薄壁環(huán)件加工技術(shù)論文綜述

1、薄壁環(huán)件加工技術(shù)概述:本文主要介紹了幾種薄壁環(huán)件加工方法如高速切削、數(shù)控技術(shù)、激光直接制造技術(shù)、震動(dòng)切削、原始軋制加工方法，特別是創(chuàng)新型軋制技術(shù)，文章對(duì)這幾種加工方法進(jìn)行了簡(jiǎn)明的描述。關(guān)鍵詞：高速切削；數(shù)控技術(shù)；激光直接制造技術(shù)；震動(dòng)切削；原始軋制加工方法；創(chuàng)新型軋制技術(shù)1前言薄壁環(huán)件是指環(huán)件的壁厚和它的徑向尺寸比較相差懸殊的環(huán)形零件。一般認(rèn)為，環(huán)件壁厚與內(nèi)徑曲半徑之比小于1：20的環(huán)件稱作薄壁環(huán)件1。在機(jī)械加工中，鍛造、沖壓、拉拔是最通用的最基本方法。但是，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種機(jī)械裝備需要形狀更復(fù)雜的零部件，生產(chǎn)批量也急劇增加，上述幾種機(jī)械加工方法已不能滿足生產(chǎn)需要。特別是隨著世界性的能

2、源緊張，原材料匱乏，促使各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入大量人力、物力開(kāi)發(fā)研究，尋求能夠節(jié)能、節(jié)材的塑性成形新工藝新方法。2一般薄壁環(huán)件的加工方法2.1高速切削加工二十世紀(jì)三十年代，德國(guó)科學(xué)家Salomon通過(guò)對(duì)不同材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：隨著切削速度的增加，切削溫度隨之增加，單位切削力也隨之增加，而當(dāng)削速度增加到一定臨界值時(shí)，如再增加，切削溫度和切削力反而急劇下降。由此，提出了高速加工的概念，所謂高速加工就是指切削速度高于臨界速度的切削加工。與常規(guī)切削加工相比，高速加工有如下一些優(yōu)點(diǎn)，（1）由于采用高的切削速度和高的進(jìn)給速度，高速加工能在單位時(shí)間內(nèi)切除更多的金屬材料，因而切削效率高；（

3、2）在高速加工的時(shí)候，可以采用較少的步距，達(dá)到提高零件表面質(zhì)量的目的，采用高速加工技術(shù)，可以使得零件表面達(dá)到磨削的效果；（3）由于高速加工時(shí)切削力大大降低、大部分切削熱被切屑帶走，因而工件的變形大大減少。正因?yàn)楦咚偾邢骷庸び腥绱说降膬?yōu)點(diǎn)所以該技術(shù)已被應(yīng)用于薄壁零件的加工，它可以很高效率的節(jié)約材料，提高效率。文獻(xiàn)3中對(duì)鋁合金薄壁體零件切削加工中變形和振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了分析，建立銑削加工受力模型，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)，得到了薄壁件加工變形的基本規(guī)律，并據(jù)此提出了相應(yīng)的工藝措施。結(jié)果表明：高轉(zhuǎn)速、快走刀以及分步環(huán)切法可以有效的減小徑向切削力。文獻(xiàn)4建立了一個(gè)薄壁零件高速立銑的力學(xué)模型，并用兩個(gè)銑削實(shí)例加以驗(yàn)證

4、。結(jié)果表明，該模型可以預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)銑削過(guò)程中的切削力和振動(dòng)位移5。文獻(xiàn)6介紹了超薄壁零件切削加工避免發(fā)生變形的一些經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)7針對(duì)薄壁零件剛性差、加工工藝性差、易發(fā)生加工變形和切削振動(dòng)等情況, 采用了高速加工技術(shù),改變了工件的裝夾方式, 優(yōu)化了編程策略, 選擇了合適的切削刀具,采用了最佳的切削工藝,實(shí)現(xiàn)了薄壁零件的高速切削。這種加工技術(shù)生產(chǎn)效率高,加工表面質(zhì)量好,環(huán)境污染小,符合現(xiàn)代綠色加工的發(fā)展趨勢(shì)。如今高速加工正被人們廣泛的關(guān)注，其技術(shù)也越來(lái)越完善。2.2數(shù)控技術(shù)社會(huì)需求是推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展最有力的因素。二十世紀(jì)四十年代以來(lái)，由于航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)于各種飛行器的加工提出了更高的要求，這些零

