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薄壁环件轧制技术发展
左治江，李尧，余五新
（江汉大学机电与建筑工程学院，武汉
430056
）
摘要
：由于科学技术的发展，薄壁环件的应用领域越来越广，其中多数为产品中的关
键零件。本文
介绍了近几年来国内外有关薄壁环件加工的主要方法，包括传统的机械加工
、振动切削加工和高速
切削加工等方法。结合厚壁环件轧制的应用及研究状况，进一步指
出基于厚壁环件轧制的方法来研
究薄壁环件轧制将是一种新发展方向。
< br>
关键词
:
薄壁环件，振动切削，高速切削，环件轧制
中图分类：
TG506
文献标识码：
A
文章编号
Processing Technology Development of
Thin-walled Ring
Zuo Zhi-jiang, Li Yao,
Yu Wu-xin
（
School of
Mechanical-electrical & Architecture
Engineering
，
Jiang Han Univer
sity
，
Wuhan
，
430056
）
Abstract:
Because of the
development of technology, the thin-walled rings
are much more widely applied
in many
fields, and most of them are the key parts in
production. This paper introduced the main methods
for
processing
thin-walled
ring
at
home
and
abroad
in
recently
years.
Theses
methods
are
include
traditional mechanical processing,
vibration cutting and high speed cutting. Based on
the application and
research
development
of
thick-walled
ring
rolling,
the
thin-walled
ring
rolling
technology
will
be
a
new
development direction
for processing thin-walled ring.
Keywords:
Thin-
walled Ring
，
Vibration
Cutting
，
High
Speed Cutting
，
Ring Rolling
加工提供了技术支撑。
下面就这些加工方法及其
1
引言
解决的问题做一下阐述。
薄壁环件是指环件的壁厚和它的径向尺寸
比较，
相差悬殊的环形零件。
一般认为，
< br>环件壁
厚与内径曲率半径之比小于
1
：
20
的环件称作为
薄壁环件
[1]
。随着
科学技术的发展，当前在机电
[2]
、航空
[3]
、汽车
[4]
、工程机械
[5]
和采矿机械
[6]
等产品的生产中，
经常需
要一些壁厚薄、
柔性好、
精度要求高
且具有一定截面形状的薄壁环件，
其
中多数为产品中的关键零件，
如汽车金属带式无
级变速器金属带组件中的薄壁钢带环
[4]
，如图<
/p>
1
所示。
因为
这些薄壁环件在加工过程中对各种因
素影响十分敏感，
极易产生变形，
很难满足精度
要求，
严重影响产品质量，
因而成为机械制造中
的一大难点。
我国目前对此类零件一般采
用传统
图
1
汽车无级变速器金属带组件中的钢带环
的机械切削加工方法，
但其加工方法
复杂、
工序
周期长、
工装夹具和设备的
精度高，
使得整个生
产成本高。尤其是当薄壁环件的生产批量不
大
时，高昂的工装夹具费会使零件的单件成本更
高。
由于最近高端装备的发展，
一些较为先进的
加工方
法如振动切削加工和高速切削加工等开
始用于薄壁环件的生产了。
这些方法给薄壁环件
作者联系方式：
zzjdfcy@
2
切削加工
2.1
传统切削加工
由于薄壁环件的毛坯壁厚薄、
刚性差，
在加
工过程中易产生热变形和弹性变形，
从而增加了
加工难度。
在采用传统的车、
铣、
磨等
加工方法
来加工薄壁环件时，
需要在工艺路线、
提高零件
刚度、
工装夹具设计制造和切削力选择等方面
进
行精心安排。
对于工艺路线
[7]
安排一般划分几个阶段，
即
毛坯准备
—
粗加工阶段
—
精加工阶段。
粗、
精加
