細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工關(guān)鍵技術(shù)探討

姚小強(qiáng)

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊市 830047）

0 引言

細(xì)長(zhǎng)軸是指長(zhǎng)度與直徑之比大于20的軸。由于其長(zhǎng)徑比大,剛度低等原因，是典型的機(jī)加工難題之一；在機(jī)加工過(guò)程中受到切削力與切削熱的影響下容易產(chǎn)生彎曲和振動(dòng)的現(xiàn)象。腰鼓形、竹節(jié)形、多棱形和錐度過(guò)大等幾何誤差是細(xì)長(zhǎng)軸加工的典型形式［1］。為解決以上問(wèn)題，專(zhuān)家學(xué)者們?cè)诟鞣矫孢M(jìn)行了相關(guān)研究，從裝夾輔助裝置、誤差補(bǔ)償技術(shù)、改變工件受力方式以及刀具幾何參數(shù)和切削用量等多個(gè)方面提出了解決細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 細(xì)長(zhǎng)軸加工誤差常見(jiàn)類(lèi)型及其原因分析

在細(xì)長(zhǎng)軸加工中，常常出現(xiàn)腰鼓形、竹節(jié)形、多棱形和錐度過(guò)大等尺寸誤差（如圖1—2所示）。尺寸誤差的原因主要有工藝系統(tǒng)熱變形、工藝系統(tǒng)受力變形、機(jī)床原始誤差及振動(dòng)誤差、機(jī)床控制系統(tǒng)誤差及磨損等。國(guó)外學(xué)者Liu［2］在研究中提出在切削力作用下工藝系統(tǒng)受力變形的尺寸誤差在100μm左右，而由熱變形、磨損和機(jī)床的幾何誤差僅僅10μm，工藝系統(tǒng)受力變形是尺寸誤差的關(guān)鍵因素。由于細(xì)長(zhǎng)軸本身的特性，剛度比普通軸要低很多。彎曲變形誤差更為顯著。下面對(duì)常見(jiàn)的幾種誤差類(lèi)型做簡(jiǎn)要分析。

1.1 腰鼓形幾何誤差

腰鼓形幾何誤差主要是由工件剛度低，抗彎曲能力差導(dǎo)致的。由于長(zhǎng)徑比較大導(dǎo)致了工件剛性差，抗彎能力差，徑向剛度低，不僅因?yàn)樽灾嘏c離心力產(chǎn)生下垂，更重要是在加工過(guò)程中由于切削力的作用，極易產(chǎn)生彎曲情況。同時(shí)，車(chē)削加工產(chǎn)生的切削熱，會(huì)產(chǎn)生工件的熱伸長(zhǎng)。由于在切削過(guò)程，卡中盤(pán)和尾架頂尖都是固定不動(dòng)的，加工件兩端的距離也是固定不變的。這樣細(xì)長(zhǎng)軸受熱后的軸向伸長(zhǎng)量受到限制，細(xì)長(zhǎng)軸兩端擠壓從而導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲變形。

1.2 竹節(jié)形和多棱形幾何誤差

竹節(jié)形幾何誤差和多棱形幾何誤差主要是由加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削振動(dòng)導(dǎo)致的。在加工過(guò)程中，工件與切削刃之間不僅存在基本的切削運(yùn)動(dòng)，而且產(chǎn)生周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從而加工系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。在切削系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的時(shí)候，切削力、切削角度和切削截面等參數(shù)都會(huì)隨著系統(tǒng)發(fā)生周期性變化從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷。在這種動(dòng)態(tài)載荷作用下，使加工出的細(xì)長(zhǎng)軸表面出現(xiàn)振紋。

1.3 錐度過(guò)大

錐度過(guò)大的幾何誤差主要是由于刀具磨損大形成的。由于細(xì)長(zhǎng)軸長(zhǎng)徑比較大，在車(chē)削加工過(guò)程中軸向尺寸加大，同時(shí)進(jìn)給量較小，從而使得在加工工程中走刀的時(shí)間長(zhǎng)，刀具磨損加劇，進(jìn)而產(chǎn)生錐度。

