细长轴的车削加工

细长轴的车削加工（通用8篇）

细长轴的车削加工 篇1

1问题的提出

鹤壁职业技术学院加工的高精度的细长活塞杆 (长径比L/d>70) 、细长挠动轴 (长径比L/d>65) 等零件, 都属于较难加工的细长轴。

在加工时发现活塞杆 (长径比L/d=76) 的形状精度出现了误差, 如图1所示。

同样, 挠动轴 (长径比L/d=69) 的尺寸精度和形状精度也很容易产生误差, 如图2所示。

2原因分析

2.1 加工工艺和刀具材料

工件受切削力、自重和旋转时离心力的作用, 容易产生弯曲、振动等情况, 弯曲变形引起尺寸及形状误差的主要原因如下:

(1) 在粗车和半精车时, 由于工件刚性差, 在车削过程中易引起振动, 使圆度和圆柱度超差, 直接影响到精车的顺利进行。

(2) 刀具耐磨性不好时, 刀刃很容易磨钝, 使外圆尺寸变化过大, 容易产生扎刀现象, 使表面粗糙度值达不到技术要求。

2.2 机床精度和切削用量

(1) 在切削过程中, 工件受热伸长产生弯曲变形, 易产生锥度、腰鼓形、麻花形和竹节形等缺陷, 使切削过程中出现很多不可预测的问题。所以车削细长轴时, 对刀具、机床精度、辅助工具和切削用量的选择及对操作者的经验均有较高的要求。

(2) 在采用车中心架车削时, 因轴细且较长, 中间无支撑点, 轴跳动较大, 从而使工件发生弯曲变形。

(3) 在粗车和半精车后, 细长轴积累了较多的加工应力, 会在半精车或精车后的一段时间内发生弯曲, 给产品质量造成较大影响。

2.3 工艺准备工作不到位

细长轴加工前应先调整机床, 校直工件, 否则就会产生扎刀、工件与卡盘接触不良等现象, 最终影响到细长轴的加工精度。

(1) 机床调整。

主轴中心和尾座顶尖中心连线与导轨全长平行;主轴中心与尾座顶尖中心的同轴度公差应小于0.02;大、中、小拖板的间隙应合适, 过松会产生扎刀现象。

(2) 棒料校直。

采用热校直法校直棒料, 不宜冷校直, 忌锤击。装夹时, 防止预加应力产生变形。夹持方法有两种:一是在一端车出8 mm～10 mm的卡脚档;二是在卡盘爪与工件间垫入钢丝 (绕工件放置) 或钢柱 (顺工件放置) , 使工件与卡盘为线接触。

2.4 切削方法不当

加工细长轴时, 不同的装夹方式, 应采用与之相适应的车削方法。采用三支承爪的跟刀架及弹簧顶尖, 其切削方法有高速切削法、反向低速大进刀精车法等。如果采用弹簧伸缩顶尖装夹工件, 则应采用反向切削法。否则, 就会使细长轴在加工过程中产生较大的误差。

2.5 操作方法

操作方法不正确, 将对细长轴的加工精度产生影响。如没有在靠卡盘处车出跟刀架支承档、没有修磨好支承爪均会使车削结束时刀具崩刃。没有按支承爪的调整顺序进行下侧、 上侧、外侧调整, 接刀不准确, 在轴径接刀处没有1∶10左右的锥度等, 都会给加工带来误差。在加工过程中没有按要求增加刀刃的切削力, 如果突然增加就会造成让刀或扎刀, 从而产生径向误差而引起振动或出现多边形及竹节形。

3保证细长轴加工精度应采取的措施

3.1 正确选择刀具

涂层硬质合金刀具与普通硬质合金刀具相比, 无论在强度、硬度和耐磨性方面均有了很大提高。车削硬度在HRC45～HRC55的细长轴, 低成本的涂层硬质合金可实现高速车削。

细长轴的长度一般较长, 淬硬钢切削表面质量高, 一般不产生积屑瘤, 但切削力较大, 特别是径向切削力比主切削力还要大, 所以车削细长轴时, 刀具宜采用负前角和较大的后角。主偏角取决于机床刚性, 一般取45o～60o, 以减少细长轴和刀具颤振。

细长轴材料硬度越高, 其切削速度应越小。使用超硬刀具进行硬车削精加工时, 适宜切削速度范围为80 m/min～200 m/min, 常用范围为100 m/min～150 m/min;采用大切深或强力断续切削高硬度材料时, 切速应保持在80 m/min～100 m/min。一般情况下, 切深为0.1 mm～0.3 mm。

除选择合理的刀具外, 采用超硬刀具进行硬车削时对车床并无特殊要求, 若车床刚度足够, 且加工软的细长轴时能得到所要求的精度和表面粗糙度, 即可用于硬切削。

3.2 制定合理的工艺路线

对普通精度的细长轴零件加工, 其典型的工艺路线如下: 毛坯及其热处理—预加工—车削外圆—铣键槽 (花键槽、沟槽) —热处理—磨削—终检。

3.3 选择定位基准和装夹

(1) 以细长轴的中心孔定位。

在细长轴的加工中, 零件各外圆表面、锥孔、螺纹表面的同轴度, 端面对旋转轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目, 这些表面的设计基准一般都是轴的中心线, 若用两中心孔定位, 符合基准重合的原则。

(2) 以两外圆表面作为定位基准 。

在加工空心轴的内孔时, 例如进行机床上莫氏锥度的内孔加工, 不能采用中心孔作为定位基准, 可用细长轴的两外圆表面作为定位基准。当工件是机床主轴时, 常以两支承轴颈 (装配基准) 作为定位基准, 可保证锥孔相对支承轴颈的同轴度要求, 以消除基准不重合而引起的误差。

(3) 以带有中心孔的锥堵作为定位基准。

在加工细长轴的外圆表面时, 往往还采用带中心孔的锥堵或锥套心轴作为定位基准。

3.4 选择合适的加工方法

3.4.1 细长轴加工前的准备工作

(1) 机床调整。

主轴中心和尾座顶尖中心连线与导轨全长平行;主轴中心与尾座顶尖中心的同轴度公差要小;大、中、小拖板的间隙合适, 过松会扎刀。

(2) 棒料校直。

采用热校直法校直棒料, 不宜冷校直, 忌锤击。装夹时, 防止预加应力产生变形。夹持方法有两种:一是在一端车出8 mm～10 mm的卡脚档;二是在卡盘爪与工件间垫入直径为3 mm～5 mm的钢丝绕工件放置或钢柱顺工件放置, 使细长轴与卡盘为线接触。

3.4.2 切削方法

采用弹簧伸缩顶尖, 反向切削。精车、半精车仍用高速切削法, 精车用低速大走刀, 采用的刀具与高速切削法相同。靠卡盘处车出跟刀架支承档, 修磨好支承爪后, 在轴尾端倒角45o, 以防止车削结束时刀具崩刃。支承爪的调整顺序依次是下侧、上侧、外侧。接刀应准确, 在轴径接刀处要有锥度。逐步增加刀刃的切削力, 以避免突然增加造成让刀或扎刀, 产生径向误差而引起振动或出现多边形及竹节形。为防止细长轴振动, 便于散热和排屑, 在支承爪的轴向和径向上各钻一个通孔。

3.4.3 辅助工具

粗车细长轴时, 采用专用支架, 支架由V形块和木垫块组成, 木垫块压在机床导轨上。半精车、精车时可采用托架, 托架是在加工过程中起减振作用的主要辅具, 托架由两块制有3o斜面的木质托块组成, 上托块的上面制成V型托口, 这可使细长轴与上托块在互相作用时能够形成不完全碰撞, 受力时一部分功能将受到损失, 以达到减小反作用力的目的。

4现场试验效果

采用上述工艺措施后, 车削最细轴 (杆) Φ8×2 000和细长轴Φ25×3 000～Φ25×5 000, 全长精度在IT5以上, 表面粗糙度在Ra1.6以下, 车削一根细长轴仅需15 min～25 min, 收到了满意的效果。

参考文献

[1]龚雯, 陈则钧.机械制造技术[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[2]吉卫富.机械制造技术[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[3]姚智慧.机械制造技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2002.

[4]刘有才.机床夹具设计[M].北京:机械工业出版社, 2005.