工之间可安排一次或数次半精加工，
一次或数次
时效处
理工序，
目的在于消除切削力、
夹紧力产
生对零件产生的残余应力，
使变形发生在最后精
加工之前。<
/p>
这样，
一方面可以保证成品零件的尺
寸精
度和形位公差精度；
另一方面也可以保证零
件在存放、
装配、
调试时尺寸和形位精度的稳定
性。但整个
加工路线比较长。如文献
[8]
在采用
车削方法加工薄壁环形零件时，
采用高低温循环
处理的方法：<
/p>
先将工件放入低温箱内，
冷到
-40
～
-50
℃，在此低温下保持
3h
，回升到室温后，再
放入铝合金人工时效炉内，
升温到
90
～
100
< br>℃，
保温
3h
，冷到室温。反复
进行
3
次即：
―
冷
—
热
—
冷
—
热
—
冷
—
热
‖
循环。结果
表明高低温循环
处理对消除
7A04
铝
合金件的残余应力，
改善材
料的切削加工性能，
减少切削加工变形有明显的
效果，
为解决铝合金薄壁件
切削加工变形提供了
另一条途径。
在
提高零件刚度方面，
也有不少研究人员做
了大量的工作。文献<
/p>
[9]
分析了低刚度薄壁环件
的工艺刚度
特征及其加工过程的受力变形特性，
提出了实现提高薄壁环件刚度的技术途径。
即在
工件的内部填充易去除物质以提高零件本身的
刚度。
同时，
采用适当的装夹方式、
增加工件与
工装之间的接触刚度可以用来提高工件的工艺
刚度。
文献
[10]
采用有限元模拟的方法对薄壁环
< br>件加工过程中的装夹方法进行优化，
以提高零件
加工过程
中的整体刚度。
在前述文献中，
都有
提及工装夹具设计制造
及切削力选择等方面的研究及技巧。
由于
精密切
削的力一般都比较小，
在夹具设计方面一般考虑
多点夹持以小的单位面积压力获得最大的摩擦
力。
在切削力方面，
主要从刀具角度来考虑以减
小径向切削力。<
/p>
现在，
也有不少研究者采用新的辅助方
法来
制造薄壁环件。文献
[11]
使用
有限元模拟方法来
分析加工过程中的变形，
并提出了数控补偿方
法
来减少让刀误差，
从而控制零件的加工精度。
这
种方法需要涉及到五坐标
NC
编程、
防干涉技术、
切削过程物理仿真及误差补偿技术，
加工成本非
常高。
2.2
振动切削加工
振动切削是一种新型的非传统加工的特种
切削加工方法，
按振动频率可分为低频振动切削
(20
～
< br>150Hz)
和超声振动切削
(15
～
35kHz)
。它是
给刀具
(
或工件
)
以适当
的方向、一定的频率和振
幅的振动，以改善其切削功效的脉冲切削方法。
文献
[12]
基于超声振动切削理论，设计了一套超<
/p>
声振动车削装置，
为实现黑色金属薄壁零件的精
< br>密加工提供了新的途径。在文献
[13]
中，研究者
将超声振动引入薄壁镜筒零件车削中以减少零
件变形，
并开发出了适用于振动切削系统的刀尖
高度调节机构，
最后给出了超声切削和普通切削
的对比数据。
证明超声切削确
实能有效提高薄壁
零件的加工质量。
2.3
高速切削加工
自
1931
年德国的
Car
l Salomon
博士提出高速
切削理论以来，
经过多年的发展，
现在，
各国的
研究人员和工程技术人员就开始将高速切削技
术用于薄壁零件加工了。如文献
[14]
中介绍，在
军用雷达产品微波零件的
加工中，
如采用高速切
削技术，
不仅降
低了这类薄壁零件在普通数控设
备上加工中产生弯曲和膨胀，
而
且工效提高了
20
倍以上。文献
[15
]
建立了一个薄壁零件高速立铣
的力学模型，
< br>并用两个铣削实例加以验证。
结果
表明，
该模型可以预测动态铣削过程中的切削力
和振动位移。
由于我国对超声振动切削和高速切削技术
的研究还处于较低的水
平，
尤其是对其在薄壁零
件的加工机理上的研究还很少，
特别是对高速切
削技术的研究可说才刚起步。
因此跟踪世界各种
成形技术和先进切削技术的发展，
研究薄壁零
件
的加工方法及工艺技术，
对缩短同发达国家制造
能力上的差距及推广各种先进的加工技术具有
十分重要的意义。
3
环件轧制加工
环件轧制工艺是一种节能环保的塑性加工
手段。
它是借助轧环机使环件产生壁厚减小、
直
径扩大、
截面轮廓成形的连续局部塑性加工工艺
[16]
。目前环件轧制的工件本身具有一定的厚度，
从而有较强的刚度，
正确控制导向辊的运动可以
保持整个系统的刚性和轧制过程平稳。
厚壁环件
轧制适用于多种截面形状和尺寸的环形零件加
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