用進(jìn)刀量補(bǔ)償法減小細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工誤差

劉龍?zhí)?/p>

（中航工業(yè)西安航空動(dòng)力控制有限公司 陜西 西安 710077）

在機(jī)械加工中，通常把長(zhǎng)度與直徑比大于20的軸定義為細(xì)長(zhǎng)軸。該類(lèi)型的軸在機(jī)械零件中比較常見(jiàn)。然而在細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削加工中，由于其長(zhǎng)度與直徑的比值大，在切削力、重力和頂尖頂緊力的作用下，橫置的細(xì)長(zhǎng)軸極易產(chǎn)生振動(dòng)，從而導(dǎo)制彎曲和變形，所以細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削加工在機(jī)械加工領(lǐng)域一直是個(gè)難題。解決車(chē)削加工細(xì)長(zhǎng)軸變形問(wèn)題，傳統(tǒng)加工中主要依靠操作者的技術(shù)水平，這勢(shì)必影響到加工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。尋找一套系統(tǒng)的加工方法，規(guī)范細(xì)長(zhǎng)軸的加工工藝，應(yīng)該是機(jī)加行業(yè)急需研究的重要內(nèi)容。

為了系統(tǒng)解決細(xì)長(zhǎng)軸的加工，我們有必要將以往在細(xì)長(zhǎng)軸加工中的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，形成該類(lèi)零件加工的工藝族譜，使工藝設(shè)計(jì)能高效、規(guī)范、系統(tǒng)。

在細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削方面已經(jīng)有了許多成功的經(jīng)驗(yàn)，提出了許多加工理論及實(shí)際方法，并解決了許多實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題。在實(shí)際工作中，細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削加工可以采用反向走刀車(chē)削法。一般車(chē)削走刀方向是從車(chē)床尾座向車(chē)頭箱進(jìn)行車(chē)削。但是，加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，宜采用反向走刀法，即進(jìn)給方向是由車(chē)頭箱指向尾座。這樣一來(lái)，工件在加工過(guò)程中受到的軸向切削力由車(chē)頭箱指向尾座，對(duì)工件產(chǎn)生起了拉伸作用，減小了細(xì)長(zhǎng)軸的彎曲變形，提高了工件的加工質(zhì)量和加工效率[2]。實(shí)際工作中還可以通過(guò)一系列支承裝置等措施，使車(chē)床尾座套筒中心與主軸旋轉(zhuǎn)中心在同一中心線上，其次，調(diào)整主軸間隙，使主軸旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，大、中、小滑板配合間隙適當(dāng)，提高了細(xì)長(zhǎng)軸的剛性，滿足了加工要求[3]。細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削加工還可以采用一夾一頂裝夾配合跟刀架等措施，減小了因切削力產(chǎn)生的加工誤差。細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削加工還可以通過(guò)車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)的尺寸誤差分析，建立了預(yù)測(cè)模型，通過(guò)切削用量達(dá)到對(duì)變形量的控制[4]。

如果在投入正式生產(chǎn)之前就能準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工的尺寸誤差，并采取有效措施將其削弱甚至消除，那么對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸加工的變形誤差就會(huì)得到極大的改善。為此，本文通過(guò)我公司一個(gè)轉(zhuǎn)包零件加工中的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行理論分析后對(duì)該類(lèi)細(xì)長(zhǎng)軸的加工進(jìn)行一個(gè)總結(jié)。首先對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸在切削力作用下的退讓量進(jìn)行測(cè)量，然后基于進(jìn)刀量補(bǔ)償?shù)姆椒ǎㄟ^(guò)改變進(jìn)刀量以達(dá)到抵制尺寸誤差的目的。