圖1 腰鼓形幾何誤差

圖2 竹節(jié)形幾何誤差和多棱形幾何誤差

2 細(xì)長(zhǎng)軸加工工藝改進(jìn)現(xiàn)狀

2.1 裝夾輔助裝置

由于細(xì)長(zhǎng)軸的長(zhǎng)經(jīng)比大、剛度低，在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生彎曲和振動(dòng)，進(jìn)而影響工件的尺寸精度和形位精度。對(duì)此，許多學(xué)者對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件的加工輔助裝置進(jìn)行了研究。

中心架是用來(lái)增加工件剛度的常用方法，但在工件上裝中心架之前，必須在毛坯中部撤出一個(gè)溝槽用來(lái)支撐中心架的支撐爪。邱炎兒［3］提出了與過(guò)度套筒配和使用的方法，該方法能針對(duì)中心架溝槽加工困難或者中段不需加工的情況。并且提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量和效率；王志民等［4］還設(shè)計(jì)出定心準(zhǔn)確、調(diào)整迅速、適用性強(qiáng)的新型自定心中心架。

對(duì)于無(wú)須或者不適宜掉頭車(chē)削的細(xì)長(zhǎng)軸，采用跟刀架來(lái)提高剛度。李曉舟等［5］研究了磁力跟刀架，實(shí)現(xiàn)了非接觸式支撐，克服傳統(tǒng)跟刀架由于接觸面壓力大，產(chǎn)生較大摩擦力從而可能劃傷工件表面的現(xiàn)象，有針對(duì)性的產(chǎn)生不同的磁力來(lái)抵消切削力引起的工件變形，并取得了良好的效果。

此外，有學(xué)者提出在細(xì)長(zhǎng)軸的左端外圓上套上鋼絲圈，尾座頂尖改用有彈簧自動(dòng)伸縮的活頂尖來(lái)避免工件彎曲變形［6］；潘遜［7］提出在刀尖方向一定范圍內(nèi)安裝一個(gè)彈簧滾輪結(jié)構(gòu)的消振器固定在跟刀架上，消除振動(dòng)。毛江峰等［8］針對(duì)超細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件的加工設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)用的旋風(fēng)刀盤(pán)及定心夾頭，實(shí)現(xiàn)了車(chē)刀旋轉(zhuǎn),工件進(jìn)給的加工方式，通過(guò)實(shí)踐表明該裝置能有效保證細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量。

2.2 改變工件的受力方式

在傳統(tǒng)的“雙頂尖”及“卡夾”裝夾方式下，刀具切削力與其他輔助裝置在車(chē)削過(guò)程中構(gòu)成了力學(xué)模型,當(dāng)改變工件受力方式時(shí)能夠很好地解決細(xì)長(zhǎng)軸加工精度問(wèn)題，基于此，許多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。

武文革等［9］在兩種不同裝夾條件下進(jìn)行了正逆向切削的工件變形力學(xué)分析。結(jié)果表明同等條件下逆向車(chē)削法具有較高的加工精度。戴海港和鄧志平等［10-11］分別提出針對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削的“分段雙刀法”和“對(duì)稱(chēng)雙刀法”，有效地解決了彎曲變形的問(wèn)題，顯著地提高了零件加工表面質(zhì)量和幾何形狀精度。戴海港等［12］提出三刀法的切削方案，并且取得了較好的效果。盧曉艷［13］設(shè)計(jì)了水射流輔助支撐新的加工方法。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法能夠有效地提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度。

此外，采用“拉夾法”車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸也能提高工件加工精度。一端用卡盤(pán)夾緊，另一端拉緊裝置。由于軸向拉力使得彎曲程度減少，從而提升了細(xì)長(zhǎng)軸的剛性和加工精度。同時(shí)抵消了切削熱導(dǎo)致的線(xiàn)膨脹伸長(zhǎng)、消除了徑向顫動(dòng)，提高切削穩(wěn)定性。多種不同結(jié)構(gòu)的拉夾裝置被設(shè)計(jì)并應(yīng)用于細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工［14-15］。

