細(xì)長(zhǎng)軸的切削加工精度及切削效率的控制研究*

寇欽德，王 彬，郭潤蘭

(1．甘肅瑞盛亞美特高科技農(nóng)業(yè)有限公司，甘肅蘭州 730300;2蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050)

0 引言

細(xì)長(zhǎng)軸類零件的長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)度與直徑的比值)一般不小于25，廣泛應(yīng)用于不同的機(jī)械場(chǎng)合，如，鉆桿、絲桿、光桿、導(dǎo)向軸、傳動(dòng)軸、羅拉軸等。但在實(shí)際的加工過程中，其長(zhǎng)徑比越大，抗彎能力越差，越易發(fā)生彎曲變形，另外，由于受外力(如，切削力、慣性力)所產(chǎn)生的震動(dòng)、切削熱等的影響，增大了切削加工難度，無法保證細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度。但伴隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸類零件的精度要求也變得越來越高。如何提高其加工精度，并使其能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求是當(dāng)前應(yīng)該解決的問題［1］。

通過分析細(xì)長(zhǎng)軸的誤差來源和加工難點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前我國細(xì)長(zhǎng)軸的加工經(jīng)驗(yàn)，提出了提高細(xì)長(zhǎng)軸類零件的切削加工精度及切削效率的有效方法，這為細(xì)長(zhǎng)軸的加工提供了一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 切削加工時(shí)的誤差來源

細(xì)長(zhǎng)軸實(shí)際的加工過程中，由于較大的長(zhǎng)徑比及外力的影響，不可避免的會(huì)產(chǎn)生許多加工誤差，同時(shí)這些誤差對(duì)零件的精度有著直接影響。一般在利用普通數(shù)控機(jī)床加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)(如圖1)，其機(jī)床誤差包括很多種，如滾動(dòng)誤差、垂直度誤差、偏轉(zhuǎn)誤差、定位誤差等等。其中，有些誤差通過一定方式進(jìn)行消除或者減小，但有些誤差是無法避免的［2-4］。

與普通的機(jī)械加工相同，車削加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，諸如夾具、機(jī)床、人為因素、刀具等因素產(chǎn)生的多種誤差對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸的質(zhì)量及精度有很大的影響。具體的誤差來源如表1，而眾所周知，由于細(xì)長(zhǎng)軸的長(zhǎng)徑比大于25，所以在加工時(shí)，刀具的切削力所引起的彎曲變形是最主要的一部分誤差。

圖1 機(jī)床誤差

表1 誤差來源分析

2 細(xì)長(zhǎng)軸的彎曲變形分析

2．1 細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的原因

細(xì)長(zhǎng)軸在加工時(shí)受設(shè)備、人為因素、刀具的影響較為嚴(yán)重，故其一直是機(jī)械加工中的一個(gè)難點(diǎn)。其中，造成細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的原因主要有三個(gè):①初始的彎曲變形，在工件未進(jìn)行加工之前就存在的彎曲，即就是毛坯原本所就有的彎曲;②毛坯裝卡之后，因?yàn)殚L(zhǎng)徑比較大，其在自重作用下發(fā)生的彎曲變形;③加工工件過程中所產(chǎn)生的彎曲變形。另外，細(xì)長(zhǎng)軸的彎曲變形破壞了原先刀具與工件之間的準(zhǔn)確位置，切削速度和切削穩(wěn)定性都受到了很大程度的影響，大大的影響了零件的表面粗糙度和加工精度［4-5］。

2．2 加工過程中產(chǎn)生變形的原因

2．2．1 切削力引起的變形

切削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，切削力對(duì)其有極大的影響，無論軸向的切削力還是徑向的切削力轉(zhuǎn)移到軸心形成的合力均會(huì)將工件“頂彎”，從而引起變形，如圖2。而這兩種不同方向的切削力對(duì)工件的影響也有一些差別，前者是作用力與軸線方向上平行，從而形成了一個(gè)彎矩，當(dāng)車削力的數(shù)值大于規(guī)定值，導(dǎo)致工件發(fā)生縱向的變形;后者因?yàn)榇怪弊饔迷谳S線的水平面內(nèi)，但因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)軸有很差的剛性及不高的硬度，故徑向力很容易頂彎細(xì)長(zhǎng)軸，從而發(fā)生彎曲變形［6-7］。

圖2 切削力引起的形變

2．2．2 切削熱引起的變形

在加工過程中，刀具和工件的表面之間必然會(huì)有碰撞和摩擦，所產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致工件的軸向伸長(zhǎng)，使其發(fā)生伸長(zhǎng)的變化，而輔助工件兩端的工具位置是不變的，故工件的軸向伸長(zhǎng)由于受到擠壓作用的影響，加大了其自身的彎曲變形，溫度越高所產(chǎn)生的彎曲亦越大。所以在加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，若要提高其加工精度，就必須要對(duì)工藝系統(tǒng)的受力情況及受熱變形問題進(jìn)行控制［8-10］。