1 細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工誤差的分析

車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸比普通軸困難，主要是因?yàn)樗膹较騽偠鹊停谇邢髁?、重力和頂尖頂緊力的作用下更容易產(chǎn)生彎曲變形。車(chē)削普通軸類(lèi)零件時(shí)，尺寸誤差是由車(chē)刀與工件的偏移共同造成的[1]，而細(xì)長(zhǎng)軸的尺寸誤差則主要是由工件彎曲變形造成的，此時(shí)車(chē)刀的偏移量可忽略不計(jì)。由切削原理可知，車(chē)刀的進(jìn)給方向垂直于加工表面，該方向亦即誤差產(chǎn)生的方向，而細(xì)長(zhǎng)軸在該方向的剛性很差，因此產(chǎn)生尺寸誤差ΔD的直接原因就是細(xì)長(zhǎng)軸在車(chē)刀徑向力作用下產(chǎn)生退讓?zhuān)撏俗層质惯M(jìn)刀量的實(shí)際值小于其理論值，最終產(chǎn)生尺寸誤差 ΔD。

圖1 細(xì)長(zhǎng)軸加工示意圖Fig.1 Thin axis processing schematic diagram

圖2 細(xì)長(zhǎng)軸加工誤差分析圖Fig.2 Thin axis processing error analysis chart

圖1是細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削時(shí)工件、進(jìn)刀量、工件變形量的示意圖。圖2是細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削時(shí)產(chǎn)生誤差尺寸的分析圖。Dw圓為細(xì)長(zhǎng)軸在車(chē)削前的直徑尺寸和軸圓位置。De圓為車(chē)削加工后細(xì)長(zhǎng)軸的實(shí)際直徑尺寸和軸圓位置。Dm圓為細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削時(shí)的理論直徑尺寸和軸圓位置。t為預(yù)先給定的進(jìn)刀量。由于細(xì)長(zhǎng)軸剛性差，零件在加工中受切削力作用在徑向和軸向兩個(gè)方向均產(chǎn)生了退讓?zhuān)琔wx是細(xì)長(zhǎng)軸加工后沿X軸產(chǎn)生的誤差值，Uwy是細(xì)長(zhǎng)軸加工后沿Y軸產(chǎn)生的誤差值。

如圖2所示，車(chē)削后細(xì)長(zhǎng)軸的實(shí)際直徑的誤差ΔD為：

如果受力均勻，Uwx和Uwy的值可以看成是相等的，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 Dm，將（3）式代入（1）式可以得：

假定徑向切削力Fy不變，這時(shí)的誤差主要是沿水平方向的移動(dòng)，根據(jù)材料力學(xué)的有關(guān)計(jì)算公式，其切削點(diǎn)的變形量：

式中 E— 材料的彈性模量，E=2×105Mpa

I— 工件的截面慣性矩，I=лd4/64

L— 工件的長(zhǎng)度

d— 工件的直徑

x— 切削點(diǎn)距離車(chē)床頭架的距離

又根據(jù)徑向切削力經(jīng)驗(yàn)公式

式中t—切削厚度

其中CFy、xFy、yFV、nFV、KFV對(duì)于一定的加工條件為常數(shù)，可由參考文獻(xiàn)[5]、[6]確定。當(dāng)進(jìn)給量f和切削速度v確定后，加工中的實(shí)際切削力

系數(shù)M=574用于粗加工，M=307用于精加工[7]。

設(shè)工件軸線上選定切削點(diǎn)的實(shí)際變形量為Uwxw，這時(shí)工件上切削點(diǎn)的實(shí)際切削厚度

由公式（5）、（7）、（8）可得：

在公式（9）中，可以欲先給一定理論值t，可以通過(guò)公式（9）計(jì)算出實(shí)際值 t′。

從上面公式（4）可知尺寸誤差ΔD與切削點(diǎn)的變形量Uwx有一定的關(guān)系，從公式（5）可知，切削力Fy又影響著變形量Uwx，由公式（8）可知進(jìn)刀量t′又與變形量Uwx有一定的關(guān)系。于是，提出控制和修正進(jìn)刀量，就可是控制了變形量，同時(shí)也就控制了切削力和誤差尺寸。