细长轴车削变形和加工研究 篇2

【关键词】有限元分析;工艺;夹具

由于细长轴长径比大、刚性差，在车削时，切削热、振动、切削力、重力、切削力等因素对其加工有着重要的影响。如图一所示，饰品机械中的圆柱蜗杆【梭杆】，工件长度为378mm，直径为φ10mm，长径比L/d≈40，表面粗糙度和精度都有较高的要求。如果采用传统的车削方法，车削时易产生振动和弯曲变形，从而严重影响加工的精度和效率。为此，理论上进行变形分析研究，实践中经过大量试验并设计出新型拉紧夹具，采取了一定的工艺措施，可加工精度要求较高的细长轴。

图一  圆柱蜗杆【梭杆】

一 影响细长轴加工变形的因素和常见加工误差

影响细长轴加工变形的因素如图二所示。振动导致切削异常现象，造成细长轴加工表面的各种形状误差，常见的细长轴车削加工误差的分为三类：（1）表面粗糙有细小针叶状的振纹（2）麻花形误差有扭曲的带状振纹（3）竹节状形状和尺寸误差。

图二  多种因素对细长轴精度的影响

二 细长轴车削变形的理论分析

（1）装夹方法

三种装夹方法：一夹一顶方式，前端采用三爪卡盘夹紧、尾部采用弹性活顶尖;两端顶方式，前端采用死顶尖、尾部采用弹性活顶尖;一夹一拉【两端拉】方式，前端采用三爪卡盘夹紧、尾部采用死顶尖定位并采用专用夹具拉紧;这三种方式都采用可调浮动跟刀架作为辅助支承。

（2）受力模型

细长轴车削过程中，切削力及其作用点是动态变化的;为了分析细长轴车削过程中变形，把工件材料认为是理想弹性体，约束进行简化：将卡盘夹紧处简化为固定约束;尾部采用弹性活顶尖顶紧或拉紧的方式，认为顶紧（或拉紧）力是恒定的，顶尖处可简化为一简支约束。

（3）切削力的计算

图三 细长轴车削时受力分析

细长轴车削时受力如图三所示，Fv为主切削力，Ff为进给切削力，Fr为径向切削力，F为总切削力。在切削钢件梭杆时切削力的大小近似计算如下：

Fv≈2000×ap×f=2000×1.2×0.12=288（N）

Ff≈0.25×Fv =0.25×288=72（N）

Fr≈0.4×Fv =0.4×288=115.2（N）

公式中：ap—切削深度，mm;

F—进给量，mm/r;

（4）变形的有限元分析

细长轴车削时受到径向、切向、轴向3个方向的外力，采用有限元法取10个结点，进行径向、轴向即如图三所示的X、Y、Z三个方向的变形进行了分析，分析的结果如图四、图五所示。通过分析，在同等切削条件下，一夹一拉方式加工变形只有一夹一顶方式的1/3—1/5;所以采用一夹一拉【两端拉】装夹方式比其他两种传统装夹方法，可有效地减小振动和变形。

图四 一夹一拉方式细长轴的变形曲线

图五 一夹一顶方式细长轴的变形曲线

三 细长轴加工的工艺方法

3.1 合理选择装夹方法

细长轴加工中常用的装夹方法有：1、一夹一顶方式  2、两端顶方式;用跟刀架或中心架作为辅助支撑来增加工件的刚性，对刚性较好的可以采用，但对于长径比很大的细长轴，由于顶尖的顶力作用，致使轴在加工中受到的径向弯曲力加大，从而使轴的弯曲变形加大。再加之切削热的作用，工件热伸长增大了轴的弯曲变形。因此，一夹一顶的传统方法，加工细长轴，不能很好的消除弯曲变形。一夹一拉【两端拉】方式拉紧力越大加工效果就越好;根据前面的分析可知，由于两端拉力，致使轴在加工中受的径向弯曲力减小，而使轴的弯曲变形减小;即使切削热使工件受热膨胀增长，拉紧力能有效地防止工件伸长变形，因此，一夹一拉【两端拉】方式加工方法与传统加工方法相比，能有效地加工精度。

3.2合理选择切削用量

切削用量对细长轴加工有显著的影响;当工件材料为中碳钢或中碳合金钢，选用刀具材料为YT15硬质合金时的切削用量如下：

（1）切削速度VC的选择：车削细长轴时，一般当VC=60m/mm左右时，容易产生振动。故粗车时，取VC≦50m/min;精车时取VC≧70～100m/min。

（2）进给量f的选择：粗车时取f=0.12—0.2mm/r，精车时取f=0.05—0.08mm/r。

（3）切削深度ap的选择：车削细长轴时，随着ap增大，振动和变形不断增大。故粗车时取ap =0.8-1.2mm，精车时取ap =0.08-0.12mm。

3.3 合理选择刀具几何形状

合理地选择刀具几何形状，能够保证细长轴加工的平稳性，保证零件的加工精度和表面质量。

（1）前角γ。：为减少切削力和切削热，应该选择较大的前角，随着前角的增大，振动随之下降。因此在粗加工中取γ。=15-20°，精车时取γ。=25°-30°。车刀前面磨出R1～2.5的断屑槽，有利于断屑和排屑。

（2）主偏角κr：刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素，在不影响刀具强度情况下，尽量增大车刀主偏角。因此在粗车削细长轴时取κr=80～85°，精车时取κr=85～93°。

（3）主后角α。：后角为4～5°时，对振动有明显的抑制和减弱作用，后刀面超越急剧磨损阶段，达到一定程度的磨损时，会有显著的减振作用。

（4）刃倾角λs：选择正刃倾角，取λs=3°使切削屑流向待加工表面，避免划伤已加工表面并使削屑卷屑效果良好。

（5）刀具圆弧半径rε：刀尖圆弧半径rε增大时，径向切削力随之增大，为避免振动rε越小越好。但随rε的减小，会使刀具寿命降低，同时也不利于表面粗糙度的改善。选择较小的刀尖圆弧半径rε=0.2-0.4。

3.4 使用乳化液进行充分冷却

由于切削热引起零件伸长变形，伸长变形与温升成正比，因此必须有效控制零件温升。采用乳化液对加工工件进行充分冷却、润滑，降低切削热、减小热变形和刀具磨损，从而提高加工精度。

四 细长轴加工的新型夹具【拉具】

图六 细长轴车削加工的夹具【拉具】

1、U型卡圈 2、拉紧螺套 3、莫氏0号顶尖 4、芯轴 5、密封圈 6、端盖螺母 7、推力球轴承 8、单列向心球轴承 9、外调整套筒 10、内调整套筒 11、拉具主体 12、圆螺母M18  13、聯接螺套 14、哈夫卡具 15、螺母M10  16、螺栓M10×25

根据细长轴车削加工易产生振动和变形，而采用一夹一拉【两端拉】方式，能很好地防止弯曲变形，能有效地提高工件的加工精度和加工效率;为此设计了细长轴车削加工的新型夹具【拉具】如图六所示。顶尖3通过莫氏0号锥度与芯轴4配合，芯轴4用推力球轴承7、单列向心球轴承8承受径向力和轴向力。工件加工出工艺台阶如图一所示，顶件3在顶紧工件保证定位精度的同时，又通过U型卡圈1和拉紧螺套2与芯轴4紧密相连;拉具主体11通过联接螺套13和哈夫卡具14与车床尾夹相连，车床尾架在床身上锁紧后，向后拉动夹具实现工件的拉紧。实践证明，用新型夹具【拉具】加工细长轴，很好地防止弯曲变形，能有效地提高工件的加工精度和加工效率。

结 论

通过理论分析和实践中反复试验，采用一夹一拉【两端拉】方式的装夹方法加工细长轴，能够有效地控制振动和变形，改善细长轴的加工质量，保证了加工精度，提高了加工效率。

参考文献：

[1] 刘越. 机械制造技术.化工出版社，2001

[2] 张幼帧. 金属切削原理及刀具. 航空教材编写组.1984

细长轴的车削加工特点及策略 篇3

1 细长轴车削加工的特点

机器上的一个关键零件是细长轴, 其主要作用是对机器当中的传动零件进行支配, 确保传动零件工作位置的确定性, 以及传递转矩与运动。在工件的长度与直径的比值小于或者是等于20 的时候被叫做细长轴。而人们熟悉的口头语是“车工怕杆、钳工怕眼”, 换言之, 因为细长轴需要非常高的加工精度, 然而细长轴本身具有振动性大和刚性差的结构特点, 所以在加工的过程中相当困难。具体来讲, 细长轴的车削加工特点是:1) 细长轴缺少良好的散热性能。在切削热的制约之下, 工件的轴向尺寸会变热伸长, 倘若轴的两端属于固定支承, 那么会由于变挤而导致弯曲变形, 要么是会导致顶尖间卡死使工件难以进行加工[2];2) 细长轴缺少刚性。在车削加工细长轴的过程中, 倘若不适当地装夹, 那么会比较容易由于重力与切削力的影响而导致弯曲变形, 进而导致振动, 最终使细长轴的表面粗糙性加大与加工精度大大地降低;3) 细长轴的轴向尺寸比较长, 在加工的过程中一次要求的走刀时间比较长;4) 高速旋转的工件基于离心力的影响之下, 会导致工件弯曲和振动的加剧。

2 细长轴车削加工的策略

2.1 切削用量的科学选择

1) 切削深度。在确定工艺系统刚度的基础之上, 伴随着不断增加的切削深度, 增加了车削过程中形成的切削热与切削力, 这会增加细长轴的受热变形与受力[3]。为此, 在对细长轴进行车削的过程中, 务必尽可能地使切削的深度减小。