3 提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的方法

伴隨著科技的快速發(fā)展和機(jī)械制造水平的提高，細(xì)長(zhǎng)軸所達(dá)到的加工要求也有了一定的限制，在加工難度不斷增加的同時(shí)，只有采取恰當(dāng)?shù)姆椒ú拍鼙ＷC和提高其加工精度，并防止彎曲變形情況的發(fā)生。以下是提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的一些方法［11］。

3．1 細(xì)長(zhǎng)軸的加工裝夾

細(xì)長(zhǎng)軸自身有重量重、長(zhǎng)度長(zhǎng)的特點(diǎn)，故在機(jī)床加工時(shí)導(dǎo)致其容易變形和有很差的剛性，在不斷變化的沖擊式離心力和切削力作用下，使細(xì)長(zhǎng)軸會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的振動(dòng)，這將導(dǎo)致加工系統(tǒng)所接觸的部位有接觸剛度和機(jī)械能的變化，包括裝夾部位等切削部位、軸的加工表面發(fā)生變化，且零件的形位誤差和加工誤差均超過了規(guī)定范圍。要解決該問題，就必須要對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸的毛坯進(jìn)行正確的裝夾。

一般對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行裝夾時(shí)，有兩種方式:①兩頂尖;②一夾一頂。因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)軸本身就具有一定重量，當(dāng)利用兩頂尖的方式進(jìn)行裝夾時(shí)，會(huì)由于自身重力而發(fā)生彎曲變形，而且當(dāng)進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)受到切削力的作用，有可能導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸的頂出和脫落。所以，在實(shí)際加工時(shí)，要選用一夾一頂式對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸的裝夾。

3．2 輔助支撐的選擇

一般細(xì)長(zhǎng)軸所采用較好的定位方式為一夾一頂?shù)姆绞剑@種裝卡方式會(huì)不能控制細(xì)長(zhǎng)軸由于熱變所引起伸長(zhǎng)量，而且因?yàn)榍邢髁Φ挠绊憣?duì)導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生徑向彎曲，所以需要利用一些輔助支撐工具(如，中心架和跟刀架等)來減小切削力造成的影響和提高細(xì)長(zhǎng)軸的剛性。當(dāng)精車細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，由于已切除毛坯上的非圓部分，故可以利用中間支承的方式來增加系統(tǒng)的切削剛性。

3．3 切削受力的改善方法

對(duì)于有比較高剛性的細(xì)長(zhǎng)軸而言，軸向切削力對(duì)其的影響并不大。我們知道，細(xì)長(zhǎng)軸在加工的過程中所受的影響因素很多，軸向力只是其中的一種，而軸向力可以頂彎剛性比較差的細(xì)長(zhǎng)軸。所以，車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，可以采用反向切削法，該方法是刀具從卡盤向尾座沿著車床導(dǎo)軌的反向進(jìn)行進(jìn)給，該方法不僅可以解決切削力頂彎細(xì)長(zhǎng)軸的問題，還可以減小切削力所造成的切削變形，同時(shí)，還可以提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度和效率。

4 結(jié)語

細(xì)長(zhǎng)軸的外形雖然比較簡(jiǎn)單，但因?yàn)槠涞拈L(zhǎng)徑比一般大于25，剛性比較差，很容易發(fā)生彎曲變形，在對(duì)其加工時(shí)，對(duì)加工工藝有很高的要求，但技術(shù)很難掌握，但影響細(xì)長(zhǎng)軸加工的因素很多，其中，很多因素對(duì)其加工精度有著直接或者間接的影響，所以分析和確定這些因素是十分主要的。筆者在對(duì)其彎曲變形的原因有一定了解的基礎(chǔ)上，提出了提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的方法(如，裝夾方式、輔助支撐的選擇、切削受力的改善方法等)。

眾所周知，細(xì)長(zhǎng)軸是以特定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度在一個(gè)移

利用Goodman-Smith疲勞極限圖對(duì)構(gòu)架的四個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行校核，校核結(jié)果如圖10所示，校核點(diǎn)的應(yīng)力全部位于包絡(luò)線內(nèi)部，滿足疲勞強(qiáng)度要求。

表5 構(gòu)架關(guān)鍵位置應(yīng)力情況 /MPa

圖10 構(gòu)架疲勞極限圖

5 結(jié)論

以某型動(dòng)車組構(gòu)架為研究對(duì)象，參考《暫規(guī)》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)構(gòu)架的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。

(1)在超常工況下，構(gòu)架的應(yīng)力小于材料的屈服極限，不會(huì)產(chǎn)生永久塑性變形。

(2)根據(jù)模擬運(yùn)營工況下計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果，對(duì)構(gòu)架的關(guān)鍵位置進(jìn)行了疲勞校核，校核點(diǎn)的應(yīng)力全部位于疲勞極限圖內(nèi)部，滿足疲勞強(qiáng)度要求。

［1］ 張曙光．高速列車設(shè)計(jì)方法研究［M］．北京:中國鐵道出版社2009．

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