普通車(chē)床加工細(xì)長(zhǎng)軸的工藝探究
2020-5-14 來(lái)源： 中石化江鉆石油機(jī)械有限公司 作者：何青青
摘要：在普通長(zhǎng)車(chē)床上加工細(xì)長(zhǎng)軸零件時(shí)，由于長(zhǎng)度和直徑的比值較大，在軸向和徑向切削力的作用下很容易造成細(xì)長(zhǎng)軸零件彎曲變形與振動(dòng)，加工中對(duì)操作者的技術(shù)水平要求很高。雖然目前我公司在加工細(xì)長(zhǎng)軸方面已實(shí)現(xiàn)了批量加工的能力，但是加工精度和生產(chǎn)效率方面暫且滿(mǎn)足不了實(shí)際需求，因此解決普通車(chē)床上加工細(xì)長(zhǎng)軸外圓的難題就顯得尤為重要。通過(guò)分析細(xì)長(zhǎng)軸加工過(guò)程中產(chǎn)生變形的原因，合理調(diào)整裝夾方式和加工參數(shù)，設(shè)計(jì)新工裝，優(yōu)化加工方法來(lái)提高加工效率，并且保證較高的加工質(zhì)量，為細(xì)長(zhǎng)軸零件的大批量生產(chǎn)提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：細(xì)長(zhǎng)軸；車(chē)削工藝；變形原因；加工方法
1、 概述
在機(jī)械加工中，長(zhǎng)度與直徑之比大于 25（L/d>25）的軸稱(chēng)為細(xì)長(zhǎng)軸。這類(lèi)零件在卡爪夾持力、切削力、重力和頂尖軸向力的作用下，加工過(guò)程中很容易產(chǎn)生外圓表面粗糙度低和彎曲的問(wèn)題。因此，解決細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度和加工效率的問(wèn)題，就是控制加工過(guò)程中零件的受力及受熱變形的問(wèn)題。
2、 細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削的工藝特性
2.1 工件剛性很差，若卡爪、中心架和頂尖三個(gè)部位裝夾不合適，受自由度的限制，易在軸向切削力、徑向切削力及重力的作用下彎曲變形，從而產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)軸的振動(dòng)，直接影響加工精度和加工效率。
2.2 工件散熱性能差，加工中產(chǎn)生較大的切削熱而彎曲變形。
2.3 工件加工中通常經(jīng)歷粗車(chē)、半精車(chē)和精車(chē)的過(guò)程，單次切削時(shí)間長(zhǎng)，刀具、工件冷卻不及時(shí)、工件切削余量不均對(duì)刀具損耗大，易產(chǎn)生竹節(jié)狀的幾何形狀。
2.4 工件加工過(guò)程中，中心架子支撐外圓的圓周跳動(dòng)量和表面精度低，直接影響中心架的裝夾。
2.5 工件加工過(guò)程前，由于中心架兩個(gè)下支承滾輪的支撐力和一個(gè)上壓緊輪壓力調(diào)整不當(dāng)，也會(huì)影響加工精度。
3 、細(xì)長(zhǎng)軸加工中彎曲變形的原因
通常，裝夾細(xì)長(zhǎng)軸零件原材料的方式有兩種，一種是“一夾一頂”的方式；另一種是兩頂尖支撐的方式。我們根據(jù)設(shè)備特性，主要分析“一夾一頂”的裝夾方式。如圖 1 所示。
3.1 切削力導(dǎo)致的變形
外圓加工過(guò)程中，切削力可以分解為軸向力 PX、徑向力 PY及切向力 PZ。三種切削力對(duì)工件產(chǎn)生彎曲變形的影響是不同的。
3.1.1 軸向削力 PX的影響
軸向切削力平行作用在軸線方向上。由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性較差，軸向切削力 PX作用在工件外圓面上，會(huì)以頂尖為支點(diǎn)對(duì)工件形成一個(gè)扭矩。當(dāng)軸向切削力超過(guò)工件屈服強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生
