高速電主軸拉桿車削加工工藝研究

李 婉 王 旭 彭石華

（1.廣東省高性能伺服系統(tǒng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

高速電主軸的拉桿是電主軸拉刀系統(tǒng)的核心零部件，通過油缸、活塞帶動(dòng)拉桿，完成高速電主軸的拉刀和松刀操作[1]。所以，拉桿的精度和尺寸決定了高速電主軸松、拉刀的位置精度，也決定了高速電主軸的拉刀機(jī)構(gòu)的精度和使用壽命。進(jìn)口拉桿價(jià)格昂貴，貨期時(shí)間長(zhǎng)，無法滿足當(dāng)前的使用需求，因此該零件的車削加工工藝一直是電主軸國(guó)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化的行業(yè)難題，制約著國(guó)產(chǎn)高速電主軸向高精方向發(fā)展。珠海格力電器股份有限公司結(jié)合現(xiàn)有加工資源，采用普通車床完成該零件的車削加工工藝，通過裝夾、切削參數(shù)和刀具的選擇和控制，取得了較好的加工效果。這里以某款電主軸的拉桿為例，闡述其加工方案，分析其在加工過程中遇到的問題，并探討相關(guān)的處理方法。

1 拉桿結(jié)構(gòu)

拉桿屬于細(xì)長(zhǎng)軸零件，長(zhǎng)徑比達(dá)20[2]。高精度軸類零件的車削加工一直是行業(yè)內(nèi)的加工難點(diǎn)，而拉桿作為高速電主軸拉刀系統(tǒng)的重要零件，加工難度更大。

2 拉桿車削出現(xiàn)的問題

2.1 異常狀況

公司某款拉桿結(jié)構(gòu)如圖1所示，中部位置30 mm，左端最細(xì)位置為23 mm，總長(zhǎng)460 mm。要求拉桿的同軸度在0.02 mm以內(nèi)。拉桿在車削加工過程中發(fā)生彎曲變形，不滿足使用要求。

圖1 拉桿結(jié)構(gòu)

2.2 原因分析及解決方案

2.2.1 裝夾問題

拉桿由于自身結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛性差，在車削加工過程中易發(fā)生彎曲變形。當(dāng)使用雙頂尖方式裝夾時(shí)，軸向位置固定，受車削力影響造成零件彎曲，且各軸段彎曲變形導(dǎo)致軸段切削過程中加工量不一致，所以軸段切削不均勻[1]。使用一夾一頂裝夾方式，可以通過調(diào)整三爪夾持拉桿的位置提高拉桿裝夾的同軸度。另一端頂尖使用活動(dòng)頂尖，在拉桿受力變形時(shí)，活動(dòng)頂尖可以釋放一部分彎曲變形的應(yīng)力，保證拉桿的裝夾精度。經(jīng)驗(yàn)證，一夾一頂裝夾方式加工出來的零件質(zhì)量較好。在掉頭加工另一端時(shí)，通過打表確認(rèn)裝夾精度。

2.2.2 切削力導(dǎo)致變形

連續(xù)車削加工過程中，由于零件自身結(jié)構(gòu)發(fā)生持續(xù)振動(dòng)，切削力使被加工位置的拉桿軸段產(chǎn)生彎曲變形，影響表面加工質(zhì)量和加工精度[3]。此過程是持續(xù)變化的，遠(yuǎn)離支撐位置變形量大，靠近支撐位置變形量小。由于各軸段變形量不一致，導(dǎo)致車削后同軸度變大。根據(jù)車削切削力的經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)際加工中調(diào)整的車削參數(shù)，產(chǎn)生的切削力如下：

根據(jù)切削用量簡(jiǎn)明手冊(cè)（第3版）、機(jī)械制造基礎(chǔ)以及實(shí)際加工的切削參數(shù)，確定了車削的切削力在359.07 N左右。拉桿在切削過程中受到切削力作用導(dǎo)致變形，從而影響整體的同軸度。由于使用的是高速鋼刀具，根據(jù)切削力的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通過改變背吃刀量和進(jìn)給量可有效控制切削力，建議優(yōu)選較大的背吃刀量[4]。例如，拉桿結(jié)構(gòu)的剛性較差，選取較大的主偏角可防止車削過程中振動(dòng)過大，從而提高零件的加工精度。因此，可根據(jù)實(shí)際加工情況，適當(dāng)調(diào)整切削參數(shù)。為得到較高的加工質(zhì)量和加工效率，一般在粗加工中使用大進(jìn)給量，在精加工中通過降低進(jìn)給轉(zhuǎn)速得到較小的變形量和較好的表面粗糙度。

2.2.3 切削熱導(dǎo)致變形

拉桿加工切削熱主要來源于切削時(shí)與前刀面、工件與后刀面間產(chǎn)生的摩擦熱[5]。當(dāng)切削速度增大時(shí)，車刀前刀面對(duì)切削位置產(chǎn)生的摩擦熱來不及向切削鐵屑或者其他途徑傳遞，會(huì)全部積累在切削位置，造成切削位置溫度升高而出現(xiàn)變形。

