車削細(xì)長(zhǎng)軸的對(duì)策研究

馬元普

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車削細(xì)長(zhǎng)軸的對(duì)策研究

馬元普

(青海省工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)械教研室，青海西寧810000)

[摘要]文章從細(xì)長(zhǎng)軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，分析了影響細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的因素，并針對(duì)產(chǎn)生誤差的根源，從裝夾方法、跟刀架、車削方式、車刀角度等方面提出改進(jìn)措施，從而滿足了加工要求，提高了生產(chǎn)效率。

[關(guān)鍵詞]細(xì)長(zhǎng)軸；加工精度；影響因素

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.02.058

“車工怕桿，鉗工怕眼”是大家都熟悉的口頭語(yǔ)，細(xì)長(zhǎng)軸工件長(zhǎng)徑比(L/D)較大(≥25)，剛性差，對(duì)于切削力、振動(dòng)和切削溫度十分敏感。車削加工時(shí)，很容易產(chǎn)生彎曲變形和振動(dòng)，從而影響加工精度，得不到準(zhǔn)確的幾何形狀精度和理想的表面質(zhì)量。尤其是加工絲桿和精車長(zhǎng)軸外圓，若不能提高其機(jī)械加工精度，將極大地影響產(chǎn)品質(zhì)量。

通過(guò)多年生產(chǎn)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)，筆者在這方面進(jìn)行了研究和探討。

1影響細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的因素

1.1切削力

在切削過(guò)程中，有大小相等、方向相反的力分別作用在刀具和工件上，這個(gè)在切削過(guò)程中產(chǎn)生的力，稱為切削力。切削力是怎樣產(chǎn)生的呢？原來(lái)切削時(shí)，在刀具的作用下，切削層金屬、切屑和工件表面層金屬都會(huì)產(chǎn)生彈性變形和塑性變形。又由于切削沿前刀面流出，故有摩擦力作用于前刀面。同時(shí)，又因刀具和工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，還有摩擦力作用于后刀面。所以，變形抗力和摩擦阻力形成了切削合力Fr。切削合力可以分解成3個(gè)互相垂直的力：切向力(主切削力)Fz，徑向力(切深抗力)Fy，軸向力(進(jìn)給抗力)Fx，如圖1所示。一般情況下，主切削力Fz最大，F(xiàn)y、Fx小一些，隨著刀具幾何參數(shù)，切削用量、刃磨質(zhì)量的不同，F(xiàn)y、Fx相對(duì)于Fz的比在很大范圍內(nèi)變化：

Fy=(0.15～0.7)Fz

Fx=(0.1～0.6)Fz

車削外圓時(shí)，F(xiàn)z是計(jì)算切削功率的重要依據(jù)。Fy雖不作功，但能使工件變形或造成振動(dòng)，對(duì)加工精度或已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖1　切削合力和分力

Fx作用在進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，用于設(shè)計(jì)或校核機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。由于細(xì)長(zhǎng)軸剛性很差，車削加工時(shí)，F(xiàn)y會(huì)使車刀同時(shí)在y、z方向產(chǎn)生變形，形成加工誤差，F(xiàn)x在軸向?qū)ぜa(chǎn)生作用，如果軸的兩端為固定支承，會(huì)將工件“壓彎”?？傊?，裝夾不當(dāng)，細(xì)長(zhǎng)軸很容易因切削力及重力作用而彎曲變形，產(chǎn)生振動(dòng)，特別是長(zhǎng)徑比較大時(shí)，自重力越大，這種彎曲變形和振動(dòng)就更為顯著，從而降低加工精度，造成表面粗糙。

1.2切削熱

車削時(shí)，由于切削熱的影響，工件隨溫度升高而逐漸伸長(zhǎng)變形，這就叫“熱變形”。工件熱變形伸長(zhǎng)量可按下式計(jì)算：

ΔL=αlLΔt

式中:ΔL——工件熱變形伸長(zhǎng)量(mm)；

αl——材料線脹系數(shù)(1/℃)；

L——工件的總長(zhǎng)；

Δt——工件升高的溫度(℃)。

CT檢查結(jié)果示：右腎占位(43 mm×32 mm)，建議行增強(qiáng)掃描；右腎結(jié)石，輕度脂肪肝；彩超檢查結(jié)果顯示：右腎低回聲包塊(43 mm×33 mm)，右腎結(jié)石，宮頸囊腫；磁共振檢查結(jié)果顯示：右腎含脂質(zhì)富血占位，考慮右腎透明細(xì)胞瘤可能(46 mm×34 mm)，左腎小囊腫，建議隨訪。

從上式可看出，在車削一般軸類時(shí)可不考慮熱變形伸長(zhǎng)問(wèn)題，但是車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，因?yàn)楣ぜL(zhǎng)(L長(zhǎng))，散熱性差(Δt高)，軸向尺寸在切削熱的作用下，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的膨脹，如果軸的兩端為固定支承，則會(huì)因受擠而彎曲變形。當(dāng)軸以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，這種彎曲所引起的離心力將進(jìn)一步加劇軸的變形與振動(dòng)。