2) 进给量。增加的进给量会增加切削的厚度, 以及增加切削力。然而, 切削力并非根据正比而增加, 为此, 这会降低细长轴的受力变形系数。倘若以增加切削深度的方式来提升切削效率, 相比较最为有利的是增加进给量。在不断发展的数控技术影响之下, 愈来愈多的领域应用五轴加工, 如制造模具、高精密仪器、船舶、电力、航空航天等。可是, 在五轴加工技术当中, 发挥根本作用的是自动编程软件, 由于都是依靠软件自动识别毛坯残留量、检查干涉刀具夹头或者是工装夹具间、排布刀具或者是工装夹具间、排布刀具轨迹等等, 编程工作者难以借助计算机来进行设置, 他们仅仅是结合经验来优化切削参数, 进而获得更加准确的加工轨迹。

3) 切削速度。切削速度的提升可以使切削力降低, 这是由于在不断增加的切削深度的影响之下, 提升了切削的温度, 工件跟刀具间的摩擦力变小, 进而减小了细长轴的受力变形。然而, 太高的切削速度会导致细长轴基于离心力的影响而发生弯曲, 最终使切削过程的稳定性降低[4]。为此, 需要在相应的范围之内控制切削速度, 针对长径较大的工件来, 应适当地降低切削的速度。

2.2 装夹方法的科学选择

1) 双顶尖装夹法。双顶尖装夹非常适宜应用于车削细长轴零件, 这是由于该方法可以确保同心度。双顶尖装夹工件非常方便, 不需要进行找正, 可以高精度地定位。然而, 相比较于一夹一顶装夹来讲, 其刚度低, 这不利于提升切削用量。在实际应用的过程中需要注意下面的一些事项:配合锥孔和顶尖, 禁止赃物残留在锥孔当中, 能够借助高压气枪进行吹干。并且, 实时地更换磨损之后的顶尖, 在工作的过程中应当添加润滑剂。

2) 一夹一顶的装夹法。应用此方法进行装夹, 非常稳定与安全, 可以承受比较大的进给力, 应用普遍。然而, 需要注意的事项是:一方面, 顶尖位置不可以顶得过紧, 防止过紧而顶弯细长轴, 也防止车削的时候因为受热, 细长轴的热扩散性能差, 轴向形成的压力而挤弯细长轴;另一方面, 针对不同轴的情况, 也就是不在相同轴向上的顶尖孔和卡爪加紧面, 会造成车削的时候出现弯曲变形。为此, 针对上述一系列的问题, 在应用一夹一顶装夹的方式的情况之下, 将弹性活顶尖应用于顶尖位置, 如此一来, 细长轴在受热之后倘若出现膨胀伸长, 活顶尖就能够伸长, 从而防止弯曲变形的出现。除此之外, 在细长轴和卡爪间垫入一个开口钢丝绳能够解决不同轴的问题, 进而使细长轴和卡爪的轴向接触长度减少, 最终使安装过程中的过定位消除, 大大地降低弯曲变形出现的概率。

3) 双刀切削法。双刀车削方法的原理是力的相互抵消, 减小了细长轴的横向受力, 不容易出现弯曲变形, 从而使加工的精度提升, 在批量生产的过程中会应用这种方法[5]。具体来讲, 就是应用前后两把车刀, 换言之, 即我们经常提到的增加后刀架, 然而, 应当确保它们的径向相对, 后车刀反着装, 前向刀正着装, 通过力学原理确保此两把刀形成的力能够互相抵消。

4) 采用跟刀架和中心架。倘若碰到的细长轴刚性差, 越容易出现弯曲变形, 那么这种情况下就能够借助中心架与跟到架, 实际上就是将一个力量支点加在细长轴上, 从而使支承点与切削作用点间的距离缩短, 实现其刚性的增加。

5) 采用反向切削法。细长轴的反向切削法指的是在进行车削的时候, 从主轴卡盘开始往尾架方向给刀, 如此一来, 在进行加工的时候形成的轴向切削力能够确保细长轴受拉, 防止了轴向切削力导致的弯曲变形。并且, 借助弹性尾架顶尖能够对刀具到尾架那一部分工件的热伸长量与受压变形进行有效地补偿, 防止工件的压弯变形。

2.3 工件热变形伸长概率的降低

在进行车削的时候, 因为切削热的制约作用, 导致工件伴随着升高的温度而逐步地伸长变形, 这就是所谓的“热变形”。在对通常的轴类进行车削的时候能够不兼顾热变形伸长的情况, 然而, 在对细长轴进行车削的情况下, 由于工件长, 总伸长量长, 为此务必思考热变形带来的影响。因为工件一端顶住、一端夹住, 工件难以伸长, 所以仅仅本身就会形成弯曲。倘若细长轴形成弯曲, 就难以开展车削。而降低工件热变形概率的实施策略是:1) 弹性回转顶尖的应用。细长轴借助弹性回转顶尖能够大大地完善工件的热变形伸长, 工件不容易出现弯曲, 能够正常地开展车削。2) 切削液的充分加注。对细长轴间车削的时候, 不管是高速车削还是低速车削, 为了使工件提升的温度而导致热变形的情况减少, 务必加注切削液, 进而完全地冷却。切削液的应用还能够避免跟刀架支承爪拉毛工件, 从而使工件加工质量得到提升与刀具的应用年限延长。3) 确保刀具的锐利。这样能够使工件和车刀之间的摩擦发热减少。

2.4 残余应力的减少

在加工工件的时候, 因为原材料受到本身组织结构、机械加工, 以及热处理等一系列要素的制约作用, 一定的内应力存在于工件当中, 在之后进行加工的时候会因为释放内应力而导致工件的变形, 进而对工件表面的粗糙性、形位公差、尺寸公差等产生影响, 尤其是在加工细长轴的时候因为受到工件内部残余应力的制约, 工件愈加容易出现弯曲变形的情况。为了使这种状态得到改善, 在热处理加工之后的细长轴务必划分成为精加工与半精加工, 进而释放内应力, 并且还在精加工与半精加工间进行无损检测, 做到防患于未然。针对一些内应力太大的工件, 因为难以借助精加工与半精加工释放内应力, 这个时候应当对残余应力进行消除, 从而便于之后的加工。

3 结束语

总而言之, 在进行加工的时候, 只要能够科学地选择切削用量和装夹方法, 以及大大地降低工件热变形伸长的概率和减少残余应力, 就能够有效地确保细长轴的加工精度, 防止出现返修以及报废的情况, 最终大大地提升车削加工质量以及实现生产成本的降低。

参考文献

[1]吴鹏.一种机加信息录入方式检测系统的设计与实现[J].装备制造与教育, 2014, (3) :59-62.

[2]王祯祥.铣床紧急制动的改造[J].装备制造与教育育, 2014, (3) :63-64.

[3]张洪潮, 孔露露, 李涛, 等.切削比能模型的建立及参数影响分析[J].中国机械工程, 2015, (8) :1098-1104.

[4]孟令威, 欧阳博.变齿厚蜗杆的数控车加工技术研究[J].世界有色金属, 2015, (12) :114-115.

车削细长轴的对策研究 篇4

关键词：细长轴,加工精度,影响因素

“车工怕杆,钳工怕眼”是大家都熟悉的口头语,细长轴工件长径比( L/D) 较大( ≥25) ,刚性差,对于切削力、振动和切削温度十分敏感。车削加工时,很容易产生弯曲变形和振动,从而影响加工精度,得不到准确的几何形状精度和理想的表面质量。尤其是加工丝杆和精车长轴外圆,若不能提高其机械加工精度,将极大地影响产品质量。

通过多年生产和实训教学,笔者在这方面进行了研究和探讨。

1 影响细长轴加工精度的因素

1. 1 切削力

在切削过程中,有大小相等、方向相反的力分别作用在刀具和工件上,这个在切削过程中产生的力,称为切削力。切削力是怎样产生的呢? 原来切削时,在刀具的作用下,切削层金属、切屑和工件表面层金属都会产生弹性变形和塑性变形。又由于切削沿前刀面流出,故有摩擦力作用于前刀面。同时,又因刀具和工件间的相对运动,还有摩擦力作用于后刀面。所以,变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 个互相垂直的力: 切向力( 主切削力) Fz,径向力( 切深抗力) Fy,轴向力( 进给抗力) Fx,如图1 所示。一般情况下,主切削力Fz最大,Fy、Fx小一些,随着刀具几何参数,切削用量、刃磨质量的不同,Fy、Fx相对于Fz的比在很大范围内变化:

车削外圆时,Fz是计算切削功率的重要依据。Fy虽不作功,但能使工件变形或造成振动,对加工精度或已加工表面质量产生影响。

Fx作用在进给机构上,用于设计或校核机床进给机构强度。由于细长轴刚性很差,车削加工时,Fy会使车刀同时在y、z方向产生变形,形成加工误差,Fx在轴向对工件产生作用,如果轴的两端为固定支承,会将工件 “压弯”。总之,装夹不当,细长轴很容易因切削力及重力作用而弯曲变形,产生振动,特别是长径比较大时,自重力越大,这种弯曲变形和振动就更为显著,从而降低加工精度,造成表面粗糙。

