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變形與振動是薄壁件加工的制約因素已成業內人士共識。而我們的任務，就是識別這些制約薄壁件加工因素產生的多種根源，然后將其消除。工藝是一個系統，它包含了人、機、料、法、環及檢驗檢測等所有因素，提高質量靠單槍匹馬是無法完成的。從多角度深層次去探索根源，才能有效解決問題。

 

（1）設計：更合理

①避免大面積加工的設計。②在不影響工件性能的前提下，設計出筋、肋等要素，以提高工件剛性。③設計出裝夾的工藝孔、工藝臺等結構，必要時加工后封堵或去除。

 

（2）材料：高剛性

①薄壁件裝夾或加工容易變形的因素有3個：工件剛性差、裝夾力或切削力的存在，力與裝夾力臂或切削力臂的乘積產生的力矩，當力矩超過工件剛性，工件就容易發生變形。

 

②裝夾容易變形的工件，加工時就容易變形，包裝、貯存、運輸及使用等環節也容易變形，從而增加使用的不可靠性。

 

③薄壁件的設計，首先就應該考慮使用高剛性材料。

 

④能使用10鋼的，不使用8鋼；能使用20鋼的，不使用10鋼；能使用35鋼的，不使用20鋼。

 

⑤使用500M P a級、600 MPa級、700 MPa級、800 MPa級超細晶粒超低碳下貝氏體鋼。

 

⑥使用低剛性鋼，不但剛性差，強度低，要獲得較高的表面加工質量也是很困難的。

 

⑦不銹鋼：優先使用易切削不銹鋼Y1C r18N i9或Y1C r18N i9S e。

 

⑧鋁合金：盡量不使用純鋁，使用多合金元素變形鋁合金，使用2×××系鋁合金、6×××系鋁合金、7×××系鋁合金，使用新型變形鋁合金；從強度角度，使用Z L107、Z L111、Z L201、Z L301，從可切削性角度，使用Z L202、Z L402。

 

⑨銅合金：使用彌散強化無氧銅，使用高剛性結構黃銅，使用高強度鈹青銅，使用高強度鑄造鈹青銅。

 

（3）機床：零振動

①機床高剛性設計。

②多種消振措施補償。

③零間隙裝配帶預緊。

 

（4）刀具：鋒利

①前角：其值大，刃鋒利，但如果過大，強度減弱，磨刀頻繁。件硬刀硬，其值宜小，以增加強度；件軟刀軟，其值宜大，以利于切削。

 

②后角：帶消振棱。

 

③主偏角：其值小，徑向切削分力大，易振動，刀鈍面粗，刀擠工件。

 

④副偏角：帶修光刃。

 

⑤刃傾角：值為正，刀尖抬頭，刃利面細，值為負，切屑劃傷工件。

 

⑥前刀面光滑如鏡，以利排屑。

 

⑦刀尖磨出圓角。

 

⑧刃磨角不等于工作角，刀尖偏離工件回轉中心或刀桿中心線相對于進給方向的傾斜而不是垂直，都會引起刀具工作角度的改變。

 

⑨加工外圓和加工內孔的情形相反。

 

⑩利用全析因等質量手段，通過切削試驗，找出最佳的刀具角度。

 

（5）裝夾：零力矩

①當力矩值超過工件剛性，工件就容易發生變形，變形不但導致切削難以進行，精度無法保證，伴隨而來的還有因為切削力的突變引發的自激振動。因此，薄壁件適合零力矩貼壁裝夾。

 

②盤類件采取焊接定位裝置等措施實現工件與工裝完全貼壁加工。

 

③雙層錐形心軸裝夾筒形件加工外圓時，外層的兩個半體間隙要≤1/5工件壁厚，以最大程度減小將筒形件拉成鍵槽型變形對工件精度帶來的影響。不要將一個整體銑開一分為二做兩個半體，因為那樣總會留有較大的銑刀寬度間隙，而是做兩個整體，各取其半后再加工出各自需要的間隙。

 

④箱式薄壁件采用密刃銑刀大螺旋角（刃傾角）銑削。如果壁厚不均勻，先加工四角厚壁部分，再進行其余平坦面的加工。

 

⑤橡膠在薄壁件加工領域可以用來配重或消振或作磨削墊用。

 

⑥無論是液壓裝夾、氣壓裝夾還是剛性裝夾，其夾緊力必須是量化而可控的。比如，液體或氣體的壓強，用扳手擰緊螺釘時的擰緊力，都必須是數值化的，而不是憑感覺來決定其夾緊力的大小，所以，扳手必須是儀表的或扭矩數顯可調的。找出切削時工件不致松動和不致發生彈性或塑性變形（視工件具體形狀而定）的受力臨界值，使用兩者中間值夾緊工件，松動臨界值不易尋找時，使用后者臨界值減少25%作為夾緊力。