縱向彎曲變形。如圖 1 所示。
圖 1 軸向切削力 PX受力示意圖
3.1.2 徑向力 PY的影響
徑向切削力 PY是垂直作用工件軸向方向上。由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性較差，徑向會(huì)以卡爪和頂尖為支點(diǎn)將工件頂彎。同樣，當(dāng)徑向切削力超過(guò)工件屈服強(qiáng)度時(shí)，亦會(huì)生彎曲變形。如圖產(chǎn) 2 所示。
圖 2 徑向切削力 PY受力示意圖
3.2 切削熱產(chǎn)生的影響
由于加工過(guò)程中，卡盤(pán)和頂尖都是固定不動(dòng)的，因此兩者之間的距離也是固定不變的。切削中產(chǎn)生的切削熱會(huì)造成工件熱伸長(zhǎng)，工件受到 X 向自由度的限制產(chǎn)生軸向擠壓，從而產(chǎn)生彎曲變形。
4、 解決細(xì)長(zhǎng)軸加工受力和熱變形的措施
4.1 優(yōu)化工件裝夾方法減少過(guò)定位受力
我單位在加工細(xì)長(zhǎng)軸前，通常采用“一夾一頂”的裝夾方式。主軸卡爪一般用 2~3 個(gè)牙齒長(zhǎng)度夾緊工件一端，，另一端使用頂尖固定預(yù)先加工好的頂尖孔，以確保工件能在同一軸線上自由旋轉(zhuǎn)。若卡爪裝夾工件過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生過(guò)定位、加工前頂尖對(duì)頂尖孔的預(yù)緊力過(guò)大，車(chē)削時(shí)工件受熱伸長(zhǎng)，以及機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間使用，造成主軸端軸心與頂尖軸心產(chǎn)生不同軸，均會(huì)導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸受到過(guò)定位和軸向擠壓力的作用彎曲變形。為解決此問(wèn)題，我們?cè)诓捎?ldquo;一夾一頂”裝夾方式時(shí)，在卡爪端與細(xì)長(zhǎng)軸之間墊入一個(gè)開(kāi)口鋼絲圈，減少卡爪與工件接觸長(zhǎng)度，消除安裝時(shí)的過(guò)定位。如圖 3 所示。
圖 3 一夾一頂裝夾的改進(jìn)
4.2 優(yōu)化工件車(chē)削剛性穩(wěn)定切削力
在加工細(xì)長(zhǎng)軸外圓時(shí)，可使用中心架輔助支撐來(lái)增加工件剛性。一般加工細(xì)長(zhǎng)軸使用中心架的方法有：
4.2.1 用中心架支承車(chē)細(xì)長(zhǎng)軸
為增加工件車(chē)削時(shí)的剛性就需要降低細(xì)長(zhǎng)軸長(zhǎng)徑比，通常將中心架支承在工件中段，對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸外圓進(jìn)行分段車(chē)削。在使用中心架之前，必須在工件中間車(chē)出一段 40~70mm 長(zhǎng)，用于中心架頂頭體支承的“架子口”。加工出的架子口表面粗糙度及圓柱度需要以打表的方式控制在 0.04mm 以?xún)?nèi)；其次，車(chē)削時(shí)，中心架的頂頭體滾輪或支承爪與工件架子口的接觸面需加潤(rùn)滑油保持潤(rùn)滑。特別是支承爪的支承方式時(shí)，可以在支承爪與工件架子口之間加一層砂布或研磨劑進(jìn)行研磨抱合，確保良好的接觸，以滿(mǎn)足細(xì)長(zhǎng)軸外圓的加工精度。如圖 4 所示。
圖 4 中心架支撐工件
4.2.2 用定心套筒支承車(chē)細(xì)長(zhǎng)軸