5、件大多形狀非常復(fù)雜，材料多為難加工的合金。用傳統(tǒng)的機(jī)床和工藝方法進(jìn)行加工，不能保證精度，也很難提高生產(chǎn)效率。為了解決零件復(fù)雜形狀表面的加工問(wèn)題，1952年，美國(guó)帕森斯公司和麻省理工學(xué)院研制成功了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)化、精密機(jī)械與測(cè)量等技術(shù)的發(fā)展與綜合應(yīng)用，產(chǎn)生了機(jī)電一體化的新型機(jī)床數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床一經(jīng)使用就顯示出了它獨(dú)特的優(yōu)越性和強(qiáng)大生命力，使原來(lái)不能解決的許多問(wèn)題，找了科學(xué)解決的途徑，數(shù)控技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，加工精度和生產(chǎn)效率不斷提高如今數(shù)控機(jī)床也大量的被應(yīng)用與加工薄壁復(fù)雜的零件。文獻(xiàn)8通過(guò)數(shù)控加工前的預(yù)防性仿真(包括幾何仿真與物理仿真)分析

6、與減小工件變藝設(shè)計(jì)過(guò)程,提出一系列方法使數(shù)控機(jī)床能高效加工各種薄壁零件。2.3激光直接制造技術(shù)（Direct Laser Fabrication, DLF）隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，一種革命性的快速制造技術(shù)激光直接制造技術(shù)（Direct Laser Fabrication, DLF）正悄然出現(xiàn)在航空、航天、模具等工業(yè)領(lǐng)域，并體現(xiàn)了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，代表了快速成形與制造技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。激光直接制造技術(shù)是20世紀(jì)90年代在快速成形技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)模快速制造技術(shù)。與立體光刻成形（SL）等只能進(jìn)行有機(jī)材料成形的傳統(tǒng)工藝不同，激光直接制造技術(shù)在對(duì)3D-CAD模型切

7、片分層和截面填充以后，能夠借助激光熔覆方法快速制造出致密的近凈形金屬零件。正是這種無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，使得激光直接技術(shù)在航空、航天、造船、模具等關(guān)乎國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的重要工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有極大的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)9分析了激光技術(shù)在航空裝備保障過(guò)程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提別是航空中易壞薄壁零件的保障，并探討了其發(fā)展趨勢(shì)。具體而言，激光直接制造技術(shù)可以應(yīng)用的場(chǎng)合主要有：（1）快速模具制造，特別是塑料注射成形用模具的制造； （2）航空、航天等武器裝備領(lǐng)域內(nèi)的高精復(fù)雜零件的快速制造和修復(fù)；（3）梯度功能材料的設(shè)計(jì)與制造；（4）超硬、稀有金屬材料的零件制造和修復(fù)；（5）高度/壁厚比大于10的薄壁零件的制造和修復(fù)。2.4振動(dòng)切削

8、普通切削時(shí)，固定在車架上的車刀，它的刀尖在切削過(guò)程中并不是處于靜止的狀態(tài)，而是以不規(guī)則的振動(dòng)頻率和振幅，以復(fù)雜的振動(dòng)形式存在微小的振動(dòng)，切削現(xiàn)象也不斷地作無(wú)規(guī)則變化。振動(dòng)切削的實(shí)質(zhì)就是在傳統(tǒng)的切削過(guò)程中給刀具或工件附加某種有規(guī)律的振動(dòng)，使切削速度、進(jìn)給量、切削深度按一定規(guī)律變化。振動(dòng)切削改變了工件與刀具之間的時(shí)間與空間的分配，從而改變了切削加工機(jī)理，達(dá)到了減小切削力和切削熱并且提高加工質(zhì)量和效率的目的。由于切削速度的變化和加速度的出現(xiàn)，使得振動(dòng)切削具有許多優(yōu)點(diǎn)，特別是在難加工材料和普通材料的難加工工序加工中，都收到了極其出色的效果。振動(dòng)切削與傳統(tǒng)切削相比，具有以下特點(diǎn)：(1)切削力大大減小 刀

9、一屑間摩擦因數(shù)只有傳統(tǒng)切削的1/10。，所以切削力可以減小到傳統(tǒng)切削的1/21/10，塑性材料減少得更多。(2)切削溫度明顯降低 刀一屑間接觸出現(xiàn)間歇，切削熱更難以傳到切削區(qū)，易于冷卻，所以平均切削溫度降到與室溫差不多，切屑不變色，用手摸不會(huì)燙手。(3)可提高刀具使用壽命。(4)可控制切屑的形狀和大小，改善排屑狀況。振動(dòng)切削有如此多的優(yōu)點(diǎn)，因此也被廣泛的應(yīng)用于薄壁零件的加工中，且得到的薄壁零件質(zhì)量能滿足生產(chǎn)要求。文獻(xiàn)10首先研究了超高速銑削加工無(wú)縫鋼管的切削模型,在所討論的超高速切削條件下,考慮其特殊性,建立超高速銑削的切削方程式;并對(duì)超高速銑削加工無(wú)縫鋼管切削條件下切削溫度的不同進(jìn)行分析。3