 

⑦工裝精度要在工件精度5倍或以上。

 

（6）切削用量：經濟

①背吃刀量：大，切削力大，變形振動；小，硬化層外加工，工件磨刀。

 

②進給量：小，表面光潔，但過小則效率降低。

 

③切削速度：快，面細件熱，過快刀具會急劇磨鈍失效。避開積屑瘤生長區與再生振顫易發區。

 

④如果使用非變速機床，加工盤類工件端面時切削速度是一個變化的過程。

 

⑤利用全析因等質量手段，通過切削試驗，找出最佳的切削用量（兼顧刀具經濟壽命）。

 

（7）冷卻：零度

①在厚壁件加工領域，切削熱對工件精度的影響微乎其微，常常可以忽略不計，但在薄壁件加工領域，切削熱卻成為影響工件精度的重要因素之一，所以，在薄壁件加工領域，不能放過任何一個看似微乎其微的影響因素。

 

②冰乳油水混合物0℃冷卻與潤滑。

 

（8）切削：好鋼用在刀刃上

①鋼：高速鋼、超高速鋼、粉末冶金高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金、納米晶硬質合金及陶瓷刀具。

 

②鋁銅合金：高速鋼、超高速鋼、粉末冶金高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷刀具及細粒度聚晶金剛石。

 

③不銹鋼：高速鋼及超高速鋼、粉末冶金高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金、納米晶硬質合金及金屬基陶瓷。

 

④高溫合金：立方氮化硼、多晶立方氮化硼及電火花加工。

 

⑤使用刀具經濟壽命壓縮25%的時間切削，比如，刀具經濟壽命60m i n，使用45min后準備換刀。

 

（9）測量：準確快速

①使用數顯儀器測量，提高測量速度。

②測量儀器精度≥工件精度5倍或以上。

③不但要有精度測量儀，還要有應力測量儀、粗糙度測量儀，機床配有振動頻譜儀。

 

（10）質量目標：零偏差

①加工精度：一年一個臺階，公差帶寬度每年壓縮10%。比如，2010年公差帶寬度100μ m，2011年要壓縮到90μ m……最終實現精度零偏差。圍繞公差帶中間值加工，實際加工公差帶寬度≤1/2設計公差帶寬度。

 

②表面加工質量：表面粗糙度：一年一個進級，2010年6.3μm，2011年要提高到3.2μ m……最終實現鏡面加工。無表面層加工硬化（允許有，但以不影響工件精度和工件使用性能為前提），無表面層組織金相變化，無表面層殘余應力。

 

（11）控制手段：預控制

①將質量缺陷消除在萌芽狀態，而不是等到出現了質量問題再去開會解決。

 

②公差帶偏離中間值且朝一側搖擺，系統有偏差，糾正。

 

③公差帶偏離中間值左右擺幅過大，系統不穩定，整改。

 

（12）工藝標準：高起點

①人：懂專業，講質量，多面手。

 

②機：精密高剛性數控機床，零振動，無偏差，自適應。

 

③料：材料高剛性，毛坯高精度，工件壁厚均勻、硬度一致，零雜質，無偏析，冷軋冷拔或鏡面鑄造；刀具鋒利耐磨損，耐高溫，耐沖擊，與工件化學成分遠親和。

 

④法：采取工件減振、卡盤減振、刀桿減振、夾具減振等多環節減振、工件配重等措施實現系統零振動加工。

 

⑤環：工作場所噪聲低分貝，安全零隱患，人體零傷害。

 

⑥檢驗檢測：在線全自動。

 

從我們與她相識的那一刻起，《機械工人》（現《金屬加工》）伴我們一路走來，讓我們深刻見證了我國從建國初期的零工業到今日世界級工業帝國的萌芽。新機床、新設備、新刀具層出不窮，加上一線工人師傅對產品質量的不懈追求，各種新方法、新工藝不斷涌現，從而使得各種條件下的各種工件的加工成為可能，實現了高效、高精度快速生產。工業制造日新月異。但是，如果我們因此而滿足于現狀，我們就會停滯不前。對工業領域的金屬加工，我們還有太多發展與改良的空間，如薄璧工件的加工，而這也是我們一直為之努力奮斗的動力源泉。

 

薄璧件廣泛應用于汽車制造、紡織、電力、石油化工、儀器儀表、飛機制造等各個領域，重量輕，材料省。一直以來，薄璧件的加工受多種因素的制約，造成一次合格品率低，對工裝制作依賴大、裝夾容易變形、切削容易振顫、加工精度難以保證、生產效率難以提高等諸多問題。而我們的核心任務就是識別這些制約薄璧件加工因素產生的多種根源，從而加以消除，實現在任何條件下，對任何復雜薄壁工件的高效、高精度快速加工。

