細(xì)長軸切削加工技術(shù)分析

遲 清

（濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250002）

作為軸類零件，細(xì)長軸工件在不同機(jī)械中均有著普遍運用，其存在剛性差的問題，所以在開展細(xì)長軸切削加工處理時，切削震動、外力導(dǎo)致彎曲變形、道具磨損和工件熱伸長等是幾大關(guān)鍵質(zhì)量影響因素。正因為剛性差、長徑比大是細(xì)長軸零件的顯著特點，所以受重力和切削力的綜合作用，工件會出現(xiàn)彎曲變形的狀況，在加工后會呈紡錘形，且在實際加工時也會因為外力而出現(xiàn)震動狀況，使工件表面質(zhì)量大大降低。因為細(xì)長軸的軸向尺寸較大，會使一次走刀時間延長，從而存在磨損刀具問題，也可能會致使軸向的工件形成錐度。此外如果沒有合理地選取夾緊方式，受切削力的影響會出現(xiàn)熱變形狀況，進(jìn)而形成附加力，同樣會壓彎工件，無法達(dá)到理想的工件加工質(zhì)量。對此，在實踐工程開展時，需要通過調(diào)整工件夾緊定位、變換切削方式削弱影響力、優(yōu)化切削參數(shù)或誤差補償?shù)却胧?，有效提高?xì)長軸零件加工質(zhì)量。

1 夾緊方式

在細(xì)長軸切削加工過程中，主要會應(yīng)用一夾一頂、兩端頂及一夾一拉三種夾緊方式。其中一夾一頂方式具有良好的夾持剛性，需要分別利用卡盤、頂尖進(jìn)行夾緊和支撐，容易出現(xiàn)熱伸長尾臺鎖死導(dǎo)致無法釋放應(yīng)力的狀況，從而增大工件軸向壓力，出現(xiàn)工件彎曲的后果。在該夾緊方式的豎直平面力學(xué)簡化模型中，進(jìn)給力、主切削力分別為Ff、Fp，頂尖的頂緊力為F2，刀尖和工件接觸位置為C，具體詳見下圖1。

圖1 一夾一頂夾持方案的力學(xué)模型（以正向加工為例）

如圖所示，細(xì)長軸的裝夾方式是超靜定結(jié)構(gòu)，需要準(zhǔn)確保持尾臺、主軸的高度一致，避免形成附加力。在細(xì)長軸實際切削加工時，通常會將鋼絲圈設(shè)置在工件、卡爪間，降低卡爪、工件二者的接觸面，憑借兩端鉸支的支撐作用，能夠?qū)η邢髁M(jìn)行抵抗，使接觸摩擦力發(fā)揮主要作用，這種夾緊方式尤其適用于切削力不大，且細(xì)長軸工件剛性較好的條件。若存在較大的熱伸長量的情況下，則需要對尾臺頂尖進(jìn)行調(diào)整，轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥皂敿猓瑥亩档蜔嵘扉L所導(dǎo)致的變形問題。實際操作過程中都會將工件、頂尖緊密連結(jié)起來，選取最佳彈性元件，以此來降低切削力所導(dǎo)致的工件軸向運動，提高工件加工質(zhì)量。

兩端頂?shù)膴A緊方式需要進(jìn)行兩端鉸支，同一夾一頂夾持方案相比，夾持剛性較弱。在兩端頂?shù)呢Q直平面力學(xué)簡化模型中，進(jìn)給力、主切削力分別為Ff、Fp，頂尖的頂緊力為F2，刀尖和工件接觸位置為C，具體詳見下圖2。

圖2 兩端頂尖夾持方案的力學(xué)模型（以正向加工為例）

一夾一拉這種夾持方案要求應(yīng)用專門軸向拉緊裝置，在應(yīng)用過程中需要提前準(zhǔn)確預(yù)估工件熱伸長，如果預(yù)拉伸量過大或過小，會損傷設(shè)備零件或?qū)е聼嵘扉L影響大的后果。該夾緊技術(shù)需要一端借助卡盤定心來夾緊，另一端則通過拉緊裝置、卡盤來預(yù)先拉伸細(xì)長軸，以此來有效降低加工時的熱伸長影響，對加工細(xì)長軸零件非常適用。該夾持方式對零件受力方向進(jìn)行了調(diào)整，使拉緊裝置的預(yù)拉力替代頂尖壓力，由此降低了工件變形、熱伸長所導(dǎo)致附加力等狀況，對于細(xì)長軸零件加工非常適用。在運用的過程中，應(yīng)精確估測工件的熱伸長，若預(yù)拉伸量較小，則不能降低熱伸長的干擾；反之若預(yù)拉伸量較大，則會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致?lián)p傷設(shè)備零件的后果。