10、創(chuàng)新型軋制加工與原始軋制加工方法原始環(huán)件軋制（又稱環(huán)件軋制或擴(kuò)孔或輾環(huán)）是借助輾環(huán)機(jī)使環(huán)件薄厚減小，直徑擴(kuò)大，截面輪廓變形的塑性工藝，與整體模鍛比較，它具有大幅度降低設(shè)備噸位和投資，減動(dòng)沖擊小，節(jié)能材料，生產(chǎn)成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)11，其輾擴(kuò)原理為：驅(qū)動(dòng)輥為主動(dòng)輥，同時(shí)作旋轉(zhuǎn)輾擴(kuò)和直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；芯輥為被動(dòng)輥，做從動(dòng)旋轉(zhuǎn)輾擴(kuò)運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)向輥和信號(hào)輥都是可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的輥。在驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)饔孟?，環(huán)件通過(guò)驅(qū)動(dòng)輥與芯輥構(gòu)成的孔型產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形。當(dāng)環(huán)件經(jīng)過(guò)多轉(zhuǎn)軋制變形且直徑擴(kuò)大到預(yù)定尺寸時(shí)，環(huán)件外圓表面與信號(hào)輥接觸，驅(qū)動(dòng)輥停止直線進(jìn)給并返回，環(huán)件輾擴(kuò)過(guò)程結(jié)束12。環(huán)件軋制廣泛地用于生產(chǎn)外徑為15mm10mm的工件，

11、這些零件的加工既包括冷輾擴(kuò)，也包括熱輾擴(kuò)。環(huán)件冷輾擴(kuò)通常用于制作直徑在15mm350mm的軸承內(nèi)外圈、法蘭、端蓋、齒環(huán)和引擎渦輪環(huán)等，以及制作航空工業(yè)中噴氣引擎的鈦及其超耐熱合金窩座環(huán)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠取得質(zhì)量一致性好、表面光滑、公差小的零件，生產(chǎn)周期短、材料利用率高，尤其是對(duì)于復(fù)雜的截面形狀13。然而，與鍛造相比，件冷輾擴(kuò)的不足是環(huán)件截面的充滿困難，尤其是型腔較深時(shí)。這是由于在輾擴(kuò)過(guò)程截面小主要是使環(huán)件直徑擴(kuò)大，而不是迫使材料去填充輾輥型腔。冷輾環(huán)試驗(yàn)研究始于上世紀(jì)80年代UMIST大學(xué)的一個(gè)自行車輪轂的冷輾成形，它通過(guò)采用兩步加工而避免了環(huán)件材料的過(guò)分位移。冷輾擴(kuò)應(yīng)用最廣的是軸承套圈冷輾擴(kuò)。國(guó)

12、內(nèi)的軸承套圈冷輾擴(kuò)用毛坯材料的組織、性能等與國(guó)外有大差異，即使高價(jià)引進(jìn)冷輾擴(kuò)工藝技術(shù)和冷輾擴(kuò)芯輥設(shè)計(jì)制造技術(shù)，也不可能簡(jiǎn)單地直接用于軸承套冷扎生產(chǎn)14。但新型加工方法是利用多對(duì)滾輪對(duì)環(huán)件進(jìn)行軋制使環(huán)件厚度變薄直徑變大，它的加工原理和傳統(tǒng)的軋制加工原理有類似之處，也有不同之處。如圖1所示，是創(chuàng)造型薄壁環(huán)件的軋機(jī)的二維圖，圖中有六對(duì)滾輪對(duì)薄壁環(huán)件進(jìn)行軋制。當(dāng)最下面的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)軸上的大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后大齒輪帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶到聯(lián)軸器轉(zhuǎn)到，聯(lián)軸器帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)到，薄壁環(huán)件夾在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間，進(jìn)給機(jī)構(gòu)（錐形圓）在最上面的電動(dòng)機(jī)的作用下向下運(yùn)動(dòng)使從動(dòng)輪向周圍遠(yuǎn)動(dòng)，當(dāng)薄壁環(huán)件夾在兩輪之間且受到力