 

20世紀50年代，我國工業尚處于起步階段，那時僅有的工業就是“解放牌”汽車和織布機。那時的薄璧件加工工藝，多為編譯使用蘇聯的工藝。如1958年，《機械工人》刊登的徐大宗老師編譯的前蘇聯《磨削薄壁套筒內圓用的夾具》一文，就是最好的見證。那時的工藝可總結為：普通機床、普通刀具、普通材料、普通工裝，偶有橡皮擦參與裝夾，工件精度主要依賴個人的操作水平，一般達到0.01m m。盡管那時工藝簡單，但一線工人師傅已經為提高產品質量進行了不懈的努力，這不得不讓我們產生深深的敬意。60年代，“文革”期間，中國工業出現空白。70年代，中國工業算正式起步。但那時中國沒有數控機床等設備，薄璧件的加工工藝主要是通過改善刀具角度參數加以實現。如1978年，《機械工人》刊登的北京朝陽無線電元件廠馬振寰師傅的《薄璧件的車削》一文，就對車削45鋼薄壁套用Y T15車刀刀具的角度幾何參數做了詳細的描述。80年代，薄壁件加工工藝著重在于提高工件的表面加工質量，磨床參與到了薄壁件的加工中來，人們對磨床給予厚望，普遍采用了液壓裝夾。如1985年，《機械工人》刊登的上海儀表機床廠張滌楨師傅的《如何提高薄壁套內孔的磨削質量》一文，就對薄壁件的磨削工藝進行了詳細的描述和總結，文中主要從夾具制作和磨削參數控制角度入手，輔以對磨削砂輪磨料的選擇和砂輪修整工藝，磨出了高精度和低表面粗糙度值的工件，工件精度達到0.005m m，表面粗糙度值也達到了12級（0.025μm）。

 

80年代最突出的一個特點是液壓夾具的普及應用。如《機械工人》在1980年刊登的北二紡蔣大立等師傅的《薄壁深孔加工及夾具》一文，1985年哈爾濱林業機械廠李萬貴師傅的《手動液壓夾具》，湖南安江汽配廠禹航生師傅的《液性塑料自動定心夾具》，1988年南京缸套廠左永寧師傅的《雙缸氣液兩用夾具》，都采用的是液壓夾具裝置。液壓夾具的優點是液壓的任意位置可達性和液體固有的微壓縮退讓性，使得對薄壁工件夾緊力分布比較均勻，夾緊力剛性變形小，工件塑性變形相對也小。無論是磨削加工還是常規去除材料的機械加工，工人師傅們都對刀具參數和切削用量進行了比較準確的摸索和試驗，這也是薄壁件加工必不可少的關鍵環節。80年代也出現了無切屑加工，如旋壓和滾壓。90年代，薄壁件的加工則偏重于對夾具的制作，通過設計制作可靠的夾具，來實現對薄壁工件的有效加工。成形刀具的普及，使得人們對刀具的選擇由主動變為被動接受，因為成形刀可轉位使用，無需刃磨，人們把精力主要放在了夾具制作上。只有少數場合仍然使用需要刃磨的焊接刀具，人們對刀具參數就有忽略的傾向。如《機械工人》在1992年刊登的江西石城軸瓦廠吳祖和師傅的《彈性薄壁軸瓦車削夾具》，1993年常熟量具刃具廠李憲國師傅的《薄壁工件的加工》，淄博礦務局機械制造廠黃春源師傅的《薄壁銅套壓裝時公差的確定》，1994年徐州礦務局液壓支架廠殷宏生師傅的《加工薄壁油缸的軟質錐形頂尖》，1995年蘇州求精機械廠陸永良師傅的《車床尾座套筒莫氏錐孔精磨夾具的設計》，青島鴻達機電總廠張洪敏師傅的《短薄壁套磨孔夾具》，遼寧丹東518內燃機配件總廠姚廣鷹等師傅們的《外脹式自動定心夾具》等，無一例外不是從夾具的設計制作入手，實現了對薄壁件的有效加工。可見，90年代側重的是對薄壁工件的夾具制作，通過對工裝細致的制作，從而達到裝夾防變形、切削防振動，最終達到對薄壁件進行有效加工的目的。

 

