該本體是典型的盤類薄壁零件，其最大和最小外圓直徑分別為366.5和332 mm， 最大和最小內孔直徑分別為350和322 mm，零件高度為37 mm，多臺階面，兩端面之間最薄處僅為2 mm，而且臺階面上有密封槽。零件剛度差，定位裝夾困難。
該本體零件有13處幾何公差要求，內孔尺寸精度為IT6，部分孔和外圓圓柱度要求為≤0.02 mm，大端面和小端面平面度要求為≤0.02 mm，且與孔的垂直度要求為≤0.02 mm，零件尺寸圖如圖1所示。
圖1 零件尺寸圖
該零件的工藝難點如下。
1)本體零件內、外圓直徑相差小，軸向尺寸也小，對孔和外圓的圓度和同軸度有要求，并且對端面的平面度和端面對孔軸線的垂直度也有嚴格要求，精度要求高。
2)該本體直徑大，壁薄，最大壁厚為8 mm，剛度差，加工中如果夾緊位置、夾緊力大小和裝夾方案選擇不當易造成裝夾變形，嚴重影響零件加工精度。根據零件的結構特點，精加工時不宜采用常規的徑向裝夾方法。
3)在精加工過程中，零件壁薄，金屬體積較小，總的熱容量小，零件溫度容易升高，在和切削力的共同作用下，易產生零件變形，導致吃刀深度不均勻，并出現讓刀現象，使加工后的零件出現形狀和尺寸超差[1-2]。
該零件的加工難點如下。
1)由于本體為薄壁盤類零件，且多個面的相對位置要求高，夾緊位置點以及夾緊力大小很難確定。
2)多個端面和圓柱面的尺寸和幾何精度要求較高，車刀幾何參數和切削參數選擇困難，對刀具要求嚴格。
3)為保證零件加工部位及時冷卻，減少加工切削熱帶來的零件變形，應選用合適的冷卻液。
在粗加工階段，由于只是去除多余的材料，切削量大，采用徑向夾緊方式；精加工時，為了保證高要求的尺寸精度和幾何公差，不宜采用徑向夾緊，是因為徑向夾緊施力點力臂長，力矩大，易產生夾緊變形，而應采用軸向夾緊，最大限度地消除裝夾對零件變形的影響[3-4]。
根據加工經驗，利用均分的4個壓板軸向夾緊零件實點，不能懸空，以保證夾緊區域附近的荷載合力和合力矩幾乎為零，這樣裝夾力對切削部位影響最小。根據該本體為盤類零件的特點，精加工時，設計專用夾具，以孔和軸定位，壓板壓在零件端面實點處，然后利用百分表找正后再夾緊零件，設計的專用夾具可以在一次定位加工過程中調換一次壓板(該專用夾具在壓板調換前、后分別稱為夾具1(見圖2)和夾具2(見圖3))，實現本體零件軸向方向的全部加工，保證了多個圓柱面和端面的相對位置關系。
圖2 夾具1裝夾零件 圖3 夾具2裝夾零件
采用有限元分析技術，在專用夾具裝夾狀態下分析不同夾緊力對零件變形的影響，當夾緊力變化時，本體的變形也會發生變化。在夾緊點位置不變的情況下，分別選取2種夾緊力，加載到夾緊點位置。通過有限元仿真分析所對應的裝夾變形，根據變形量確定最大夾緊力限值。4種裝夾方式、2種夾緊力下本體的最大變形量見表1，本體的變形情況分別如圖4～圖5所示。
表1 4種裝夾方式、2種夾緊力下本體的最大變形量
夾具名稱夾緊部位夾緊力/N最大變形量/mm參考圖夾具1尺寸35上面5004.804×10-4圖4a尺寸35上面10009.607×10-4圖4b尺寸37上面2008.605×10-3圖4c尺寸37上面1004.302×10-3圖4d夾具2尺寸35下面1008.531×10-5圖5a尺寸35下面2001.706×10-4圖5b尺寸33上面2008.856×10-5圖5c尺寸33上面1004.428×10-5圖5d
a)尺寸35上面夾緊，夾緊力為500 N
b)尺寸35上面夾緊，夾緊力為1 000 N
c)尺寸37上面夾緊，夾緊力為200 N
d)尺寸37上面夾緊，夾緊力為100 N
圖4 本體在不同裝夾方式、不同夾緊力下的變形情況(夾具1)
a)尺寸35下面夾緊，夾緊力為100 N
b)尺寸35下面夾緊，夾緊力為200 N
c)尺寸33上面夾緊，夾緊力為200 N
d)尺寸33上面夾緊，夾緊力為100 N
圖5 本體在不同裝夾方式、不同夾緊力下的變形情況(夾具2)
根據本體夾具夾緊力位置和夾緊力有限元仿真分析結果進行了實操驗證。操作工通過加工和打表驗證，利用力矩扳手，保證4處壓板壓力相同且為定值，在不影響零件精度的情況下，對夾具夾緊力大小進行了調整，最終夾緊力選為120 N。
刀具的選用會影響零件的精度和表面粗糙度。精車薄壁零件時，刀桿的剛度要高，采用硬質合金YT-15材料刀具，修光刃不宜過長，一般取0.2～0.3 mm，刀具口要鋒利。
減小加工時的切削力將會大大減小工件變形。選用較大的主偏角，外圓精車刀采用90°～93°的主偏角、17°前角、0.1～0.2 mm刀尖圓弧半徑，切削力較小，同時減少切削深度、進給量和切削速度，在精車時適當增加走刀次數，可以有效避免薄壁變形。
在切削零件過程中，根據所切材料的性能、切削特點和加工階段，正確地選擇相宜的切削液，以改善材料的切削加工性，及時帶走大量切削熱量，降低切削溫度，提高刀具耐用度，改善工件表面粗糙度，達到減少本體加工變形的目的。
綜合上述因素，考慮本體零件的材料為45鋼、尺寸精度最高等級為6級，且有多項幾何公差，加工刀具為硬質合金刀，精加工時切削深度和切削速度小，精加工盤類薄壁零件應選用油基切削液，流量充足，冷卻車刀加工區域，以3%～5%乳化液為宜。
在加工實踐與有限元分析技術相結合的基礎上，通過設計專用夾具，優選夾緊布局和夾緊力，優化車削刀具參數和切削參數，合理選用切削液，降低切削溫度，較好地解決了零件加工變形的問題。通過采用上述措施，使該本體零件的加工質量得到了大幅度提升，成品率達到了90%以上。目前，該研究成果已推廣應用到盤類薄壁零件的加工中，整體提升了本公司盤類薄壁零件的加工質量。