13、時(shí)，由于主動(dòng)輪在電動(dòng)機(jī)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，所以受力后從動(dòng)輪也開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，在兩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)下，環(huán)件的直徑慢慢變大，且向周圍移動(dòng)。新型環(huán)件軋制主要有如下的特點(diǎn)：（1）產(chǎn)品質(zhì)量好:軋制環(huán)件的金屬纖維沿環(huán)件圓周方向連續(xù)分布,與環(huán)件使用中的受力和磨損相適應(yīng)。其內(nèi)部組織致密,晶粒細(xì)小,力學(xué)強(qiáng)度、耐磨性和疲勞壽命明顯高工法生產(chǎn)的環(huán)件。（2）設(shè)備噸位小:加工范圍大，其成形過(guò)程是局部加壓連續(xù)小變形的積累，工件與工具的接觸面積小，因此，變形工藝力小所需設(shè)備噸位小，小噸位設(shè)備可加工大的無(wú)接縫件，擴(kuò)大了環(huán)件的加工范圍。（3）材料利用率高：新型環(huán)件軋制的工件截面形狀更接近成品。（4）生產(chǎn)成本低:單件材料消耗降低,成本降低。（5）勞

14、動(dòng)條件好:生產(chǎn)率高環(huán)件軋制類似于靜壓軋制，無(wú)沖擊，振動(dòng)，噪聲低，改善了環(huán)境。環(huán)件軋制又易于機(jī)械化和實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化，生產(chǎn)率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。大大高于其他方法加工環(huán)件的生產(chǎn)率。3.1新型環(huán)件軋制技術(shù)的展望：（1）薄壁環(huán)件的直徑不變而內(nèi)壁在軋制的過(guò)程中發(fā)生變形，環(huán)件總體積可以看做是不變的。圖1創(chuàng)新型薄壁環(huán)件軋機(jī)（2）高速薄壁環(huán)件軋制技術(shù)。隨著環(huán)件軋制設(shè)備及上下料輔助設(shè)備的機(jī)械化自動(dòng)化程度的提高，薄壁環(huán)件軋制速度和生產(chǎn)率迅速提高。（3）復(fù)雜薄壁環(huán)件軋制技術(shù)。對(duì)于復(fù)雜截面的薄壁環(huán)件通常簡(jiǎn)化成近矩形截面的環(huán)件，然后再機(jī)加工。通過(guò)軋制用毛坯的優(yōu)化和軋制孔型的合理設(shè)計(jì)許多復(fù)雜截面的環(huán)件逐漸實(shí)現(xiàn)了直接成形。（4）薄

15、壁環(huán)件軋制生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。電子和數(shù)控自動(dòng)化操作，建立自動(dòng)生產(chǎn)線。對(duì)中小型薄壁軋機(jī)主要是運(yùn)用閉式軋制提高精度，提高效率，實(shí)現(xiàn)少無(wú)切削加工。（5）薄壁環(huán)件的壁厚在軋制過(guò)程中慢慢的變薄，而直徑慢慢的變大，環(huán)件的體積不發(fā)生變化。1王志厚薄壁零件加工中防止變形的措施J寶成技術(shù)，1991(2)：20-712 華林,黃興高,朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20013衛(wèi)雄飛,潘宏俠.鋁合金薄壁件高速加工的切削力和工藝研究.成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化.2009，26（2）.53-564Wang Tongyue，He Ning，Li LiangVibration in HighSpeedMill

16、ing ofThinWalled ComponentsJTransactions ofNanjing University of Aeronautics &Astronautics，2007(2)：112115左治江,李堯,余五新.薄壁環(huán)件軋制技術(shù)的發(fā)展.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.47（535）：544Wang Tongyue，He Ning，Li LiangVibration in HighSpeedMilling ofThinWalled ComponentsJTransactions ofNanjing University of Aeronautics &Astronautics，2007(2)：11211 8鄭聯(lián)語(yǔ)，汪叔淳.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)方法.航空學(xué)報(bào).2001,22(5):4249孟慶迪，王新閣，韓慧伶.激光技術(shù)在航空裝備保障中的應(yīng)用與發(fā)展機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2009，（6）：25810周憶.超高速切削技術(shù)研究D重慶：重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，200411李春天，黃欣.環(huán)件軋制技術(shù)及在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用.鍛壓設(shè)備與制造技術(shù).2004(5):812華林,黃興高,朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,200113D.Y.Yang.K.H.Kim,and,J.B.Hawkyard.SimulationofTsection profile ring rolling