此外，加工細(xì)長(zhǎng)軸一次進(jìn)給所需的時(shí)間長(zhǎng)，刀具磨損大，從而增加了工件的幾何形狀誤差。

由此可知，車削細(xì)長(zhǎng)軸對(duì)刀具、機(jī)床精度、輔助工具精度、切削用量的選擇、工藝安排與具體操作技能都應(yīng)有較高的要求，是一項(xiàng)工藝性較強(qiáng)的綜合技術(shù)。“車工怕桿”的原因也就在此。為消除和減少上述誤差，解決細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度問(wèn)題，在實(shí)踐工作中我們從提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率入手，總結(jié)了一套車削細(xì)長(zhǎng)軸的加工方法，并改進(jìn)了工藝裝備，保證了細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量。

2提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的措施

2.1校直

校直可使車削余量均勻，減少車削振動(dòng)，提高車削質(zhì)量。坯料校直后，要求在任意1000mm的長(zhǎng)度內(nèi)其直線度誤差不大于2mm，這可使切削后的表面殘余應(yīng)力保持較均勻，減少工件在使用中產(chǎn)生變形。

2.2調(diào)整尾座

使工件開始車削的一端外徑比另一端外徑大0.02mm～0.04mm，減少由于跟刀架爪腳或車刀磨擦所造成的錐形誤差。

(1)細(xì)長(zhǎng)軸加工往往采用一夾一頂安裝工件，用這種裝夾方法時(shí)，由于頂尖孔與卡爪基面往往不同軸，因而會(huì)形成裝夾過(guò)定位而使工件彎曲變形。所以工件不宜夾得過(guò)長(zhǎng)，一般在15mm左右，最好在毛坯的外圓上套上一個(gè)開口的φ4mm～φ5mm的鋼絲圈，再伸入卡盤用卡爪夾緊(鋼絲應(yīng)在卡爪凹槽的同一圓周位置上)，使毛坯與卡爪間成線接觸，起萬(wàn)向調(diào)節(jié)作用，從而避免了接觸面過(guò)大。如圖2所示。

圖2　毛坯裝夾與反向走車削示意

(2)在尾座上改用彈性回轉(zhuǎn)頂尖來(lái)適應(yīng)工件熱變形伸長(zhǎng)。

彈性頂尖的結(jié)構(gòu)見圖3。頂尖1用深溝球軸承2、滾針軸承5支承徑向力，推力球軸承4承受軸向推力。在深溝球軸承和推力球軸承之間，放置三片厚2.5mm的碟形彈簧3。當(dāng)工件變形伸長(zhǎng)時(shí)，工件推動(dòng)頂尖通過(guò)深溝球軸承，使碟形彈簧壓縮變形。生產(chǎn)實(shí)踐證明，用彈性回轉(zhuǎn)頂尖加工細(xì)長(zhǎng)軸，可有效地適應(yīng)工件熱變形伸長(zhǎng)，工件不易彎曲，車削可順利進(jìn)行。不過(guò)，頂尖頂住工件的松緊也要合理以既能隨工件轉(zhuǎn)動(dòng)，又能用右手食指和拇指捏停頂尖為宜。

圖3　彈性回轉(zhuǎn)頂尖

2.4跟刀架的改進(jìn)與正確使用

(1)快裝拆式三爪跟刀架。跟刀架是加工細(xì)長(zhǎng)軸極其重要的附件。夾角90度的三爪結(jié)構(gòu)比夾角105度的兩爪結(jié)構(gòu)，易平衡徑向切削力，支承均衡性好。跟刀架爪腳采用耐磨的球墨鑄鐵材料，在粗加工和半精加工時(shí)爪腳都要研磨，使其對(duì)工件有較大的接觸弧面，根據(jù)工件不同的直徑，多配幾套級(jí)數(shù)的爪腳，并做成快裝拆式，如圖4所示，可減少研磨時(shí)間。

圖4　快裝拆式跟刀架爪腳

(2)對(duì)跟刀架爪腳進(jìn)行預(yù)磨損。研磨時(shí)將跟刀架的爪腳支緊工件上車過(guò)的一段外圓(這段外圓要表面粗糙，長(zhǎng)度100毫米左右，其尺寸大小接近于加工所要求的尺寸而位置要盡量靠近卡盤)，由大拖板作縱向來(lái)回移動(dòng)，干磨跟刀架爪腳面(注意適時(shí)調(diào)整跟刀架爪腳，始終與工件接觸)。當(dāng)接觸面達(dá)65%左右，再加乳化液精磨，直到爪腳圓弧有80%～90%部位與工件表面吻合，以增大爪腳和工件的接觸面積，減少爪腳在車削中的磨損。