實(shí)際加工中，我們還會(huì)受到原材料直線度的影響，工件兩側(cè)切削量不同，會(huì)造成架子口尺寸和產(chǎn)品尺寸難以取舍。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)制作定心套筒工裝輔助加工。定心套筒工裝的設(shè)計(jì)思路是：a.在工件中段以“虛擬四爪卡盤(pán)”的方式減少工件長(zhǎng)徑比，降低車(chē)削架子口的繁瑣性；b.加工一套外圓精度較高、熱處理硬度適中、壁厚能強(qiáng)度要求的空心殼體；c.殼體長(zhǎng)200~250mm，殼體內(nèi)徑較工件外徑大 30mm 左右，外徑不得大于中心架使用范圍；d. 在定心套筒工裝兩端距離端面 30mm 左右處，等分安裝四個(gè) M16 的螺栓。
使用步驟是：a.吊裝工件前將定心套筒放置于工件中部，同時(shí)將八只螺栓預(yù)緊于工件，確保定心套筒與工件的間隙大體一致；b.使用“一夾一頂”的方式裝夾工件；c.用吸附于小刀架上的磁力百分表，分別在定心套筒兩端進(jìn)行徑向和軸向打表，調(diào)整并擰緊螺栓，確保徑向和軸向誤差≤0.05mm；d.移動(dòng)中心架至定子套筒中間部位，調(diào)整上下頂頭體讓滾輪與定心套筒外圓緊密接觸，隨即可實(shí)施車(chē)削加工。
4.2.3 用跟刀架支承車(chē)細(xì)長(zhǎng)軸
跟刀架是一種固定在床鞍上，可以跟隨車(chē)刀移動(dòng)，支承工件重力、抵消徑向切削力 PY、增加工件的剛度的機(jī)床附帶工裝，通常有兩爪和三爪兩種。從而提高細(xì)長(zhǎng)軸的形狀精度和表面粗糙度。使用兩爪跟刀架時(shí)，工件自身重力以及車(chē)刀給工件的切削抗力 PY，使工件貼住跟刀架的兩個(gè)支承爪上，這類(lèi)跟刀架的弊端是半閉合支撐。工件在旋轉(zhuǎn)切削時(shí)可能因原材料硬度不均，切削抗力的變化導(dǎo)致工件瞬時(shí)離開(kāi)支承爪而產(chǎn)生跳動(dòng)；使用三爪跟刀架時(shí),工件受到三個(gè)支承塊的限制和切削抗力的作用，工件在 Y、Z 向自由度受限，車(chē)削時(shí)不易產(chǎn)生振動(dòng)。因此，選用三爪跟刀架車(chē)細(xì)長(zhǎng)軸至關(guān)重要。如圖 5 所示。
圖 5 跟刀架使用示意圖
4.3 減少工件的熱變形伸長(zhǎng)
熱伸長(zhǎng)量公式如下：△L=a L△t （1）式（1）中：a———材料線膨脹系數(shù)（1/℃）；L———工件的總長(zhǎng)（mm）；△t- 工件升高的溫度（℃）。
例：車(chē)削直徑為 120mm，長(zhǎng)度為 5000mm 的馬達(dá)轉(zhuǎn)子，材料為 45# 鋼，車(chē)削時(shí)因受切削熱的影響，工件由原來(lái)的 15℃上升到 55℃，求這根細(xì)長(zhǎng)軸的熱變形伸長(zhǎng)量？
從式（2）計(jì)算可知，我公司這類(lèi)產(chǎn)品所屬的細(xì)長(zhǎng)軸熱變形伸長(zhǎng)量較大。同時(shí)，裝夾中工件受到卡爪和頂尖的限位，工件無(wú)法自由伸長(zhǎng)，因而產(chǎn)生彎曲。為此，我們采取以下措施：
（1）使用彈性回轉(zhuǎn)頂尖，可有效減少工件熱變形伸長(zhǎng)。
（2）加注充分的切削液，減少工件的溫升而引起熱變形。
（3）刀具保持鋒利，降低車(chē)刀與工件的摩擦熱。
5、 細(xì)長(zhǎng)軸加工中常出現(xiàn)的問(wèn)題和解決辦法
5.1 用中心架輔助分段加工細(xì)長(zhǎng)軸，經(jīng)常出現(xiàn)工件外圓銜接不好的問(wèn)題如何解決？
