用切削液）時(shí)，所占比例在1%以下。

切削熱由切屑、刀具、工件及周圍介質(zhì)傳出的比例，可舉例如下： （1）車削加工時(shí)，切屑帶走的切削熱為50%～86%，車刀傳出10%～40%，工件傳出3%～9%，周圍介質(zhì)（如空氣）傳出1%。切削速度愈高或切削厚度愈大，則切屑帶走的熱量愈多。

（2）鉆削加工時(shí)，切屑帶走切屑熱28%，刀具傳出14.5%，工件傳出52.5%，周圍介質(zhì)傳出5%。

薄壁工件，受熱后，就容易產(chǎn)生整體或者局部變形。根據(jù)理論分析和大量的試驗(yàn)研究綜合起來：加工溫度主要受切削用量、刀具幾何參數(shù)和切削液的影響。

二、薄壁零件車削加工中減少熱變形的對策

（1）根據(jù)零件特點(diǎn)、工藝要求選擇合理的切削用量

切削用量是影響切削溫度的主要因素，切削速度對切削溫度影響最大，隨切削速度的提高，切削溫度迅速上升。進(jìn)給量對切削溫度影響次之，而背吃力量ap變化時(shí)，散熱面積和產(chǎn)生的熱量亦作相應(yīng)變化，故ap對切削溫度的影響很小。在粗加工時(shí)，背吃刀量和進(jìn)給量可以取大些，精加工時(shí)，背吃刀量一般在0.2～0.5mm，進(jìn)給量一般在0.1～0.2mm/min，甚至更小。切削速度對切削力的影響不大，但根據(jù)工件材料、工件直徑、刀具材料及角度，控制在一定范圍內(nèi)，一般取V=6～120m/min。精車時(shí)盡量用高的切削速度。

（2）根據(jù)工藝要求，選擇正確的刀具角度

在薄壁零件的車削中，合理的刀具幾何角度對車削時(shí)切削力的大小、車削中產(chǎn)生的熱變形、工件表面的微觀質(zhì)量都是至觀重要的。刀具前角大小，決定著切削變形與刀具前角的鋒利程度。前角大，切削變形和摩擦力減小，切削力減小，刀具散熱情況差，磨損加快。一般車削鋼件材料的薄壁零件時(shí)，用高速鋼刀具，前角取5°～30°；車削鑄鐵時(shí)，前角取0°～10°；用硬質(zhì)合金刀具，前角取5°～20°。精車時(shí)取較大前角，粗車時(shí)取較小前角。工件材料強(qiáng)度好、硬度高取較小前角，反之取較大前角。

刀具的后角大小，決定著刀具后面與工件表面的摩擦情況。后角大，摩擦力小，切削力也相應(yīng)減小，但后角過大也會使刀具強(qiáng)度減弱。在車削薄壁零件時(shí)；用高速鋼車刀，刀具后角取6°～12°；加工鑄鐵類薄壁件，后角取6°～8°；用硬質(zhì)合金刀具時(shí)，后角取4°～12°。精車時(shí)可取較大的后角，粗車時(shí)取較小的后角。

刀具主偏角的大小，決定著軸向切削力和徑向切削力的分配情況。主偏角增大，徑向切削力減小，而軸向切削力增大；反之徑向切削力增大，軸向切削力減小。主偏角一般在75°～90°范圍內(nèi)。車削薄壁零件的內(nèi)外圓時(shí)，取大的主偏角為好。

刀具副偏角的大小，影響著刀具和已加工表面間的摩擦情況及工件表面粗糙度值的大小。車薄壁零件時(shí)，副偏角一般取 8°～15°。粗車時(shí)取較大的副偏角，精車時(shí)取較小的副偏角。前角和主偏角對切削溫度影響較大。前角加大，變形和摩擦減小，因而切削熱少。但前角不能過大，刀頭部分散熱體積減小，不利于切削溫度的降低。主偏角減小將使切削刃工作長度加增加，散熱條件改善，因而使切削溫度降低。

（3）選擇合適的切削液，確保散熱要求

切削液對切削溫度的影響，與切削液的導(dǎo)熱性能、比熱容、流量、注入方式以及本身的溫度有很大的關(guān)系。冷卻液的作用主要是：①降低刀具和工件的加工時(shí)的溫度，減少熱變形和提高刀具使用壽命；②提高加工表面質(zhì)量，如加工鋁合金往往用煤油作冷卻液；③改善切削性能，如有些難以斷屑的和易粘刀的，往往在冷卻液中添加抗膠合的物質(zhì)，如氯化石臘。在加工薄壁類零件時(shí)，要使薄壁類零件得到冷卻，應(yīng)根據(jù)零件材料的不同選用較高的切削液來降低切削溫度，減小零件受熱而產(chǎn)生變形，以提高加工精度。

三、總 結(jié)

根據(jù)本文的薄壁零件車削加工中熱變形分析，明白產(chǎn)生“熱變形”根源，掌握切削用量、刀具角度、冷卻液的選擇原則。解決實(shí)際中遇到的薄壁件加工問題，保證加工質(zhì)量和尺寸精度，對加工生產(chǎn)具有重要的參考意義。