(3)車支撐處外圓的要求：直徑圓度好，光潔，不能有其他變形等缺陷，支撐處外圓的長(zhǎng)度一般比支撐爪長(zhǎng)15mm左右。支撐處外圓與毛坯外圓相交處，宜車一個(gè)40度左右的錐度(見圖2)，以使接刀時(shí)切削力逐步增加，不會(huì)受突然沖撞力造成讓刀和工件變形。

(4)跟刀架爪腳(寬度約為零件直徑的1～1.5倍)應(yīng)支于已加工表面，位于車刀后面0.5mm～2mm處，并逐步壓向工件，以手感無(wú)振為宜，并加油潤(rùn)滑。粗車時(shí)，應(yīng)將毛坯一次進(jìn)給車圓，以免影響跟刀架的正常工作。當(dāng)采用寬刃大進(jìn)給車刀精車時(shí)，爪腳可位于車刀的前面，以防工件精車過(guò)的表面出現(xiàn)劃痕，間距同上。

2.5采用反向進(jìn)給法

細(xì)長(zhǎng)軸用一夾一頂法裝夾時(shí)，若用正向進(jìn)給方式，則工件在軸向力Fx的作用下產(chǎn)生壓縮變形而彎曲。如采用反向進(jìn)給方法，此時(shí)Fx對(duì)工件的作用(卡盤至切削所在點(diǎn)的一段)是拉伸而不是壓縮，同時(shí)采用彈性的尾座頂尖，有效補(bǔ)償了刀具至尾座一段工件的受壓變形和熱伸長(zhǎng)，這樣就不至于將工件壓彎。反向進(jìn)給法適于中速粗車和大走刀低速精車，并具有適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)機(jī)床精度要求不高，加工效率較高等特點(diǎn)。

2.6選用合適的刀具角度和切削用量

粗車使用的刀具采用圖5所示的反偏刀，刀片材料為YT15硬質(zhì)合金，主偏角κr=75～90度，以減小徑向切削力Fy，從而減小Fy引起的振動(dòng)，前刀面上4mm～5mm斷屑槽，其目的也是減小切削力和切削溫度，防止工件的變形和振動(dòng)。

精車使用圖6所示的寬刃彈簧車刀，彈性刀桿有利于減振和避免扎刀。采用W18Cr4V高速鋼刀片，同時(shí)，刀刃要光滑平直，前角大，切削輕快，使切屑排出流暢，這樣可解決由于切削熱產(chǎn)生線膨脹和徑向力使工件彎曲的問(wèn)題。

刀具安裝時(shí)，粗加工和半精加工刀尖應(yīng)高于工件中心0.2mm～0.5mm，精加工刀尖應(yīng)高于工件中心0.1mm～0.2mm，這樣安裝不僅增大了工作前角，而且使主后刀面起到約束工件上下竄動(dòng)的作用，減少工件的低頻振動(dòng)。如用低速寬刃車刀精車時(shí)，刀尖應(yīng)等于或低于主軸中心。

切削用量的選擇：

粗車時(shí)，ap=1.5～3mm，f=0.3～0.5mm/r，v=25～35m/min，采用2%～3%乳化液充分冷卻。

精車時(shí)，ap=0.15～0.3mm，f=3～5mm/r，v=1.8m/min，采用30號(hào)機(jī)油充分冷卻。

需要強(qiáng)調(diào)的是，切削細(xì)長(zhǎng)軸必須加注切削液充分冷卻，以降低工件的溫度，減小熱變形。并且還可防止跟刀架爪腳拉毛工件，提高刀具的使用壽命和工件的加工質(zhì)量。

圖5　反偏刀

圖6　寬刃彈簧車刀

3實(shí)施效果

采用以上措施和精心操作，使細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度大大提高，如車削45鋼φ40Cp=CB×N×f1×f2×f3×…×fm×2000mm的細(xì)長(zhǎng)軸，圓度0.01mm,圓柱度0.04mm，直線度0.05mm，Ra0.8um～1.6um，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高效率4～6倍。

4結(jié)論

本文提出的加工方法，具有操作簡(jiǎn)單、成本低、加工精度高等特點(diǎn)，并且符合普通加工廠家的實(shí)際生產(chǎn)狀況，具有良好的應(yīng)用前景。

需要提出的是，由于細(xì)長(zhǎng)軸加工工藝系統(tǒng)復(fù)雜，稍有疏忽就可能出現(xiàn)問(wèn)題。在加工中，除了提供必要的工藝保證措施外，還應(yīng)隨時(shí)眼看、耳聽、手摸發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，不斷提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工工藝水平。

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[作者簡(jiǎn)介]馬元普(1976—)，男，漢族，青海樂都人，青海省工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)械教研室講師，碩士。研究方向：機(jī)電類的教學(xué)與研究。