細(xì)長拉刀加工過程的優(yōu)化

王章琴

（貴州華工精密工具智造有限公司，貴州 貴陽 550025）

0 引言

拉刀是汽車、工程機(jī)械、風(fēng)機(jī)、航空航天等領(lǐng)域中不可缺少的一種切削刀具，拉刀屬于成形刀具，一次拉削成活，要保證形狀精度和表面質(zhì)量。而細(xì)長拉刀多用于加工直徑不大而較長的工件。細(xì)長拉刀具備剛性差、變形大的特性，在設(shè)計、加工、運(yùn)輸過程中都存在極大的困難。細(xì)長拉刀在加工中存在疵病較多，如跳動、彎曲、產(chǎn)生竹節(jié)、波紋、錐度、斷裂及變形等[1]。所以在加工時裝夾、進(jìn)刀量、旋轉(zhuǎn)力、夾持力及砂輪選取等都有嚴(yán)格要求，不僅設(shè)備要求高，而且對操作者的要求更高，用以往的加工方式是不能滿足此類拉刀的生產(chǎn)加工，但此類拉刀在市場上占有一定的比例。查閱了大量的文獻(xiàn)，未見有相關(guān)報道，因此，筆者嘗試制做。由于此類拉刀從選材料、設(shè)計參數(shù)、每道工序的加工方式都要求思路清晰，因此，經(jīng)過反復(fù)試制證明了生產(chǎn)出來的細(xì)長拉刀可以避免產(chǎn)生竹節(jié)、波紋、錐度、彎曲、圓度及圓柱度等現(xiàn)象，滿足拉刀技術(shù)條件精度及表面質(zhì)量的要求，為市場帶來經(jīng)濟(jì)效益。在車工序及磨工序做了加工方式的優(yōu)化，主要在裝掐、車削方式、磨削方式、進(jìn)刀量、支承方式、旋轉(zhuǎn)力、砂輪選取等方面做優(yōu)化改進(jìn)[2]。

1 細(xì)長拉刀車削難加工特點(diǎn)

1.1 細(xì)長拉刀剛性差

細(xì)長的拉刀剛性很差，由于自重下垂，高速旋轉(zhuǎn)時的離心力、車削時的切削力易使其產(chǎn)生彎曲變形[3]。車削時因裝夾不當(dāng)，很容易因切削力及重力的作用而發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生振動，從而影響表面粗糙度和加工精度。

1.2 細(xì)長拉刀散熱性差

細(xì)長拉刀熱擴(kuò)散性差、在車削熱作用下，會產(chǎn)生相當(dāng)?shù)木€膨脹，如果拉刀的兩端支承不當(dāng)，則拉刀會因伸長而頂彎變形。

1.3 細(xì)長拉刀幾何形狀

由于拉刀較長，一次走刀時間較長，刀具磨損較大，從而影響拉刀的幾何形狀精度形狀。

1.3.1 細(xì)長拉刀凹凸心

車細(xì)長拉刀時由于使用跟刀架，若支承拉刀的兩個支承塊對拉刀壓力不適當(dāng)，會影響加工精度。若壓力過小或不接觸，就不起作用，不能提高拉刀的剛度。若壓力過大拉刀被壓向車刀，切削深度增加，車出直徑就小[4]。如圖1 所示。

圖1 拉刀外徑內(nèi)凹、外凸形狀

1.3.2 細(xì)長拉刀竹節(jié)狀

當(dāng)跟刀架繼續(xù)移動后，支承塊支承在小直徑外圓處，支承塊與拉刀脫離，切削力使拉刀向外讓刀，切削深度減小，車出的直徑變大，以后跟刀架又跟到大直徑外圓上，又把拉刀壓向車刀，使車出直徑變小，這樣連續(xù)有規(guī)律的變化就把細(xì)長的拉刀變成“竹節(jié)狀”，如圖2 所示。

圖2 拉刀竹節(jié)狀

1.4 車細(xì)長拉刀的改進(jìn)措施

由于細(xì)長拉刀剛性很差，在加工中極易變形，對加工精度和加工質(zhì)量影響很大。為此，生產(chǎn)中常采用下列措施予以解決[3-4]。1.4.1 裝夾方法的改進(jìn)

改進(jìn)工件的裝夾方法：粗車時，由于切削余量大，拉刀受的切削力也大，一般采用卡頂法，尾座頂尖采用彈性頂尖，可以使拉刀在軸向自由伸長。但是，由于頂尖彈性的限制，軸向伸長量也受到限制，因而頂緊力不是很大。在高速、大用量切削時，有使拉刀脫離頂尖的危險。采用卡拉法可避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。精車時，采用雙頂尖法（此時尾座應(yīng)采用彈性頂尖）有利于提高精度，其關(guān)鍵是提高中心孔精度。

