薄壁零件车削加工中热变形分析及对策
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摘要：薄壁零件的车削是车削加工中的一个难点，这类零件在切削力作用下，容易引起热变形以及产生振动和受力变形，影响工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。如何减少因“热”引起零件变形，保证薄壁零件质量？本文从切削用量、刀具的几何角度和切削液的选择三个方面对零件产生热变形的因素、解决办法作一些探讨和分析。
关键词：薄壁零件；变形；切削用量；刀具参数；切削液
一、薄壁零件加工中产生温升的主要因素
切削热是切削过程中的重要物理现象之一。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潜藏能外，有98%～99%转换为热能。大量的切削热使得切削温度升高，这将直接影响刀具前面上的摩擦因数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨损、工件加工精度和已加工表面质量等，所以研究切削产生的“热”是获得加工质量的重要内容。
被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热的一个重要来源。此外，切屑与前面、工件与后面之间的摩擦也要耗功，也产生大量的热量。因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前面接触区、后面与过渡表面接触区。
切削塑性材料时，变形和摩擦都比较大，所以发热较多。切削速度提高时，因切屑的变形减小，所以塑性产生的热量百分比降低，而摩擦产生的热量百分比增高。切削脆性材料时，后面上摩擦产生的热量在切削热中所占的百分比增大。切削区域的热量被切屑、工件、刀具和周围介质传出。向周围介质直接传出的热量，在干切削（不用切削液）时，所占比例在1%以下。
切削热由切屑、刀具、工件及周围介质传出的比例，可举例如下：（1）车削加工时，切屑带走的切削热为50%～86%，车刀传出10%～40%，工件传出3%～9%，周围介质（如空气）传出1%。切削速度愈高或切削厚度愈大，则切屑带走的热量愈多。
（2）钻削加工时，切屑带走切屑热28%，刀具传出14.5%，工件传出52.5%，周围介质传出5%。
薄壁工件，受热后，就容易产生整体或者局部变形。根据理论分析和大量的试验研究综合起来：加工温度主要受切削用量、刀具几何参数和切削液的影响。
二、薄壁零件车削加工中减少热变形的对策
（1）根据零件特点、工艺要求选择合理的切削用量
切削用量是影响切削温度的主要因素，切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。进给量对切削温度影响次之，而背吃力量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。在粗加工时，背吃刀量和进给量可以取大些，精加工时，背吃刀量一般在0.2～0.5mm，进给量一般在0.1～0.2mm/min，甚至更小。切削速度对切削力的影响不大，但根据工件材料、工件直径、刀具材料及角度，控制在一定范围内，一般取V=6～120m/min。精车时尽量用高的切削速度。
（2）根据工艺要求，选择正确的刀具角度
在薄壁零件的车削中，合理的刀具几何角度对车削时切削力的大小、车削中产生的热变形、工件表面的微观质量都是至观重要的。刀具前角大小，决定着切削变形与刀具前角的锋利程度。前角大，切削变形和摩擦力减小，切削力减小，刀具散热情况差，磨损加快。一般车削钢件材料的薄壁零件时，用高速钢刀具，前角取5°～30°；车削铸铁时，前角取0°～10°；用硬质合金刀具，前角取5°～20°。精车时取较大前角，粗车时取较小前角。工件材料强度好、硬度高取较小前角，反之取较大前角。
刀具的后角大小，决定着刀具后面与工件表面的摩擦情况。后角大，摩擦力小，切削力也相应减小，但后角过大也会使刀具强度减弱。在车削薄壁零件时；用高速钢车刀，刀具后角取6°～12°；加工铸铁类薄壁件，后角取6°～8°；用硬质合金刀具时，后角取4°～12°。精车时可取较大的后角，粗车时取较小的后角。
刀具主偏角的大小，决定着轴向切削力和径向切削力的分配情况。主偏角增大，径向切削力减小，而轴向切削力增大；反之径向切削力增大，轴向切削力减小。主偏角一般在75°～90°范围内。车削薄壁零件的内外圆时，取大的主偏角为好。
刀具副偏角的大小，影响着刀具和已加工表面间的摩擦情况及工件表面粗糙度值的大小。车薄壁零件时，副偏角一般取 8°～15°。粗车时取较大的副偏角，精车时取较小的副偏角。前角和主偏角对切削温度影响较大。前角加大，变形和摩擦减小，因而切削热少。但前角不能过大，刀头部分散热体积减小，不利于切削温度的降低。主偏角减小将使切削刃工作长度加增加，散热条件改善，因而使切削温度降低。
（3）选择合适的切削液，确保散热要求
切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热容、流量、注入方式以及本身的温度有很大的关系。冷却液的作用主要是：①降低刀具和工件的加工时的温度，减少热变形和提高刀具使用寿命；②提高加工表面质量，如加工铝合金往往用煤油作冷却液；③改善切削性能，如有些难以断屑的和易粘刀的，往往在冷却液中添加抗胶合的物质，如氯化石腊。在加工薄壁类零件时，要使薄壁类零件得到冷却，应根据零件材料的不同选用较高的切削液来降低切削温度，减小零件受熱而产生变形，以提高加工精度。
三、总结
根据本文的薄壁零件车削加工中热变形分析，明白产生“热变形”根源，掌握切削用量、刀具角度、冷却液的选择原则。解决实际中遇到的薄壁件加工问题，保证加工质量和尺寸精度，对加工生产具有重要的参考意义。
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