單位時(shí)間1 s產(chǎn)生的切削熱Qc=Fcvc。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，車床冷卻水流量為1.6 L·min-1。暫定單位冷卻水全部用于拉桿車削冷卻，且冷卻水溫度無變化，其余熱量全部作用于拉桿。根據(jù)式（4），可計(jì)算出拉桿的切削熱變形量[6]。為保證同軸度為0.02 mm，需保證拉桿受切削熱影響的溫度變化在22.56 ℃以內(nèi)。切削液冷卻充分，可以帶走切削加工過程中產(chǎn)生的大量熱，最大限度避免產(chǎn)生切削問題，降低切削熱導(dǎo)致的變形，同時(shí)延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

3 拉桿車削尺寸的控制方法

3.1 異常情況

在軸段車削過程中，各位置尺寸不盡相同。兩端尺寸變化不大，但軸段中間尺寸偏大，呈紡錘型。若將軸段中間尺寸加工到位，則兩端尺寸會(huì)偏小或出現(xiàn)臺(tái)階，不滿足圖紙要求。

3.2 原因分析

拉桿在車削過程中受切削力作用產(chǎn)生彎曲變形，現(xiàn)將車削力簡(jiǎn)化為合力，通過確認(rèn)最大變形位置分析最佳加工方式。由圖2建立簡(jiǎn)化模型，根據(jù)式（5）計(jì)算彎曲變形最大值wmax。通過計(jì)算可得出，D點(diǎn)即拉桿中點(diǎn)位置為變形量最大位置[7]。

圖2 拉桿受力簡(jiǎn)化圖

如圖3所示，通過切削力的仿真分析發(fā)現(xiàn)，在切削力作用下，拉桿中點(diǎn)位置可產(chǎn)生0.094 mm的變形量，遠(yuǎn)超零件要求的同軸度。車削中間位置時(shí)，拉桿自身發(fā)生彈性形變產(chǎn)生讓刀，導(dǎo)致中間位置尺寸變大。拉桿兩端由于夾持固定，拉桿自身發(fā)生的彈性變形較小。所以，越靠近兩端的軸段，實(shí)際車削尺寸與理論加工尺寸差別越小。在連續(xù)車削加工過程中，尤其是多段軸段車削中，各軸段由于彈性變形量不同，加工出來的各軸段直徑尺寸不同[8]。

圖3 拉桿受力仿真圖

3.3 處理方法

拉桿在車削過程中由于自身剛性較差，與車刀相互作用時(shí)發(fā)生彈性避讓，導(dǎo)致車削后實(shí)際加工尺寸與理論加工尺寸不一致。所以，在車削過程中，除裝夾外，車削中間位置細(xì)軸段時(shí)還需增加中心架和支撐位，降低零件與車刀的彈性避讓，保證實(shí)際加工尺寸與理論加工尺寸一致。建議采用分段多次加工，使拉桿受力均勻，防止由于切削力而產(chǎn)生彎曲變形[9]。在粗車過程中，零件發(fā)生明顯的彎曲變形，需將零件進(jìn)行校正，然后再進(jìn)行車削，防止車削后零件整體發(fā)生變形。下機(jī)前注意反復(fù)打表確認(rèn)拉桿的同軸度和尺寸公差，防止下機(jī)后零件發(fā)生彈性形變。注意在零件放置過程中保持豎直放置，防止由于自身重力產(chǎn)生形變而影響后續(xù)裝配精度。在切削過程中應(yīng)控制轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，使用調(diào)整后參數(shù)，拉桿最大變形量控制在0.02 mm以內(nèi)。轉(zhuǎn)速太高或太低均會(huì)影響拉桿精度和尺寸，建議工件進(jìn)給速度為0.2 mm·r-1，轉(zhuǎn)速為220 r·min-1。工件轉(zhuǎn)速對(duì)拉桿精度和尺寸影響較小，需要嚴(yán)格控制進(jìn)給量。

4 結(jié)語

目前國(guó)內(nèi)的高速電主軸蓬勃發(fā)展并逐步進(jìn)入量產(chǎn)階段，但其高端市場(chǎng)仍被國(guó)外品牌壟斷。電主軸高精密核心零部件工藝開發(fā)對(duì)于高精密級(jí)電主軸尤為重要。高精度零件的加工需要注意各個(gè)工序的關(guān)鍵點(diǎn)控制，才可以保證加工的一致性和穩(wěn)定性[10]，尤其是進(jìn)行小批量或者批量生產(chǎn)時(shí)，更要嚴(yán)格把握加工控制點(diǎn)。本文介紹了電主軸拉桿試制過程中異常情況的原因以及處理方法，如精度控制和尺寸控制等，還有其他一些異?，F(xiàn)場(chǎng)及異常原因。在生產(chǎn)中要根據(jù)實(shí)際情況多方面調(diào)查、處理，或者通過變更工藝方法、定位方案等達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求。