1. 2 切削热

车削时,由于切削热的影响,工件随温度升高而逐渐伸长变形,这就叫 “热变形”。工件热变形伸长量可按下式计算:

式中: ΔL———工件热变形伸长量( mm) ;

αl———材料线胀系数( 1 /℃ ) ;

L———工件的总长;

Δt———工件升高的温度( ℃ ) 。

从上式可看出,在车削一般轴类时可不考虑热变形伸长问题,但是车削细长轴时,因为工件长( L长) ,散热性差( Δt高) ,轴向尺寸在切削热的作用下,会产生相当大的膨胀,如果轴的两端为固定支承,则会因受挤而弯曲变形。当轴以高速旋转时,这种弯曲所引起的离心力将进一步加剧轴的变形与振动。

此外,加工细长轴一次进给所需的时间长,刀具磨损大,从而增加了工件的几何形状误差。

由此可知,车削细长轴对刀具、机床精度、辅助工具精度、切削用量的选择、工艺安排与具体操作技能都应有较高的要求,是一项工艺性较强的综合技术。“车工怕杆”的原因也就在此。为消除和减少上述误差,解决细长轴的加工精度问题,在实践工作中我们从提高产品质量和生产效率入手,总结了一套车削细长轴的加工方法,并改进了工艺装备,保证了细长轴的加工质量。

2 提高细长轴加工精度的措施

2. 1 校直

校直可使车削余量均匀,减少车削振动,提高车削质量。坯料校直后,要求在任意1000mm的长度内其直线度误差不大于2mm,这可使切削后的表面残余应力保持较均匀,减少工件在使用中产生变形。

2. 2 调整尾座

使工件开始车削的一端外径比另一端外径大0. 02mm ~0. 04mm,减少由于跟刀架爪脚或车刀磨擦所造成的锥形误差。

2. 3 改善装夹方法

( 1) 细长轴加工往往采用一夹一顶安装工件,用这种装夹方法时,由于顶尖孔与卡爪基面往往不同轴,因而会形成装夹过定位而使工件弯曲变形。所以工件不宜夹得过长,一般在15mm左右,最好在毛坯的外圆上套上一个开口的 φ4mm~ φ5mm的钢丝圈,再伸入卡盘用卡爪夹紧( 钢丝应在卡爪凹槽的同一圆周位置上) ,使毛坯与卡爪间成线接触,起万向调节作用,从而避免了接触面过大。如图2 所示。

( 2) 在尾座上改用弹性回转顶尖来适应工件热变形伸长。

弹性顶尖的结构见图3。顶尖1 用深沟球轴承2、滚针轴承5 支承径向力,推力球轴承4 承受轴向推力。在深沟球轴承和推力球轴承之间,放置三片厚2. 5mm的碟形弹簧3。当工件变形伸长时,工件推动顶尖通过深沟球轴承,使碟形弹簧压缩变形。生产实践证明,用弹性回转顶尖加工细长轴,可有效地适应工件热变形伸长,工件不易弯曲,车削可顺利进行。不过,顶尖顶住工件的松紧也要合理以既能随工件转动,又能用右手食指和拇指捏停顶尖为宜。

1-顶尖;2-深沟球轴承;3-碟形弹簧;4-推力球轴承;5-滚针轴承

2. 4 跟刀架的改进与正确使用

( 1) 快装拆式三爪跟刀架。跟刀架是加工细长轴极其重要的附件。夹角90 度的三爪结构比夹角105 度的两爪结构,易平衡径向切削力,支承均衡性好。跟刀架爪脚采用耐磨的球墨铸铁材料,在粗加工和半精加工时爪脚都要研磨,使其对工件有较大的接触弧面,根据工件不同的直径,多配几套级数的爪脚,并做成快装拆式,如图4 所示,可减少研磨时间。

( 2) 对跟刀架爪脚进行预磨损。研磨时将跟刀架的爪脚支紧工件上车过的一段外圆( 这段外圆要表面粗糙,长度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尽量靠近卡盘) ,由大拖板作纵向来回移动,干磨跟刀架爪脚面( 注意适时调整跟刀架爪脚,始终与工件接触) 。当接触面达65% 左右,再加乳化液精磨,直到爪脚圆弧有80% ~ 90% 部位与工件表面吻合,以增大爪脚和工件的接触面积,减少爪脚在车削中的磨损。

( 3) 车支撑处外圆的要求: 直径圆度好,光洁,不能有其他变形等缺陷,支撑处外圆的长度一般比支撑爪长15mm左右。支撑处外圆与毛坯外圆相交处,宜车一个40度左右的锥度( 见图2) ,以使接刀时切削力逐步增加,不会受突然冲撞力造成让刀和工件变形。

( 4) 跟刀架爪脚( 宽度约为零件直径的1 ~ 1. 5 倍) 应支于已加工表面,位于车刀后面0. 5mm ~ 2mm处,并逐步压向工件,以手感无振为宜,并加油润滑。粗车时,应将毛坯一次进给车圆,以免影响跟刀架的正常工作。当采用宽刃大进给车刀精车时,爪脚可位于车刀的前面,以防工件精车过的表面出现划痕,间距同上。

2. 5 采用反向进给法

细长轴用一夹一顶法装夹时,若用正向进给方式,则工件在轴向力Fx的作用下产生压缩变形而弯曲。如采用反向进给方法,此时Fx对工件的作用( 卡盘至切削所在点的一段) 是拉伸而不是压缩,同时采用弹性的尾座顶尖,有效补偿了刀具至尾座一段工件的受压变形和热伸长,这样就不至于将工件压弯。反向进给法适于中速粗车和大走刀低速精车,并具有适应性强,对机床精度要求不高,加工效率较高等特点。

2. 6 选用合适的刀具角度和切削用量

粗车使用的刀具采用图5 所示的反偏刀,刀片材料为YT15 硬质合金,主偏角 κr = 75 ~ 90 度,以减小径向切削力Fy,从而减小Fy引起的振动,前刀面上4mm ~ 5mm断屑槽,其目的也是减小切削力和切削温度,防止工件的变形和振动。

精车使用图6 所示的宽刃弹簧车刀,弹性刀杆有利于减振和避免扎刀。采用W18Cr4V高速钢刀片,同时,刀刃要光滑平直,前角大,切削轻快,使切屑排出流畅,这样可解决由于切削热产生线膨胀和径向力使工件弯曲的问题。

刀具安装时,粗加工和半精加工刀尖应高于工件中心0. 2mm ~ 0. 5mm, 精加工刀尖应高于工件中心0. 1mm ~0. 2mm,这样安装不仅增大了工作前角,而且使主后刀面起到约束工件上下窜动的作用,减少工件的低频振动。如用低速宽刃车刀精车时,刀尖应等于或低于主轴中心。

切削用量的选择:

粗车时,ap= 1. 5 ~ 3mm,f = 0. 3 ~ 0. 5mm / r,v = 25 ~35m / min,采用2% ~ 3% 乳化液充分冷却。

精车时,ap= 0. 15 ~ 0. 3mm,f = 3 ~ 5mm / r,v = 1. 8m /min,采用30 号机油充分冷却。

需要强调的是,切削细长轴必须加注切削液充分冷却,以降低工件的温度,减小热变形。并且还可防止跟刀架爪脚拉毛工件,提高刀具的使用寿命和工件的加工质量。

3 实施效果

采用以上措施和精心操作,使细长轴的加工精度大大提高,如车削45 钢 φ40 Cp= CB× N × f1× f2× f3× … × fm×2000mm的细长轴,圆度0. 01mm,圆柱度0. 04mm,直线度0. 05mm,Ra0. 8um ~ 1. 6um,达到设计要求,提高效率4 ~6 倍。

4 结论

本文提出的加工方法,具有操作简单、成本低、加工精度高等特点,并且符合普通加工厂家的实际生产状况,具有良好的应用前景。

需要提出的是,由于细长轴加工工艺系统复杂,稍有疏忽就可能出现问题。在加工中,除了提供必要的工艺保证措施外,还应随时眼看、耳听、手摸发现问题和解决问题,不断提高细长轴的加工工艺水平。

参考文献

[1]机械工业部.中级车工工艺学[M].北京:机械工业出版社,1998:20-25.

[2]高喜贤.车工基本技术[M].北京:金盾出版社,1996:31-35.