21世紀，薄壁件的加工工藝則進入成熟階段，主要體現在人們對制約薄壁件的所有因素進行了比較深入的分析和探索，對薄壁件的加工質量認識，上升到了一個新的層次。人們首先對影響薄壁件加工的所有制約因素進行深入的分析，然后從刀具參數、刀具類型、切削用量、裝夾及設備精度等各個環節進行了有效的控制，其工藝逐漸豐富而成熟，數控機床也參與到了薄壁工件的加工中。工件材料也從以前較為原始的碳鋼，發展到合金鋼、不銹鋼、有色金屬合金和高溫合金。刀具從高速鋼發展到硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和多晶立方氮化硼刀具，加工硬度最高達到了60HRC。并且，人們對刀具的幾何參數重新拾起，不但重視刀具硬度，而且重新重視起刀具幾何參數，對幾乎所有影響薄壁件加工工藝的因素進行了深入分析和高效控制，從機床到刀具、刀具參數、切削用量、裝夾，甚至對切削力和切削熱以及上道工序帶來的內應力與加工后內應力的重新釋放以及加工硬化、加工殘余應力現象都進行了深刻的剖析，有的甚至還在其中加入了去應力的熱處理工序。可見，21世紀，人們對薄壁件的加工質量提升了一個層次，這源于產品越來越多樣化，材料不斷翻新，新機床、新設備、新刀具不斷出現，人們對質量認識的程度不斷深入，專業知識也越來越豐富。

 

在汽車界，有“概念車”，在同類車族種，概念車是最先進的，但概念車不會馬上批量上市，概念車的經濟性大眾化還有待社會的整體進步和市場的進一步檢驗。汽車公司設計、研發、制造概念車，目的是向外界展示其超前的設計理念，對機械制造技術、空氣動力學、美學技術的絕對擁有和綜合實力的絕對強大。同理，有概念車，就有概念機床，概念刀具，當然也就有概念工藝，也就有薄壁件的概念加工。變形與振動，主要是因為力的存在。而如果能實現零切削力加工，當然也就不存在變形與振動的問題。電火花可以實現零切削力加工：①單電極，雙電極，環形陣列電極，塊狀電極，工件內腔形電極。②電極掃描所到之處，工件加工表面光亮如鏡。③單件加工，多工件、多電極陣列加工。④機械手裝夾與拾取工件，全自動在線自動測量。

任何一種方法的改進，都會伴隨著一種新的制約因素的出現，如材料剛性高，雖然有利于裝夾，能減少變形，但是，材料剛性過高，伴隨而來的必然是強度大，硬度也大。強度大，材料的原始毛坯難以成形；硬度大，又會對刀具提出更高的要求。使用易切削不銹鋼雖然對加工有利，但是因為易切削化學元素的添入，又會導致不銹鋼的橫向韌性降低和耐蝕性下降的副作用等。電火花加工盡管實現了零切削力加工，但其效率低，伴隨而來的還有其他一些加工缺陷，如電加工高溫合金會產生電解燒傷和晶間腐蝕現象，電解燒傷導致工件報廢，晶間腐蝕后面還要跟隨磨粒流工序等。年產數十萬件的生產批量規模，如果全部靠人工裝夾實現加工，其勞動強度是巨大的，僅磨刀一項工作量就難以用數字計算。即便是執行3%的抽檢，如果使用的是刻度檢驗儀器，其檢驗檢測的工作量也是十分巨大的。

 

多數薄壁件廠家都是自己摸索刀具參數，自己摸索切削用量，自己進行工裝設計，這就會造成巨大的重復勞動工作量，從而影響生產效率，因此，薄壁件的加工工藝標準化工作還有待快速建立。自動裝夾、自動加工、自動在線測量及機床自適應自動糾偏等先進的工藝系統還有待我們去探索和開發。納米材料、納米刀具、納米級加工及精度零偏差工藝還有待我們去努力實現。

 

數年前， 日本專家用超精密機床加工出直徑0.02m m的概念軸，成為迄今為止世界上最細的軸，這給了我們巨大的信心。在高科技日益發達的今天，特別是以計算機網絡為標志的第三次工業革命以后，數控技術更是讓機床設備如虎狼之添羽翼，若蛟龍之得靈雨。在宏觀工件的微觀加工領域如掃描隧道工程、原子剝離技術已經成為可能的今天，只要我們心中有創意，及時實現信息共享、理念共享、技術共享，材料供應商、機床供應商、刀具供應商及與薄壁件加工有關的所有環節都實現有針對性地精密制造、精益生產，有朝一日，我們就能夠實現在任何條件下、對任何復雜薄壁工件的高效、高精度快速加工。

 

可以認為，21世紀薄壁件的加工工藝以10年超越以往30年的水平，達到了一個新的高度。人們通過設計合理的裝夾、選擇合適的刀具、磨出合理的刀具角度、選擇合適的切削用量，然后再輔以必要的如中間去應力熱處理或粗精分開加工等工藝手段，最終實現了對所有復雜薄壁工件的高精度加工。