使用三爪跟刀架：跟刀架有三個支撐爪，車削時拉刀被夾持在三個跟刀爪和車刀之間，組成兩對徑向壓力，限制拉刀上下、左右移動，只能繞軸線旋轉(zhuǎn)，故能有效地減少切削振動和拉刀變形。但必須注意仔細(xì)調(diào)整，使跟刀架的中心與機(jī)床頂尖中心保持一致。如圖3 所示。

圖3 三爪中心架車削

1.4.2 切削方式的改進(jìn)

反向切削：所謂反向切削就是指加工過程中車刀從卡盤方向向尾座方向移動。這是切削細(xì)長拉刀的關(guān)鍵所在，尤其是切削小直徑細(xì)長拉刀。另外正向切削對設(shè)備精度要求高，即主軸中心與尾座中心的偏差要調(diào)整在0.02 mm 以內(nèi)，否則車出的光杠會出現(xiàn)很大的錐度，不符合質(zhì)量要求[5]。

1.4.3 切削刀具改進(jìn)

采用車削細(xì)長拉刀的車刀：車削細(xì)長拉刀的車刀一般前角和主偏角較大，以使切削輕快，減小徑向振動和彎曲變形。粗加工用車刀在前刀面上開有斷屑槽，使斷屑容易。精車用刀帶有一定的負(fù)刃傾角，使切屑流向待加工面，減少摩擦。

細(xì)長拉刀的剛度較低，在磨削力的作用下，工件會產(chǎn)生彎曲變形和振動，使工件產(chǎn)生形狀誤差(如腰鼓形、錐度、鞍形、彎曲)，多角形振痕和徑向圓跳動及跨棒距難以達(dá)到要求等缺陷。

2 細(xì)長拉刀磨削難加工特點(diǎn)

2.1 細(xì)長拉刀變形原因分析

在加工過程中，由于中間工藝過程控制不當(dāng)而造成細(xì)長拉刀彎曲變形的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）磨削溫度：磨削中拉刀受熱產(chǎn)生變形，甚至?xí)估犊ㄋ涝陧敿忾g而無法加工。

（2）磨削力：細(xì)長拉刀本身剛性差，拉刀受磨削力作用而彎曲，從而引起振動，影響拉刀精度和表面粗糙度。

（3）磨削振動：拉刀高速旋轉(zhuǎn)時，在離心力作用下，會加劇彎曲與振動。

2.2 細(xì)長拉刀的主要質(zhì)量缺陷

2.2.1 工件表面產(chǎn)生多角形波紋

該缺陷是在拉刀表面沿母線方向有一條條直線痕跡，自拉刀橫剖面來看，周邊呈近似正弦波的曲線其產(chǎn)生原因：

（1）振動：在細(xì)長拉刀磨削過程中，由于拉刀與頂尖系統(tǒng)剛性較差，當(dāng)砂輪不平衡或砂輪修整得不夠鋒利時、砂輪與拉動間的磨擦加劇，就會引起振動。

（2）砂輪磨損不均勻。

（3）砂輪或拉刀支承松動。

2.2.2 拉刀表面產(chǎn)生螺旋形波紋

螺旋形波紋是指拉刀表面上出現(xiàn)螺旋狀很淺的波紋痕跡。

其產(chǎn)生的原因：

（1）砂輪工作表面凸凹不平。

（2）機(jī)床剛性影響。

（3）其他因素：磨削進(jìn)給量太大，縱向進(jìn)給量太大，或砂輪主軸有軸向竄動，都可能產(chǎn)生螺旋形波紋。此外、工作臺導(dǎo)軌潤滑油壓過大，使工作臺縱向移動產(chǎn)生漂浮和擺動，也會造成拉刀表面的螺旋形波紋。

2.2.3 拉刀圓柱度超差

拉刀在磨削后產(chǎn)生的錐度、鼓形、鞍形、彎曲都可能使拉刀的圓柱度超差。

（1）錐度：頭架和尾架頂尖中心線與工作臺運(yùn)動方向不平行，將使工件產(chǎn)生錐度。

（2）鼓形：由于拉刀剛性不足，或中心架調(diào)整不正確，磨削用量過大，使拉刀產(chǎn)生彈性變形而出現(xiàn)鼓形。

（3）鞍形：磨削低剛度細(xì)長拉刀時、頂尖頂?shù)眠^緊、或中心架水平支承壓力過大，造成拉刀彎曲，以致中部磨去較多，使拉刀呈鞍形。

（4）彎曲：當(dāng)磨削用量太大時，拉刀過度發(fā)熱，而冷卻又不充分、不及時、不均勻、使拉刀產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，以致冷卻后產(chǎn)生彎曲變形。

2.2.4 拉刀圓度超差

拉刀中心孔形狀不正確，孔內(nèi)有污垢或已磨損；頂尖在主軸和尾架套筒錐孔，內(nèi)貼合不緊；工件頂?shù)锰o或太松；砂輪主軸或頭架主軸的徑向跳動過大，這些因素都可能使拉刀圓度超差。另外，拉刀剛性差或余量不均時，在磨削力的作用下易產(chǎn)生彈性變形，結(jié)果使磨削表面出現(xiàn)圓度誤差復(fù)映現(xiàn)象。