浅谈车工实习教学中细长轴的车削 篇5

1 引导学生分析细长轴车削中的主要问题及原因

引导学生正确的分析出细长轴车削加工中的主要问题及原因, 才能在实训车削加工中有的放矢, 做出有针对性的改进措施。细长轴车削存在的主要问题有以下两点:

(1) 切削过程中, 由于工件的刚性差, 在切削力、离心力的作用, 很容易发生弯曲、振动等情况, 严重影响其加工精度和表面粗糙度。

在车削过程中, 产生的切削力可以分解为径向切削力Fp和轴向切削力Ff, 两者对细长轴车削时产生的影响是有所不同。 (1) 径向切削力Fp是垂直作用在细长轴轴线上, 其作用力将会使细长轴在水平面内发生弯曲变形. (2) 轴向切削力Ff是平行作用在细长轴轴线方向上, 轴向力压迫工件, 使细长轴受压发生不稳定弯曲变形。

(2) 切削过程中, 工件在切削热的作用下, 会产生受热变形伸长。

车削时, 受切削热的影响, 工件会随温度的升高而逐渐伸长变形, 由于车削细长轴时, 工件长, 总伸长量大, 如果轴的两端为固定支承, 则工件会因伸长而弯曲变形, 严重时会使工件在顶尖处卡住。

2 指导学生分析提高细长轴车削精度的方法和措施

由于学生还处于实习阶段, 对实际加工过程的分析能力还比较偏弱, 实习指导教师对一些加工工艺方法还要做出引导。在实习教学过程中, 主要引导学生从以下几个方面采取措施。

2.1 毛坯处理

细长轴坯料的加工余量应比一般工件的加工余量大, 加工前应该先对其进行校直。毛坯料经过校直后, 不仅可使车削余量均匀, 减少车削时间, 避免振动, 而且还可以减小切削后的表面残余应力, 避免工件在使用中产生大的变形。

2.2 分析细长轴的装夹方法

在车床上车削细长轴时采用的装夹方式主要有两种:一种是细长轴的两端均由顶尖支撑, 即“双顶尖”装夹法;另一种是细长轴的一端用卡盘夹紧, 另一端用车床尾架顶尖支承, 即“一夹一顶”装夹法。

(1) 采用“双顶尖”装夹法车削细长轴, 工件定位准确, 容易保证同轴度。但用该方法装夹细长轴, 其刚性较差, 细长轴弯曲变形较大, 而且容易产生振动.因此只适宜于安装长径比不大、加工余量较小、同轴度要求较高的工件。

(2) 采用“一夹一顶”装夹法车削细长轴时, 如果顶尖顶得太紧, 除了可能将细长轴顶弯外, 还能阻碍车削时细长轴的受热伸长, 导致细长轴受到轴向挤压而产生弯曲变形。所以顶尖应采用弹性回转顶尖, 可以有效补偿细长轴受热后的变形伸长, 减少其受热弯曲变形;同时可将开口钢丝圈垫在卡盘爪的凹槽中, 以减少卡爪与细长轴的轴向接触长度, 使工件在卡盘内可以自由调节位置, 消除安装时的过定位, 减少弯曲变形。在车工实习教学中通常采用“一夹一顶”装夹法。

(3) 使用中心架支承车削细长轴。在“一夹一顶”车削细长轴时, 可使用中心架来增加工件的刚性。为了防止卡爪拉毛工件的表面, 中心架三个卡爪的前端镶有铸铁、青铜、夹布胶木、尼龙1010等材料。

(1) 中心架直接支承在工件中间。当工件可以进行分段车削或调头车削时, 将中心架直接支承在工件中间, 如图1所示, 这样支承, L/d的值减少了一倍, 细长轴的刚性可增加好几倍。但在工件装上中心架之前, 必须在毛坯中部车出一段圆柱面沟槽作为支撑轴颈, 并在支承爪与工件接触处经常加润滑油。

(2) 采用过渡套筒安装中心架。当车削支承中心架的沟槽比较困难或一些中段不需加工的细长轴时, 可采用过渡套筒安装细长轴的办法, 如图2所示。使卡爪不直接跟毛坯轴接触, 而使支承爪与过渡套筒的外表面接触。

(4) 使用跟刀架支承车削细长轴。对不适宜调头车削的细长轴, 不能用中心架支承, 而要用跟刀架支承进行车削, 以增加工件的刚性, 常用的跟刀架有两种:两爪跟刀架和三爪跟刀架。跟刀架固定在床鞍上, 它可以跟随车刀移动, 抵消径向切削力, 提高车削细长轴的形车削质量。

理论上两爪跟刀架就可以满足切削力对细长轴的影响要求, 因为切削时, 车刀给工件的切削抗力使工件贴在跟刀架的两个支承爪上, 但实际车削时, 由于工件本身的向下重力, 以及偶然的弯曲, 工件会瞬时离开支承爪、接触支承爪时产生振动。所以三爪跟刀架是比较理想的跟刀架。

使用跟刀架支撑车削细长轴时, 必须使其支撑爪与工件的接触压力调整适当。如果压力太小, 甚至没有接触, 则不能起到增加工件刚性的作用。如果压力过大, 会把工件车成“竹节”形。因为:当刚开始车削时, 工件在尾座端由顶尖支撑, 工件很难发生变形, 支撑爪的压力不会反映到工件上。但车削过一段距离且车刀远离顶尖后, 工件刚性逐渐减弱, 容易发生变形, 支撑爪就压向工件, 使工件被顶向车刀, 吃刀深度就增加, 结果车出的直径就偏小。当跟刀架的支撑爪跟车刀移动到已经车小的外圆上时, 工件表面跟跟刀架支撑爪脱离接触, 这时在径向切削分力的作用下, 使工件向外让开, 使车刀吃刀深度减小, 车出的工件直径就偏大, 这样有规律的变化就会把细长轴车成了“竹节”形。

2.3 分析车刀几何形状对细长轴的影响

车削细长轴时, 由于工件刚性差, 车刀的几何形状对减小作用在工件上的切削力, 减小工件弯曲变形和振动, 减少切削热的产生等均有明显的影响。

(1) 车刀的主偏角是影响径向切削力的主要因素, 在不影响刀具强度的情况下, 应尽量增大车刀的主偏角, 较小径向切削力, 车削细长轴车刀的主偏角取kr=80°~93°。

(2) 刀尖圆弧半径以0.3~0.5mm为宜, 过大易产生振动, 过小刀具耐用度降低。

(3) 车刀前面应该磨有R1.5~R3mm圆弧形断屑槽。

(4) 为减小切削力和切削热, 应该选择较大的前角, 取γ=20°~30°。安装刀具时, 刀尖最好稍高于工件中心0.2~0.5mm, 避免前角变小。

2.4 合理选择切削用量

引导学生分析切削用量对切削力的影响, 切削用量选择的是否合理, 对切削过程中产生的切削力的大小、切削热的多少是不同的, 对车削细长轴时引起的变形也是不同的。通过改变切削要素, 降低切削力, 改善细长轴的切削加工。

2.5 采用反向进给法车削细长轴

反向进给切削法是指在细长轴的车削过程中, 车刀由主轴卡盘开始向尾架方向进给。在车削过程中产生的轴向切削力就由轴向压力变为轴向拉力, 对工件起到拉直的作用, 减小了工件的弯曲变形。同时, 采用弹性的尾架顶尖, 还可以有效地补偿工件的受拉变形和热伸长量, 避免工件的压弯变形。

3 结束语

细长轴由于刚性差, 车削时产生的受力、受热变形较大, 很难保证细长轴的加工质量要求。通过对细长轴车削课题的教学, 引导学生通过采用合适的装夹方式, 选择合理的刀具角度和切削用量等措施, 可以保证细长轴的加工质量要求。同时提高学生对车削加工过程中此类问题的分析和处理能力。

参考文献

[1]薛晓慧.细长类零件的加工方法[J].凿岩机械气动工, 2013, (03) .

细长轴车削加工 篇6

关键词：长轴,变型,夹具,刀具

0 引言

通常轴类工件长度与直径之比l/d=20~25统称细长轴。随着我国制造工业的飞速发展, 细长轴被广泛应用在智运机械上, 如活塞杆、直线杆、拉杆、导杆、气压杆、印刷导轨、注塑导轨、四注油压导轨……。细长轴的质量直接影响机器的正常运转。由于细长轴刚性差, 车削加工易产生弯曲变形, 在工艺上一直是一个公认的难题, 所以也引起了众多加工单位的不断探讨。在细长轴车削加工工艺中, 通常方法是三爪夹盘夹紧, 车床尾座顶尖顶紧定位, 再通过跟刀架及中心架等工装进行装夹。但通常的工艺技术中存在以下问题:

1) 由于细长轴本身刚性, 装夹在车床上无外力作用也会因自重而弯曲, 再加上外力 (尾座顶尖的稍顶紧) 会增加弯曲度, 顶得稍松, 加工时发颤, 都会出现细长轴有竹节、锥度、菱形等缺陷, 达不到技术要求而报废。

2) 车削中的弯曲变形, 就算有高技能操作者把两端定位顶得松紧适当, 但车削加工中细长轴受车刀3个分力作用也极易发生弯曲变形、振动、扎刀。

3) 容易热变形, 由于细长轴在车削过程中散热性差, 容易产生切削热力线膨胀, 径向分力会迫使工件产生弯曲变形。

4) 刀具几何角度易变化, 加工细长轴刀具的各几何角度都严格控制在一定范围内。但是细长轴切削量较小, 加工时间长, 刀具磨损大, 各几何角度易发生变化也会导致细长轴产生的形位公差和表面粗糙度不合格。