2 補(bǔ)償模型

依據(jù)公式（9），試著提出把細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)切削控制系統(tǒng)改進(jìn)為一個(gè)進(jìn)刀量的補(bǔ)償部分。細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削進(jìn)刀量補(bǔ)償系統(tǒng)如圖3所示，它由5部分組成：計(jì)算機(jī)、微進(jìn)給系統(tǒng)、車(chē)刀以及測(cè)量退讓量大小設(shè)置以及進(jìn)刀補(bǔ)償計(jì)算裝置。在給定的進(jìn)刀量補(bǔ)償系統(tǒng)中，首先計(jì)算機(jī)根據(jù)理論計(jì)算一個(gè)進(jìn)刀量t，微進(jìn)給系統(tǒng)控制車(chē)刀沿工件軸向走刀，此時(shí)有個(gè)切削力和尺寸誤差，實(shí)際背進(jìn)刀量也發(fā)生變化，測(cè)量實(shí)際背進(jìn)刀量，進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，輸給微進(jìn)給系統(tǒng)控制車(chē)刀沿工件軸向走刀。補(bǔ)償系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)控制誤差尺寸大小，修正變形量，這樣循環(huán)進(jìn)行，使得數(shù)控機(jī)床能夠按照新的路線運(yùn)動(dòng)，加工出接近理想尺寸的細(xì)長(zhǎng)軸。

圖3 進(jìn)行誤差補(bǔ)償實(shí)際模型Fig.3 Error compensation model

3 試驗(yàn)及結(jié)果

為驗(yàn)證補(bǔ)償法的效果，將其應(yīng)用于細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削試驗(yàn)。試驗(yàn)所用零件的有效長(zhǎng)度為150 mm，直徑Dw=8 mm，長(zhǎng)徑比約為20，屬于細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)工件，且已經(jīng)過(guò)粗加工，工件材料為12CrN3A鋼。試驗(yàn)用切削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速v=300 r/min，進(jìn)給量f=0.2 mm/r，進(jìn)刀量t=0.5 mm，因此車(chē)削后工件的理想尺寸應(yīng)為 Dm=Dw－2t=7 mm。

第一次切削試驗(yàn)時(shí)不采用誤差補(bǔ)償措施，車(chē)削完成后對(duì)零件上沿軸向均勻分布的9個(gè)點(diǎn)處的直徑De進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)式（1）求出各點(diǎn)的尺寸誤差ΔD。第二次試驗(yàn)中各點(diǎn)的ΔD控制進(jìn)行微量進(jìn)給從而調(diào)整進(jìn)刀量t，使得t的調(diào)整正好可以彌補(bǔ)細(xì)長(zhǎng)軸在徑向力作用下產(chǎn)生的退讓。車(chē)削完成后同樣對(duì)9個(gè)點(diǎn)的直徑進(jìn)行測(cè)量。兩次試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 細(xì)長(zhǎng)軸加工試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The thin axis processing test results

由圖4可以看出，當(dāng)不采用進(jìn)刀量補(bǔ)償措施時(shí)，細(xì)長(zhǎng)軸尺寸誤差呈現(xiàn)出中間大兩端小的變化趨勢(shì)，最大誤差值約0.08 mm，這是因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)軸中部剛性最差。當(dāng)采用進(jìn)刀量補(bǔ)償措施時(shí)。細(xì)長(zhǎng)軸沿軸向各點(diǎn)的尺寸誤差大小相差不多，最大值約0.02 mm。這說(shuō)明通過(guò)進(jìn)刀量補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用，不僅使尺寸誤差的變化趨于穩(wěn)定，而且尺寸誤差的最大值減小了大約0.05 mm。

4 結(jié) 論

通過(guò)該文對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸尺寸誤差產(chǎn)生原理的分析，嘗試找到了確定其大小與切削點(diǎn)的變形量的關(guān)系式。接著運(yùn)用材料力學(xué)理論，得出了切削點(diǎn)的變形量與切削力的關(guān)系式，最后依據(jù)徑向切削力經(jīng)驗(yàn)公式，得出了理論進(jìn)刀量與實(shí)際進(jìn)刀量的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用進(jìn)刀量補(bǔ)償方案對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸加工進(jìn)刀量進(jìn)行修正。切削試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可顯著補(bǔ)償零件的變形引起的刀具的退讓量，提高細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削的加工精度。

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