2 切削方式

在對細(xì)長軸工件進(jìn)行切削加工的過程中，一般采用的是正向加工方式，進(jìn)給力Ff在作用的過程中，工件會出現(xiàn)失穩(wěn)、彎曲問題，造成切削震動、加工超差的狀況。所以在實踐加工時，會選取沿主軸到尾臺端的走刀方向，這種切削方式為反向加工，這樣能夠使切削力的軸向分力得到削弱，降低工件受給進(jìn)力的干擾。

實際零件加工時，都會利用對稱車削的工藝方式來降低切削力影響，具體操作需要于細(xì)長軸零件兩側(cè)，對正、反兩把車刀進(jìn)行安裝，均按照軸向給進(jìn)，車刀徑向切削力、主切削力兩個相反方向的作用力會相互抵消，從而有效避免了工件受力損傷，減少了零件變形問題的發(fā)生。

部分學(xué)者也指出可以采用雙刀細(xì)長軸切削工藝，即將兩把車刀安裝在相同一側(cè)，對工件進(jìn)行分段處理，使細(xì)長軸長徑比降低，也能夠使工藝系統(tǒng)剛性得到提升，但是需要技術(shù)人員擁有較高的專業(yè)能力，能夠準(zhǔn)確調(diào)控車道位置。基于工藝系統(tǒng)剛性層面進(jìn)行分析，在處理工件變形問題時，可以采用中心架、刀架等輔助支撐結(jié)構(gòu)，找準(zhǔn)支撐結(jié)構(gòu)同工件的接觸位置、支撐點，這樣才能夠起到減少變形的作用。

3 調(diào)整切削參數(shù)及刀具角度

加工細(xì)長軸工件的過程中，技術(shù)人員還需要對切削參數(shù)、刀具幾何角度進(jìn)行調(diào)控，保障加工效率和水平。通常切削深度較小，進(jìn)給量較低，且切削速度較快的情況下，能夠有效降低切削力。然而切削深度較小、進(jìn)給量較低時也有可能會導(dǎo)致細(xì)長軸加工效率不高，但是若切削速度加快，則會產(chǎn)生離心力，所以還要嚴(yán)格控制切削速度。細(xì)長軸切削力會受到刃傾角、主偏角、前角的影響，所以還需要按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來科學(xué)選擇刀具結(jié)合角度。

4 誤差補償

在消除加工變形這一問題上，眾多學(xué)者開展了深入的研究，因為不能從原理角度上消除加工變形問題，所以在實際加工過程中需要對不同方式和手段進(jìn)行整合，一定程度上緩解切削力、熱伸長引發(fā)的變形問題，保障細(xì)長軸加工質(zhì)量。然而這對技術(shù)操作人員有著較高的要求，所以實際加工難度較大，細(xì)長軸零件加工效率還有待提升。國內(nèi)研究人員指出可以借助誤差補償?shù)姆绞絹斫档图?xì)長軸零件加工變形影響，在研究中結(jié)合細(xì)長軸變形規(guī)律、特征，可以對變形力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建，預(yù)先判定零件變形量，以此為依據(jù)來調(diào)整進(jìn)刀量，最大限度降低工件變形狀況，使加工質(zhì)量得到改善。

在誤差補償研究上，部分研究人員深入探究了刀架作用機(jī)理，對細(xì)長軸切削系統(tǒng)模型進(jìn)行構(gòu)建，開展相關(guān)仿真實驗，通過實踐研究來保障加工效率；一些學(xué)者研究基于切削力測量理論，深入探究了細(xì)長軸加工誤差的在線補償措施；也有研究人員分析了細(xì)長軸切削加工震動和補償，指出工件材料、形狀、熱處理、夾緊方式、工藝系統(tǒng)等多種不同因素均會影響細(xì)長軸加工變形和切削震動，所以非常有必要對準(zhǔn)確的力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建，但這在實施過程中存在一定難度，還有待進(jìn)一步研究和分析。