5) 要求具备高超技能的操作者, 其经验丰富, 精力需高度集中, 但劳动强度大, 装夹工件松紧要凭经验, 进刀吃力量要从很小慢慢摸索地增加, 需要不时手摸测试工件是否烫手, 还要注意乳化冷却液的流量……。稍不注意就会出现废品, 生产效率低, 很难保证批量生产。

基于以上问题, 通过研究, 相互学习, 查阅了有关技术资料, 经4次改进设计, 最后提出了一种加工细长轴的新型夹具。改传统用尾座顶尖顶紧定位为尾座拉紧的3点同时均匀来确定夹紧的定位, 并改进了刀具, 确保顺利进行细长轴的车削加工。

1 夹具

1.1 夹具的结构

夹具的结构如图1所示。

1.2 夹具的组成

该夹具的主要部件由夹头2、心轴3、莫氏3号夹具体6、O型密封圈、6205轴承7等组成, 夹头2是三鸥牌夹头, 属于浙江三鸥机械设备有限公司多年生产的高精度产品, 规格为1/2-20;心轴的材质为40Cr钢, 粗车后调质225~260HB;莫氏3号夹具体材质为45号钢;O形密封圈5是氯丁橡胶, 规格为25×2.4, O形密封圈安装槽需光滑、无棱角, 避免O形密封圈损伤。

1.工件2.夹头3.心轴4.盖板5.O型密封圈6.莫式3号夹具体7.6205轴承8.螺母9.车床尾座10.尾座套筒11.螺栓12.垫圈13.轴承大垫圈14.轴承小垫圈15.防松弹簧垫圈

1.3 莫氏3号夹具体的加工要点

莫氏3号夹具体如图2所示。

1) 莫氏3号夹具体中莫氏圆锥是机加工中的国际标准, 它的材质、工艺 (车、磨、研、检) 精度及各部尺寸、形位公差、粗糙度、热处理、硬度、联接用的紧固螺栓都已经标准化, 遵循标准进行制造即可。

2) 除莫氏圆锥之外的准70圆柱体内外圆采用精车 (此部位的粗加工在制作莫氏锥体调质工艺前已同时粗车过, 留余量2.5~3 mm) , 精车时首先把莫氏圆锥打装在C620车床主轴的相应莫氏套内, 以此为定位基准, 然后按图进行精车。

1.4 心轴的加工要点

心轴如图3所示。

1) 材质40Cr钢, 粗车后调质225~260HB。

2) 粗车用YT5车刀, 夹右端, 车M12×1.5及准25圆柱, 留加工余量3mm, 车左端面, 留加工余量1 mm。

3) 夹准25圆柱面, 车M20×1.5圆柱, 留加工余量3 mm, 车右端面, 留加工余量1 mm。

4) 在准25圆柱左端铣出呆扳手紧固用扁, 宽19mm, 粗车后调质。

5) 用YT15车刀, 精车心轴两端面到设计尺寸, 加工B2.5中心定位孔。

6) 半精车用YT15车刀, 车刀装夹对准工件轴线, 车削M20×1.5螺纹后, 将心轴调头装夹 (先用M20×1.5螺帽拧紧在20×1.5螺纹上, 保护已加工好的螺纹) , 再在车床装夹, 车M12×1.5螺纹后用螺纹环规检验螺纹合格, 再车准25圆柱, 留磨削余量0.2 mm。

7) 磨床精磨准25到图纸标注尺寸。

8) 未注粗糙度均为Ra3.2, 未注倒角均清除尖刺锐棱。

1.5 夹具的安装工艺

组装后的夹具安装在尾座套筒内, 先卸下尾座手轮, 把图1中的螺栓11、垫圈12从后面放入, 莫氏3号夹具体靠螺栓11和垫圈12紧固在尾座套筒内, 工件靠夹头2的螺旋转动迫使夹头内三滑动块同步自动定位均匀用力夹紧后, 转动尾座手轮, 使尾座套筒往后退, 把工件拉紧, 装夹完毕, 左端卡盘卡紧, 开始反向走刀。

1.6 夹具工作原理

该夹具用轴向拉紧代替了传统的尾座顶尖顶紧, 消除了工件顶紧弯曲和顶松发颤的问题, 工件拉紧的轴向力和反向走刀的轴向力形成二力同一方向的轴向合力, 从而增强了细长轴加工时的刚性, 减少振动避免了弯曲, 再配合合理的刀具, 从根本上解决了上述细长轴加工的难题, 确保细长轴加工安全可靠, 保质保量, 并提高了生产效率。

2 刀具

加工细长轴的刀具必须切削力小, 以减少径向分力、降低切削温度, 同时刀具必须刀刃锋利、排屑流畅, 从而保证加工细长轴达到技术要求。另外, 刀具的几何角度 (前角γ0、主偏角Κr、刃倾角λs、后角α。) 的选择对加工细长轴加工也很关键。

1) 前角γ0为刀具前面经过主切削刃与基面的夹角, 增大前角可以使车刀更为锋利, 减少切削变形, 并能使切削力和切削热降低, 使切削顺利。在不降低刀尖强度情况下, 粗车时我们采用γ0=15°, 精车γ0=20°都不磨倒棱和刀尖过渡刃。这样可保持刀刃锋利, 切削轻快, 会减少径向分力, 降低切削温度, 从而保证工件不弯曲变形。

2) 主偏角Κr为主切削刃与被加工表面 (走刀方向) 之间夹角, 一般取75°~90°, 我们加工时取85°~88°, 此角作用是影响径向分力的主要因素, 角度大切屑薄, 反之切屑厚, 所以此角度的大小直接影响3个切削分力, 实践证明用调整此角度径向分力可明显下降, 工件不变形。

3) 刃倾角λs为主切削刃与基面间夹角, 作用是控制切屑方向, 影响刀尖强度等, 一般在-10°~+10°内, 我们采用-3°, 实践证明径向分力明显减小, 工件不弯曲变形, 切屑远离工件, 不再缠绕工件, 使工件加工正常进行。

4) 后角α。为主后面与切削平面夹角, 作用是减少主后面与工件的摩擦, 防振, 我们采用6°效果良好。

5) 粗车刀具材质为YT15, 精车刀具材质为W18Cr4V。

3 细长轴的加工工艺

1) 检校坯料为直棒, 平台上可以滚动流畅。

2) 工件左端用三爪自定心卡盘卡紧, 右端进入夹具体 (见图1) 的夹头内孔, 用扳手把住心轴扁处 (用于防止心轴转动) , 用夹头配带的工具转动螺纹夹紧工件后, 取下扳手。

3) 配上跟刀架, 而且架与工件接触研配适当, 开始反向进刀 (车刀由主卡盘开始向尾座方向进给) 。

4) 粗车时刀尖略高于工件中心0.5 mm以上, 精车刀尖等于或略低于工件中心。

5) 车速V=80 m/min, 粗车深度t=0.25~0.35 mm, 进给量s=0.1~0.2 mm, 精车深度t=0.1~0.2 mm, 进给量s=0.05~0.1 mm。

6) 细长轴长度与直径之比大于25, 加中心架或跟刀架, 而且架与工件接触间隙适当。同时, 保证夹头到尾座同轴度0.01 mm。

4 结语

该细长轴的加工方法从根本上克服了细长轴刚性差的弊病, 确保了产品质量, 提高了生产效率, 安全可靠, 大大地提高了经济效益。

此细长轴的加工定位由顶紧改拉紧是根本的改进方法。其中夹头巧用名牌成品件, 使夹具制造工艺简单, 省去设计、选择材料等种种麻烦, 成本低, 调整方便, 使用安全可靠, 是实现细长轴加工定位由顶紧改为拉紧的有力保证。本人通过长时间研究曾经设计过3种夹具, 分别为手工调整三螺杆定位夹紧工件、特制夹紧弹簧定位夹紧工件、用圆柱螺旋弹簧带动斜面上的活动滑块定位夹紧工件等, 目前推荐这种夹具均优于以上3种, 选用这种夹具优点很多, 具有推广应用的价值。

参考文献

[1]王绍林.机械制造工艺与装备[M].北京:中国社会劳动保障出版社, 1999.

[2]王博.浅议细长轴加工[J].金属世界, 2007 (5) :29-31.