細(xì)長(zhǎng)軸分段車(chē)削過(guò)程中，需每加工 100mm 長(zhǎng)度即對(duì)外圓直徑實(shí)施測(cè)量，隨時(shí)調(diào)整中心架頂頭體緊固程度，始終保證工件軸線與主軸軸線同軸，要求細(xì)長(zhǎng)軸外圓尺寸控制在±0.02mm 以?xún)?nèi)。中心架一端外圓完成車(chē)削后將工件卸下，調(diào)頭重新裝夾車(chē)另一端或移動(dòng)定心套筒工裝至已加工面重新找正繼續(xù)車(chē)削。由于細(xì)長(zhǎng)軸分段車(chē)削是在兩次裝夾中完成的，常因操作不當(dāng)造成外圓銜接處過(guò)渡部圓滑。因此，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：先調(diào)整中心架下方兩個(gè)頂頭體，使其與工件外圓接觸。調(diào)節(jié)支撐力度過(guò)大不但會(huì)頂彎工件，還會(huì)使頂頭體支承爪和工件之間摩擦增大，導(dǎo)致工件摩擦熱過(guò)大從而變形；調(diào)節(jié)支撐力度過(guò)小，中心架無(wú)法發(fā)揮作用，工件在車(chē)削時(shí)會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)。直接的判斷方式分兩種：一種是低速轉(zhuǎn)速打表找正，一種是中速旋轉(zhuǎn)進(jìn)刀預(yù)刮削工件一圈，觀察工件表面刀痕均勻性。調(diào)整好中心架兩個(gè)支撐頂頭體后，扣上蓋并調(diào)整壓緊端頂頭體，判斷其力度的方式與兩個(gè)支撐頂頭體相同。
細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削過(guò)程中，需隨時(shí)觀察頂頭體與工件的接觸和磨損情況并及時(shí)調(diào)整，同時(shí)時(shí)刻在接觸面添加潤(rùn)滑油或油基潤(rùn)滑液降低磨損。
5.2 用跟刀架輔助車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，外圓表面產(chǎn)生的“竹節(jié)形”如何解決？所謂“竹節(jié)形”是車(chē)削的外圓尺寸忽大忽小，不均勻。用跟刀架輔助車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸，分析“竹節(jié)形”形成的原因：反向切削過(guò)程中，跟刀架支撐爪調(diào)整的預(yù)緊力過(guò)大，此時(shí)車(chē)削點(diǎn)靠近工件尾端且工件剛性好、工件受到頂尖的約束，可按初定的進(jìn)刀量正常車(chē)削出所需的外徑。車(chē)削一段長(zhǎng)度后工件剛度逐漸下降，跟刀架支撐爪也逐步釋放壓緊力，將工件壓向車(chē)刀，造成吃刀量增大，導(dǎo)致軸外徑縮小；隨后，當(dāng)跟刀架支撐爪跟到尺寸縮小的軸外徑時(shí)，支撐爪向外壓向工件的力度降低，車(chē)削抗力將工件壓向支撐爪，造成吃刀量減小，導(dǎo)致軸外徑增大。隨后這樣有規(guī)律的變形，直接造成軸外圓表面加工成了“竹節(jié)形”。具體解決方法有：
調(diào)整跟刀架卡爪與工作接觸壓力，直至正常用力無(wú)法擰動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕。調(diào)整單刀切削量在 1.5mm 以?xún)?nèi)和進(jìn)給速度，降低工件切削抗力。使用彈性頂尖，減少工件變形產(chǎn)生的彎曲形變。
6 、結(jié)論
由于細(xì)長(zhǎng)軸自身剛性差，外圓車(chē)削時(shí)候的受力和受熱對(duì)加工質(zhì)量和效率產(chǎn)生很大影響。所以，熟悉產(chǎn)品的正確裝夾和優(yōu)化加工方法，可保證細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量。
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