5 切剝加工工藝規(guī)劃方案要點

5.1 明確中心位置，鉆中心孔

針對細(xì)長軸零件開展切削加工操作的過程中，可以選用最普遍的基準(zhǔn)——中心孔，明確中心位置，為后續(xù)工序的有序開展奠定基礎(chǔ)。采用鉆中心孔的方式，可以有效控制工序余量，有效解決零件不平衡量及頂尖應(yīng)用問題，可以保證零件加工精度。

應(yīng)對機(jī)床主軸、夾具定位二者的位置關(guān)系進(jìn)行精確地調(diào)節(jié)，確保刀具、細(xì)長軸零件位置的合理性，在此基礎(chǔ)上確定零件支撐軸徑的幾何中心，打出中心孔。對于待加工的細(xì)長軸坯件，可以利用三爪卡盤進(jìn)行夾持，以免卡爪同坯件的毛刺邊緣相接觸，減少機(jī)床主軸中心線、坯件幾何中心不統(tǒng)一狀況的發(fā)生。細(xì)長軸坯件也要合理控制主軸的伸長長度，要按照直徑方向讓刀具開展切削處理，完成車刀平毛坯端面處理任務(wù)。如果主軸伸長長度較大，很可能引發(fā)坯件震動而損傷刀尖的現(xiàn)象，也會因為磨損發(fā)熱縮短刀具使用時間，降低了斷面加工質(zhì)量。結(jié)束平斷面操作之后，細(xì)長軸零件應(yīng)將主軸伸長長度控制在5 mm到10 mm的范圍內(nèi)，并借助尾座中心鉆對中心孔進(jìn)行鉆削，在縮短伸出長度時能夠有效提高加工穩(wěn)定性。

5.2 軟爪夾持已加工表面

通過三爪卡盤對細(xì)長軸工件進(jìn)行夾持，會對已加工零件造成一定程度的損傷，出現(xiàn)變形的狀況，同時引發(fā)無法確保零件同軸度和定位不精確等一系列的問題。這就需要用軟爪替代三抓卡盤的硬爪，進(jìn)一步修正軟爪夾持面。因為軟爪所應(yīng)用的材質(zhì)相對較軟，所以不會對所夾持的細(xì)長軸工件避免產(chǎn)生損傷，還對軟爪的形狀、直徑進(jìn)行調(diào)整，從而更好地滿足零件不同的加工及設(shè)計需求。軟爪夾持已加工表面這一改進(jìn)可以有效減輕在零件表面形成的局部壓強(qiáng)，避免變形狀況的出現(xiàn)，使零件定位精確性、裝夾穩(wěn)定程度得到了有效保障。由于一些細(xì)長軸零件還可能進(jìn)行二次裝夾住加工，而應(yīng)用軟爪就不會出現(xiàn)形位公差狀況，無需耗費大量的時間來進(jìn)行校正，使加工效率得到了顯著改善。

5.3 冷卻液的運用

在細(xì)長軸零件加工時，還會應(yīng)用到冷卻液，不僅可以起到冷卻效果，還具有潤滑作用。應(yīng)在前面放置能夠開啟冷卻液的代碼指令，在系統(tǒng)完成冷卻液噴出操作后執(zhí)行切削操作。完成零件加工后，也要在前面放置關(guān)閉冷卻液的代碼指令，使工件能夠得到良好的冷卻處理。合理運用冷卻液，能夠有效對環(huán)境溫度進(jìn)行降低，在切削加工后還有利于更準(zhǔn)確地測量尺寸，減少了測量誤差。

6 結(jié)語

在進(jìn)一步提升細(xì)長軸零件加工質(zhì)量的過程中，必須要持續(xù)改進(jìn)、優(yōu)化細(xì)長軸切削加工技術(shù)，增強(qiáng)加工效率及精確度。加工技術(shù)人員需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)開展作業(yè)，優(yōu)化選取夾緊方式、切削方式，并控制好設(shè)備參數(shù)，合理的設(shè)置刀具幾何角度，將切削進(jìn)度控制在合理范圍內(nèi)，以此來改善加工精度，使細(xì)長軸工件加工質(zhì)量得到保障。