細(xì)長軸車削加工尺寸誤差研究

尚廣云，鄧志平，張正義，仲 良，龍 俊

(西華大學(xué)，四川成都610039)

0 引言

在車削力的作用下細(xì)長軸類工件極易產(chǎn)生彎曲變形造成較大的尺寸誤差，原因在于其(長徑比大于20的軸)剛性差，故難以保證其加工精度，因此細(xì)長軸的車削加工一直被公認(rèn)為典型的工藝難題。文獻(xiàn)［1］在車削細(xì)長軸時，采用了專用夾具，并對刀具材料、幾何參數(shù)、切削用量等進(jìn)行分析。文獻(xiàn)［2］分析了采用切向進(jìn)給電火花加工細(xì)長軸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削加工的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)［3］采取反向走刀、一夾一頂裝夾工件、蘑菇頭銷子增加剛性并減小刀桿變形量等措施車削細(xì)長絲杠。文獻(xiàn)［4］應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起使用跟刀架車削細(xì)長軸時的尺寸誤差預(yù)測模型，并基于該模型研究切削用量對尺寸誤差的影響。文獻(xiàn)［5］對一夾一頂裝夾的細(xì)長軸進(jìn)行尺寸誤差分析，得出了徑向力F2是造成細(xì)長軸尺寸誤差的主要因子。

本文通過建立細(xì)長軸尺寸誤差力學(xué)模型，定性分析出徑向力F2是造成細(xì)長軸尺寸誤差的主要因子，再由有限元仿真分析實驗進(jìn)行驗證，結(jié)果表明:本文研究成果對細(xì)長軸的實際車削具有指導(dǎo)意義。

1 細(xì)長軸尺寸誤差分析

普通軸類工件車削過程中，尺寸誤差是由工件和車刀的偏移共同造成的，而細(xì)長軸類工件的尺寸誤差主要由彎曲變形引起。圖1為細(xì)長軸車削過程的誤差模型，虛線表示沒有彎曲變形時細(xì)長軸直徑D1，粗實線小圓為細(xì)長軸車削之后直徑D2，粗實線大圓為加工前直徑 D3。圖中［6］ap 為背吃刀量，為車削過程中細(xì)長軸在y、z方向產(chǎn)生的彎曲變形［6］。

圖1 加工誤差模型

即細(xì)長軸車削后的實際直徑為:

為更加深入分析細(xì)長軸彎曲造成的加工誤差，將切向力Fy、徑向力Fz所造成的彎曲變形分解在兩相互垂直的方向，如圖2所示:

圖2 徑向力和切向力引起彎曲變形的不同影響

圖2(a)小圓為細(xì)長軸理論加工直徑，大圓為在徑向力Fy作用下加工之后細(xì)長軸的直徑。結(jié)合式(1)、(2)可得細(xì)長軸尺寸誤差為(此時uy=0):

圖2(b)小圓為細(xì)長軸理論加工直徑，大圓為在切向力作用下加工之后細(xì)長軸的直徑。由于uy遠(yuǎn)小于 D1，結(jié)合式(1)、(2)可得細(xì)長軸尺寸誤差為(此時 uz=0):

通過對比分析式(3)、(4)可知:由徑向力Fz引起的尺寸誤差遠(yuǎn)大于切向力Fy引起的尺寸誤差，因此可得徑向力Fz是造成細(xì)長軸彎曲變形的主要因素。

2 經(jīng)驗公式計算

切削力經(jīng)驗公式是用來估算加工中切削力的大小，它是通過大量的切削實驗數(shù)據(jù)而建立起來的，對生產(chǎn)實際具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r值，因此在機械制造加工中被廣泛應(yīng)用。常用的經(jīng)驗公式有單位切削Υ經(jīng)驗公式和指數(shù)經(jīng)驗公式兩種，本文采用的是切削力指數(shù)經(jīng)驗公式，具體公式如下［7］:

式中:CFz——切削條件和工件材料影響系數(shù);

XFZ——背吃刀量 影響指數(shù);

yFZ——進(jìn)給量f影響指數(shù);

KFZ——與經(jīng)驗公式中切削條件不同時的修正系數(shù)。

其中 KFm=KmF·KKrF·KΥoF·KλsF·KrεF

45號鋼通常會正火或調(diào)質(zhì)處理，抗拉強度≥600MPa，本文取 600MPa。

查表附錄表1得:KyF

查表附錄表2得:切向力:KKrF=0.89;

徑向力:KKrF=0.5;KΥoF=0.85;1KλsF=1;KrεF=0.7

計算得:KFy=0.7275;KFz=0.2670;KFx=0.9367

查表附錄表3得:切向力相關(guān)系數(shù):CFz=270 xFz=1;yFz=0.75;nFz=－0.15

徑向力相關(guān)系數(shù):CFz=199;xFz=0.9;yFz=0.6;nFz=－0.3

所以兩個切削分力計算公式如下:

vc=100m/min ap=2mm f=0.3 計算得:Fy=782.9548N;F2=118.6405N

3 靜力學(xué)仿真分析

用ANSYS仿真分析法對細(xì)長軸在車削時進(jìn)行模擬仿真分析，研究車削過程中刀具的切削切向力Fy、徑向力Fz對細(xì)長軸彎曲變形的影響。仿真模擬相關(guān)參數(shù)如圖表1、2所示，仿真結(jié)果圖如下所示:圖3為在切向力作用下50號節(jié)點處細(xì)長軸彎曲變形圖，圖4為在徑向力作用下50號節(jié)點處細(xì)長軸彎曲變形圖。

表1 仿真模型參數(shù)

圖3 在切向力作用下50號節(jié)點處細(xì)長軸彎曲變形圖

表2 仿真模型參數(shù)

圖4 在徑向力作用下50號節(jié)點處細(xì)長軸彎曲變形圖

由圖2、3分析對比可得知切向力Fy的彎曲變形量為0.0000m，徑向力 的彎曲變形量為0.169×10－4m，明顯得出徑向力Fz引起的彎曲變形遠(yuǎn)大于切向力Fy引起的彎曲變形，因此可得徑向力Fz是造成細(xì)長軸彎曲變形的主要因素，從而進(jìn)一步驗證了理論分析的正確性。

4 結(jié)論

本文通過建立細(xì)長軸車削尺寸誤差模型，分析得出影響細(xì)長軸車削過程尺寸誤差的主要因素徑向力Fz，采用切削力指數(shù)經(jīng)驗公式計算出了細(xì)長軸在車削時切向力Fz為782.9548N;徑向力Fz為118.6405N。通過利用ANSYS軟件分析又進(jìn)一步驗證了細(xì)長軸車削加工時的主要影響因素是徑向力Fz。

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［5］蔡士兵，陳樹峰.細(xì)長軸類加工誤差分析［J］.煤礦機械，2005(10):92－93.

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