通過對上細(xì)長拉刀質(zhì)量缺陷的分析，長期的實踐總結(jié)我們采取了以下幾種措施對細(xì)長拉刀磨削質(zhì)量進(jìn)行了有效的控制。

2.3 作好磨削前的準(zhǔn)備工作

校直：細(xì)長拉刀有熱校和冷校直兩種方法。熱校比冷校理想。校直后的彎曲度應(yīng)控制在0.10/800 mm 內(nèi)。

中心孔：中心孔是細(xì)長拉刀的基準(zhǔn)，細(xì)長拉刀經(jīng)過熱處理后，中心孔將會產(chǎn)生變形，應(yīng)對中心孔進(jìn)行研磨，使其60°錐度和圓度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

檢修機(jī)床：保證檢修后的外圓磨床各項精度達(dá)到出廠技術(shù)要求。

調(diào)整機(jī)床：主要是調(diào)整頭架和尾架間的中心距離，將拉刀頂在兩頂尖間，保證支撐和頂緊力合適。如果尾頂尖是彈簧式的，可使彈簧頂尖壓縮0.5～1.5 mm。

檢查拉刀：先用百分表對細(xì)長拉刀的全長作徑向跳動檢查，再用千分尺檢查拉刀的磨削余量是否足夠，再根據(jù)工藝要求檢查各項尺寸和技術(shù)要求。

2.4 合理選擇砂輪及磨削用量

2.4.1 砂輪的選擇

根據(jù)細(xì)長拉刀材料的不同，選擇不同磨料、硬度、粒度的砂輪。磨細(xì)長拉削的砂輪硬度應(yīng)稍軟，粒度稍粗為好[5]。

2.4.2 切削用量的選擇

細(xì)長拉刀磨削選擇切削用量應(yīng)遵循以下幾個原則：

（1）修整砂輪時的走刀量，切深均比一般磨削大而深，這樣可使砂輪的表面比較粗糙，以增強(qiáng)切削性能。

（2）磨削時拉刀的轉(zhuǎn)速較低，精磨時更低，可減少細(xì)長拉刀因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的振動；走刀量較大，以便將一部分徑向力轉(zhuǎn)化為軸向力，減小徑向力。

（3）磨削時切深用雙行程來達(dá)到。因拉刀轉(zhuǎn)速低，走刀量大，拉刀表面與砂輪表面在單位時間內(nèi)和單位面積上的切削量就相應(yīng)地減少；用往復(fù)次數(shù)來彌補(bǔ)。

（4）裝上拉刀時，看拉刀是否松緊合適，細(xì)長拉刀要稍頂緊點(diǎn)。頂上后手轉(zhuǎn)動有些阻力就可以，但要能轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)不動也不行。否則，在磨削時就會產(chǎn)生偏磨現(xiàn)像。

（5）細(xì)長拉刀每隔三分之一上一個護(hù)架磨支承；進(jìn)刀量保持0.02 ～0.03 mm；如果進(jìn)刀時出現(xiàn)磨偏用表打看是否有跳動；可用手輕輕頂上，別用太大力。如圖4所示。

圖4 多個支承磨外圓

（6）手頂上看見一點(diǎn)點(diǎn)火花就可以。每一次磨圓也不要急，多走幾次刀就可以了，但是隨時打表看跳動。注意公差量；砂輪別走太快，否則容易跑偏不易修正；注意砂輪別修的太粗了。

（7）細(xì)長拉刀在拉刀磨削齒槽時，與外圓磨削一樣，但拉刀開槽時容易出現(xiàn)拉刀反彈變形，拉刀每開5～10 槽時加掉拓一個。如圖5 所示。

圖5 掉拓法磨容削槽

（8）花鍵齒形磨削時，為了保證拉刀跨棒距的一致性及拉刀螺旋度，采用多支承點(diǎn)的方法加工，多組頂針檢測拉刀的跨棒距方法進(jìn)行。如圖6 所示。

圖6 多支承磨花鍵齒形

3 結(jié)語

拉刀是刀具生產(chǎn)中不可或缺的一種切削刀具，其中細(xì)長拉刀占據(jù)一定比例。在細(xì)長拉刀加工過程中，要保證拉刀精度要求及表面質(zhì)量，保證拉刀表面剛性強(qiáng)度。對于細(xì)長拉刀的制造，它不僅需要滿足細(xì)長拉刀性能要求，還要保證精度要求，以確保細(xì)長拉刀的質(zhì)量。在細(xì)長拉刀的制作過程中要采用可靠的設(shè)備進(jìn)行，同時還要在保證細(xì)長拉刀的精度和性能的前提下，使細(xì)長拉刀能夠達(dá)到設(shè)計及加工要求。