浅析细长轴车削加工工艺 篇7

关键词：细长轴,车削工艺,变形,加工质量,预防措施

0 引言

所谓细长轴就是工件的长度与直径之比大于25 (即L/D>25) 的轴类零件称为细长轴。在切削力、重力和顶尖顶紧力的作用下, 横置的细长轴是很容易弯曲甚至失稳, 提高细长轴的加工精度问题, 就是控制工艺系统的受力及受热变形的问题。因此, 采用反向进给车削, 配合以最佳的刀具几何参数、切削用量、拉紧装置和轴套式跟刀架等一系列有效措施。以提高细长轴的刚性, 得到良好的几何精度和理想的表面粗糙度, 保证加工要求。

1 细长轴类零件的工艺特点

1.1 热变形大。

细长轴车削时热扩散性差、线膨胀大当工件两端顶紧时易产生弯曲变形。

1.2 刚性差。

车削时工件受到切削力、细长的工件由于自重下垂、高速旋转时受到离心力等都极易使其产生弯曲变形。

1.3 表面质量难以保证。

由于工件自重、变形、振动影响工件圆柱度和表面粗糙度。

2 提高细长轴加工精度的措施

2.1 选择合适的装夹方法

2.1.1 双顶尖法装夹法

采用双顶尖装夹, 工件定位准确, 容易保证同轴度。但用该方法装夹细长轴, 其刚性较差, 细长轴弯曲变形较大, 而且容易产生振动.因此只适宜于长径比不大、加工余量较小、同轴度要求较高、多台阶轴类零件的加工。

2.1.2 一夹一顶的装夹法

采用一夹一顶的装夹方式。在该装夹方式中, 如果顶尖顶得太紧, 除了可能将细长轴顶弯外, 还能阻碍车削时细长轴的受热伸长, 导致细长轴受到轴向挤压而产生弯曲变形。另外卡爪夹紧面与顶尖孔可能不同轴, 装夹后会产生过定位, 也能导致细长轴产生弯曲变形.因此采用一夹一顶装夹方式时, 顶尖应采用弹性活顶尖, 使细长轴受热后可以自由伸长, 减少其受热弯曲变形;同时可在卡爪与细长轴之间垫入一个开口钢丝圈, 以减少卡爪与细长轴的轴向接触长度, 消除安装时的过定位, 减少弯曲变形。

2.1.3 双刀切削法

采用双刀车削细长轴改装车床中溜板, 增加后刀架, 采用前后两把车刀同时进行车削。

两把车刀, 径向相对, 前车刀正装, 后车刀反装。两把车刀车削时产生的径向切削力相互抵消。工件受力变形和振动小, 加工精度高, 适用于批量生产。

2.1.4 采用跟刀架和中心架

采用一夹一顶的装夹方式车削细长轴, 为了减少径向切削力对细长轴弯曲变形的影响, 传统上采用跟刀架和中心架, 相当于在细长轴上增加了一个支撑, 增加了细长轴的刚度, 可有效地减少径向切削力对细长轴的影响。

2.1.5 采用反向切削法车削细长轴

反向切削法是指在细长轴的车削过程中, 车刀由主轴卡盘开始向尾架方向进给.

这样在加工过程中产生的轴向切削力使细长轴受拉, 消除了轴向切削力引起的弯曲变形。同时, 采用弹性的尾架顶尖, 可以有效地补偿刀具至尾架一段的工件的受压变形和热伸长量, 避免工件的压弯变形。

2.2 选择合理的刀具角度

为了减小车削细长轴产生的弯曲变形, 要求车削时产生的切削力越小越好, 而在刀具的几何角度中, 前角、主偏角和刃倾角对切削力的影响最大。细长轴车刀必须保证如下要求:切削力小, 减少径向分力, 切削温度低, 刀刃锋利, 排屑流畅, 刀具寿命长。从车削钢料时得知:当前角γ0增加10°, 径向分力Fr可以减少30%;主偏角Kr增大10°, 径向分力Fr可以减少10%以上;刃倾角λs取负值时, 径向分力Fr也有所减少。

2.2.1 前角 (γ0) 其大小直接着影响切削力、切削温度和切削功率.

增大前角, 可以使被切削金属层的塑性变形程度减小, 切削力明显减小。

增大前角可以降低切削力, 所以在细长轴车削中, 在保证车刀有足够强度前提下, 尽量使刀具的前角增大, 前角一般取γ0=15°。车刀前刀面应磨有断屑槽, 屑槽宽B=3.5～4mm, 配磨br1=0.1～0.15m m, γ01=-25°的负倒棱, 使径向分力减少, 出屑流畅, 卷屑性能好, 切削温度低, 因此能减轻和防止细长轴弯曲变形和振动。

2.2.2 主偏角 (kr) 车刀主偏角Kr是影响径向力的主要因素, 其大小影响着3个切削分力的大小和比例关系。

随着主偏角的增大, 径向切削力明显减小, 在不影响刀具强度的情况下应尽量增大主偏角。主偏角Kr=90° (装刀时装成85°～88°) , 配磨副偏角Kr'=8°～10°, 刀尖圆弧半径γS=0.15～0.2m m, 有利于减少径向分力。

2.2.3 刃倾角 (λs) 倾角影响着车削过程中切屑的流向、刀尖的强度及3个切削分力的比例关系。

随着刃倾角的增大, 径向切削力明显减小, 但轴向切削力和切向切削力却有所增大。刃倾角在-10°～+10°范围内, 3个切削分力的比例关系比较合理。在车削细长轴时, 常采用正刃倾角+3°～+10°, 以使切屑流向待加工表面。

2.2.4

后角较小a0=a01=4°～6°, 起防振作用。

2.3 合理地控制切削用量

切削用量选择的是否合理, 对切削过程中产生的切削力的大小、切削热的多少是不同的。因此对车削细长轴时引起的变形也是不同的。粗车和半粗车细长轴切削用量的选择原则是:尽可能减少径向切削分力, 减少切削热。车削细长轴时, 一般在长径比及材料韧性大时, 选用较小的切削用量, 即多走刀, 切深小, 以减少振动, 增加刚性。

2.3.1

背吃刀量 (ap) 在工艺系统刚度确定的前提下, 随着切削深度的增大, 车削时产生的切削力、切削热随之增大, 引起细长轴的受力、受热变形也增大。因此在车削细长轴时, 应尽量减少背吃刀量。

2.3.2

进给量 (f) 进给量增大会使切削厚度增加, 切削力增大。但切削力不是按正比增大, 因此细长轴的受力变形系数有所下降.如果从提高切削效率的角度来看, 增大进给量比增大切削深度有利。

2.3.3

切削速度 (v) 提高切削速度有利于降低切削力。这是因为, 随着切削速度的增大, 切削温度提高, 刀具与工件之间的摩擦力减小, 细长轴的受力变形减小。但切削速度过高容易使细长轴在离心力作用下出现弯曲, 破坏切削过程的平稳性, 所以切削速度应控制在一定范围。对长径比较大的工件, 切削速度要适当降低。

实践证明:进给量f>0.5时, 防振效果很显著。而稍微加大吃刀深度, 就很容易引起振动。当切削速度为中速时, 细长轴工件常会发生振动。采用高速车削时, 由于离心力作用, 振动也较大, 一般采用不太高的切削速度来加工细长轴的。根据加工经验, 长径比在40:1～120:1之间, 在ap=3m m情况下, 取v=40m/m in、f=0.3～0.5m m/r;或采用v=45～100m/m in, f=0.6～0.12m m/r时, 加工细长轴时不容易引起振动, 但应使车刀的倒棱加宽到0.3～0.6mm, 屑槽宽在6～7mm, 同时工件直径应大于50mm, 否则工件易产生弯曲变形。

3 结论

细长轴车削加工技术现状 篇8

轴是组成机器的主要零件之一,也是应用最广泛的一种机械零件。所有作回转运动的传动零件,都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。细长轴是指长度与直径的比值大于20 的轴。随着各种设备仪器朝微型化趋势发展,细长轴的应用越来越广,如各种微步进电动机轴,高档玩具的电动机轴,电脑风扇电动机轴,电动剃须刀及医疗设备中的各种微型电动机轴和小型丝杠等,因此对细长轴的加工提出了更高的要求。

长期以来,人们在车削细长轴时,存在的主要问题有

1) 切削中细长轴受热产生变形,甚至会卡死在顶尖间而无法加工;

2) 细长轴本身刚性差,受切削力作用而弯曲,从而引起振动,影响精度和表面粗糙度;

3) 工件高速旋转时,在离心力作用下,会加剧弯曲与振动。

为解决以上问题,专家学者们在各方面进行了相关研究。

1 国内研究现状

国内对细长轴的车削主要在传统机床上进行,在传统车床上加工细长轴,专家学者们主要对车削方式、装夹方法及夹具、刀具作了改进,取得了一定的成果。也有部分人对数控车床加工细长轴作了研究。