2.3 誤差補(bǔ)償技術(shù)

隨著制造的精密化和小型化，對(duì)機(jī)加工的精度要求越來(lái)越高，然而由于技術(shù)和成本的原因，單純靠提高機(jī)床本身精度的難度越來(lái)越大，誤差補(bǔ)償技術(shù)變得愈發(fā)重要。

郭建亮等［16］與胡月明［17］分別對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究，都運(yùn)用接觸式傳感器對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。建立誤差模型，分別通過(guò)控制背吃刀量和控制跟刀架的移動(dòng)的方式來(lái)達(dá)到提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的目的。李桂華等［18］分別建立了受力以及受熱變形的誤差模型，通過(guò)誤差補(bǔ)償技術(shù)對(duì)切削用量進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其具有良好的效果；崔伯第等［19］建立了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工誤差實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)給量、工件長(zhǎng)徑比、背吃刀量、進(jìn)給力和切削點(diǎn)位置構(gòu)成了一個(gè)最佳輸入?yún)?shù)組合，對(duì)尺寸誤差在線(xiàn)補(bǔ)償提供依據(jù)；Wu等［20］對(duì)機(jī)加工過(guò)程中的熱誤差變形進(jìn)行了分析，利用智能算法建立熱誤差變形模型，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，該方法對(duì)熱誤差引起的誤差具有較好效果；也有很多學(xué)者通過(guò)有限元對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行加工仿真分析，然后再運(yùn)用單片機(jī)、PID等不同方式對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸的加工進(jìn)行在線(xiàn)補(bǔ)償［21］。

2.4 刀具幾何參數(shù)和切削用量

在實(shí)際的機(jī)加工過(guò)程中，刀具幾何參數(shù)和切削用量是性?xún)r(jià)比較高的一種提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度方法。目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)其的研究也日臻完善。但對(duì)于特定材料工件的細(xì)長(zhǎng)軸刀具幾何參數(shù)和切削用量研究較少。周道［22］設(shè)計(jì)了一種細(xì)長(zhǎng)軸多刃車(chē)刀。其由主切削刃和修光刃組成并各有一條卷屑槽，提高了加工質(zhì)量和效率。孫志忠等［23］的研究表明，采用負(fù)倒棱的車(chē)刀，大大提高了工件質(zhì)量。

針對(duì)切削用量，周宇［24］分析研究了細(xì)長(zhǎng)軸的加工特性，并分析了刀具刃傾角以及刀具前角對(duì)徑向力的影響，最終選出了最佳的刀具幾何參數(shù)。尚翠平［25］探討了細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工中車(chē)刀主要幾何參數(shù)的選擇、切削用量三要素的選擇，以及車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸經(jīng)常遇到的問(wèn)題和優(yōu)化措施。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)裝夾輔助裝置、誤差補(bǔ)償技術(shù)、改變工件受力方式以及刀具幾何參數(shù)和切削用量等方面取得了一系列的研究進(jìn)展。但是隨著新材料、新工藝以及精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)特定材料以及微細(xì)尺度的細(xì)長(zhǎng)軸的需求越來(lái)越高。本人認(rèn)為以下內(nèi)容值得深入研究。

（1）針對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸易于產(chǎn)生振動(dòng)和彎曲的特點(diǎn)，研制各種直接或間接抑制振動(dòng)裝置和設(shè)備。

（2）隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展、算法的日益精確以及多元化模擬手段的產(chǎn)生，建立更加精確的誤差模型，實(shí)現(xiàn)誤差的在線(xiàn)檢測(cè)與補(bǔ)償。

（3）研制基于新材料、新工藝的專(zhuān)用刀具，提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度。