1. 1 车削方式

武康凯等人提出了反向切削细长轴的方法。所谓反向切削就是指加工过程中车刀从卡盘方向向尾座方向移动,并在尾座上改用可伸缩的弹性顶尖[1,2,3,4]; 反向切削时工件的弯曲变形以及由此引起的加工误差远小于同等条件下正向切削的变形和误差。胡林勇提出用“一刀切”工艺方法加工直径小于1 mm的细长轴零件,即采取一次进给将零件由光轴加工至图样尺寸的方法[5]。孙立国采用有前后刀架的双刀架车削法,适当选用刀具几何角度,使前后刀架产生的径向切削力相互抵消,减小了弯曲变形[6]。尚翠平等主要探讨了细长轴车削加工中切削用量三要素、车刀主要几何参数、切削热、刀具的磨损、机床精度等对细长轴精度的影响,并提出了改进和优化措施[7,8,9,10,11]。马伏波等建立了正向走刀和反向走刀车削细长轴误差计算数学公式,为提高加工精度提供了理论依据[12]。

除了马伏波建立了正反向走刀数学公式外,其他提高细长轴加工质量的方法未总结出通用的理论公式,如何建立受力模型及将其应用到任一细长轴上有待进一步研究。

1. 2 装夹方法与夹具

邱炎儿的研究表明,在车削时,中心架与过渡套筒配合使用,可提高细长轴加工质量和加工效率[13],这时的中心架卡爪不直接接触工件,而与过渡套筒的外表面接触,过渡套筒的两端各装有4 个螺钉,用螺钉夹住毛坯工件。曾祥泉设计了车削超细长轴用支撑套[14],将支撑套与中心架配合使用,提高加工精度及效率。张健飞提出粗车时,采用一夹一顶装夹,并用中心架辅助支承; 精车时,采用两顶尖安装工件,并用跟刀架辅助支承,收到了良好效果[15]。有学者提出在细长轴的左端外圆上套上钢丝圈,利用四爪单动卡盘夹紧,可减少外圆与卡爪之间的接触面积,并能自由调节其方位,避免夹紧时形成弯曲力矩; 在车削过程中使用三爪跟刀架,对于直径较小的细长轴采用托架支承,增强细长轴刚性[16,17,18]。潘逊提出在刀尖方向一定范围内安装一个弹簧滚轮结构的消振器固定在跟刀架上,消除振动,提高加工精度[19]。

可以看出,改变装夹方法及增加新的夹具增强了细长轴刚性,减小了加工中的振动,提高了细长轴加工精度。

1. 3 车刀

周道设计了细长轴多刃车刀,该刀由主切削刃和修光刃组成,并各有一条卷屑槽。用该车刀加工细长轴,在一定程度上提高了加工质量和效率[20]。孙志忠等的研究表明,采用负倒棱的车刀,在同等条件下加工细长轴,可提高工效4 倍以上; 如果使用恰当,不仅可以减小振动,而且可以对工件表面起一定的熨压作用,表面粗糙度由以前的Ra3. 2 提高到Ra1. 6; 可使零件表面产生加工硬化,HBS≥260,使用寿命增加[20]。

当前研究者主要从车刀刀刃方面进行了研究。采用新材料、新工艺制成的车刀用于车削细长轴是未来值得研究的方向。

1. 4 数控车削

杨莉应用单片机实时误差补偿方法在数控机床上加工细长轴,即在不改变机床结构和制造精度基础上,通过对工件加工过程的误差源分析、建模,实时地计算出加工点的空间位置误差,通过控制系统改变坐标驱动来实现误差修正,从而提高加工精度[22]。罗永新等通过分析切削力和切削热对加工精度的影响,把加工中各加工因素引起的变形,应用Pro/E图形设计,定量地补偿到数控编程中去,从而把加工细长杆件的工艺手段简化[23,24]。刘吉安等提出在数控车床转塔上加装跟刀架装置,以增强细长轴刚性,提高尺寸精度、降低表面粗糙度[25]。

目前对于数控机床加工细长轴的研究相对较少,与数控机床相对价格较高、应用不广泛有关。随着科技的进步,数控机床将会越来越普及,在数控机床上进行加工是细长轴车削加工的发展趋势。

2 国外研究现状

国外对细长轴车削加工的研究主要集中于机理研究。专家学者们通过探究细长轴加工误差产生的原因,并建立各种模型,提出减小或避免误差的方法。

2. 1 误差产生的原因

细长轴车削的典型弊病中,无论是竹节形误差还是腰鼓形误差,都可归结为细长轴直径的尺寸误差。为探究尺寸误差产生的原因,专家学者们作了相关研究。Dolinsˇek等将统计学用于加工品质控制中,提出了一种利用统计工具得出影响加工精度原因的方法[26]。Liu分析了工件产生尺寸误差的各种原因,并将其表示为图1[27]。具体来说,在切削力作用下,由于工件的弯曲及进给系统的弹性变形,使实际背吃刀量不等于名义值。由于误差复印规律的存在,前道工序的尺寸误差也会影响尺寸误差; 切削过程中产生的热量将改变工件、机床和刀具的几何形状[28,29]; 加工工艺系统的振动也会引起尺寸误差[30,31,32,33,34];刀具磨损也是产生尺寸误差的原因之一[35]。

2. 2 车削模型

Liu采用有限差分法建立了工件的变形量模型[36],Mayer等建立了车削加工中尺寸误差的预测模型[37],Phan等又对该模型进行了改进[38],后者在模型中考虑了剪切变形的影响。Phan和Cloutier建立了车削加工中具有封闭解的工件变形的有限元模型,该模型最初是针对带有3个不同直径的阶梯轴建立的[39],推广后的模型适于有多个不同直径的阶梯轴[40],后又推广至锥形轴[41]。文献[42-43]建立了卡盘装夹、卡盘-顶尖装夹及双顶尖装夹下车削加工工件的尺寸误差模型,其中考虑了工件、夹具变形及刀具退让等导致尺寸误差的主要因素。Li等对车削加工中由机床几何误差、热误差及机床-工件-刀具系统变形所引起的工件尺寸误差分别进行了建模和预测[44,45,46,47]。Polini和Prisco基于3 个不同的切削力模型分别建立了车削加工中工件的尺寸误差模型[48],结果表明由Armarego的切削力模型所得值与实际情况最接近。Du等又将统计学理论与机床结构、周围环境、工程判断及建模实践相结合,提出了一种新的热误差建模方法[49]。

2. 3 提高精度方法

为减小细长轴车削加工中的误差,得到工件所需的精度,Liu提出了工件变形的补偿方法,从而获得了所需的尺寸精度[36]。Nand K. Jha提出一种优化方法,通过对阶梯轴加工中各参数如切削深度速度、主轴转速、切削次数等进行优化,使其更接近生产实际[50]。Wen-Hong Zhu等设计了精密切削轴的伺服系统,即在普通的数控车床上安装位移传感器、控制器,在加工过程中,传感器把加工具体情况反馈给控制器,通过控制器控制进行补偿来达到加工要求[51]。A. Shawky等用超声波监控系统来监控细长空心轴的加工过程,获得厚度数据,以便时时进行加工补偿,大大减少了空心轴厚度不均的现象[52]。Lo等开发了一个实时误差补偿系统用以校正车削中心的热误差和几何误差,并通过切削试验对该系统的性能进行了检验[53]。

Azizur Rahman等对加工细长轴的刀具材料作了研究,在数控系统上分别用3 种不同材料的刀具加工出了直径<0. 5 mm的轴[54]。而Guerold Bobrovnitchii等则提出用立方氮化硼发展来的Hexanite-R作刀具材料加工带有轴向孔的淬火钢轴[55]。

3 存在的问题及研究方向

1) 目前国内主要通过改进车削方式、装夹方法、工夹具来解决细长轴加工过程中的变形、振动等问题,从而提高其加工精度。研究者主要针对某一具体轴进行研究,其得出的经验方法等有局限性。国外则集中于机理研究,分析误差产生各种原因,建立、修正误差模型,通过误差补偿来提高加工精度。由于种种原因,研究者的模型与实际情况有一定差距,算法不够准确。因此,借助日益精确的算法、多元化的模拟手段及先进的加工工具,建立更加贴合实际的通用模型,得出可广泛应用的计算公式,加工出精度更高的细长轴为研究方向之一。

2) 在刀具方面,国内主要着重于车刀刀刃的研究,国外则主要着重于车刀用材料的研究。因此,将两者结合起来,探究用新材料、新工艺制成不同的刀刃用于细长轴的车削是一个值得研究的方向。

3) 无论是国内还是国外,研究者主要着重于提高细长轴加工精度的研究,而对于加工效率方面研究得较少。在确保精度的前提下,如何提高细长轴的加工效率是未来细长轴车削加工值得研究的方向。

4) 国内对于在数控机床上车削细长轴研究得较少。随着数控机床的普及,降低操作者操作难度,在数控机床上实现细长轴的高精度加工是一个研究方向。

4 结语

随着设备仪器的精密化发展,对细长轴的精度要求越来越高。本文对细长轴车削加工研究现状作介绍,提出有待研究的方向,供细长轴加工研究者参考。

摘要：随着各种设备仪器朝微型化趋势发展,细长轴的应用越来越广泛。介绍了国内外细长轴车削加工技术现状,分析了国内外所研究的侧重点和不同点,指出了其中存在的不足,并展望了细长轴车削加工未来的研究方向。