細長軸加工工藝改進

一拖（洛陽）建筑機械有限公司（河南 471003）楊贊偉 陳艷萍 陳興進 崔 陶

1.細長軸的特點

所謂細長軸就是軸的長度L與直徑d之比大于25的細長工件。細長工件之所以難車，主要是由于它剛性差，在切削力和切削熱的作用下，細長軸很容易產(chǎn)生彎曲變形，這樣就破壞了刀具和零件相對運動的準確性。而相對工件來說機床和車刀的剛性好，所以車削過程中就使變形與振動等都集中在細長軸上，從而引起一系列問題，如：

（1）在車削時受切削力和重力的作用而引起彎曲變形，產(chǎn)生振動，從而影響加工精度和表面質(zhì)量。

（2）在切削熱的作用下，軸件會產(chǎn)生相當大的熱膨脹，如果兩端用固定支撐會使工件受擠壓而產(chǎn)生彎曲變形。當軸以高速運轉(zhuǎn)時，這種軸彎曲所引起的離心力會加劇軸的變形和振動。

（3）車削細長軸在高速小進給量精車時，刀具易于磨損，從而影響工件的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度。

（4）工件長徑比愈大，剛性愈差，切削加工愈困難。

（5）由于以上原因，車削細長軸時往往采用較低的轉(zhuǎn)速，限制了切削用量的增大，生產(chǎn)效率低。

2.動力輸出離合器軸

從圖1可以看出，該軸所用材料為合金結(jié)構(gòu)鋼19CN5，從外徑形狀看有九種變化，長徑比L/d達60倍，構(gòu)成了剛度差的明顯特點。該工件中間有多個臺階，使用跟刀架不方便，如果使用中心架或分段車削，勢必會造成加工誤差大，影響產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率。

3.原生產(chǎn)情況

此零件是公司某主導產(chǎn)品的主要零件之一。該零件原來由專業(yè)廠制作，成本較高。為降低成本，公司開始自己加工制作，在C6140A型車床上用傳統(tǒng)的細長軸加工工藝對動力輸出離合器軸軸坯進行車削加工，彈性頂尖、中心架、跟刀架（兩爪、三爪）試了多遍，結(jié)果跳動量最大的達3～4mm，一般工件跳動量在2mm左右，每人每班只能加工一件。就這樣生產(chǎn)一年時間，后來為保證質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，公司購買一臺數(shù)控車床，由設(shè)備方專家開始調(diào)試，工件最小跳動量仍在1.2mm以上，工序草圖更改多次，并多次放寬尺寸要求，仍未加工出一根不需校直的合格件。

圖1

4.質(zhì)量分析

（1）機床規(guī)格與實際軸類長度相差200mm，從動力輸出離合器軸齒坯圖上看，該工件全長1204mm，這臺數(shù)控車床走刀行程長度為1.2m，而尾座頂尖至卡爪的最大距離為1m，無法在一次裝夾中對該工件全長上進行加工。

（2）兩次裝夾使加工誤差增大：第一次裝夾是用加長爪卡住工件靠中間段，打中心孔，頂尖頂住車外圓；而另一段則懸空在機床主軸孔里。當高速運轉(zhuǎn)時，由于金屬質(zhì)量分布不均勻，形成離心力，更加引起變形。當調(diào)頭再加工時仍采用與上道工序同樣的方法進行兩端固定支承加工。就兩次裝夾加工來說，長徑比仍不小于25倍。又因為卡爪與工件接觸面積大，加工過程中，受切削力和切削熱作用產(chǎn)生變形，而容易形成彎曲力矩，當取下工件時產(chǎn)生直線度變化更大。

（3）裝夾方式不利于細長軸加工：采用跟刀架和中心架，雖然能夠增加工件的剛度，基本消除徑向切削力對工件的影響。但還不能解決軸向切削力把工件壓彎的問題，特別是對于長徑比較大的細長軸，這種彎曲變形更為明顯；由于該細長軸臺階多，外徑有九種變化，增加了使用跟刀架和中心架的調(diào)整頻次和難度，對工人的技術(shù)素質(zhì)要求高。

（4）精磨后不合格的原因主要是：①車加工后的工件擺差大，有些工件接刀處擺差達0.5 mm，形成偏心軸，無法校直，使磨削余量變大。②該工件表面淬火硬度55～57HRC，深1.5～3 mm，外硬內(nèi)軟。由于工件不直，留磨余量大，致使工件表層磨去厚薄不均，軸表面的硬度和抗彎強度不一樣，在磨削過程中工件會產(chǎn)生新的變形。

5.工藝改進

具體措施如下：

（1）毛坯校直處理與機床的選用：毛坯校直在2mm以內(nèi)，如果正火或調(diào)質(zhì)處理后的毛坯彎曲度大，經(jīng)校直后必須經(jīng)過時效處理、消除內(nèi)應力；選用1.5m加工長度的臥車即可。

圖2

（2）設(shè)計制作尾座拉緊夾具（見圖2）：尾座拉緊裝置是將尾座的裝夾方式由傳統(tǒng)的頂緊改為拉緊。在車削過程中，細長軸始終受到軸向拉力，解決了軸向切削力把細長軸壓彎的問題。同時在軸向拉力的作用下，會使細長軸由于徑向切削力引起的彎曲變形程度減小；補償了因切削熱而產(chǎn)生的軸向伸長量，提高了細長軸的剛性和加工精度。夾具結(jié)構(gòu)是一根加長專用尾座套筒，它沒有尾座套筒的莫氏錐度孔，而在左端安裝拉緊裝置，其他部分與機床的尾座套筒相同。

（3）設(shè)計并制造跟刀滾壓器：由于工件長徑比L/d大，拉緊力只能在一定程度上起到減小變形作用，當采用較高的金屬切除率時仍有變形和振動。另外也為了便于使工件可靠地達到圖樣要求，降低對工人的技術(shù)素質(zhì)要求，我們又針對動力輸出離合器軸的幾何形狀，設(shè)計了“跟刀滾壓器”。圖3所示跟刀滾壓器是利用自定心卡盤原有的三個等度分配且能同步進給的條件，配置上具有伸縮性的壓縮彈簧，可調(diào)力，并能用定扭矩扳手檢測出壓力大小，設(shè)置支承架固定在大滑板原有的螺孔位置上的跟刀滾壓裝置。該裝置不同于一般的跟刀裝置，調(diào)整方便，自動對中。車削細長軸時，當滾壓力大于或等于切削力時，使工件產(chǎn)生彎曲變形的力為零，以起到緩沖、吸振、增強工件抵抗切削力的作用，達到提高生產(chǎn)效率、提高加工精度的目的。

圖3

（4）選擇刀具合適幾何參數(shù)：為減小切削力、切削熱、徑向力，取前角25°、后角5°～8°，主偏角75°、90°兩種，刀尖圓弧半徑0.3～0.5 mm，刃傾角5°～8°，負倒棱寬0.15～0.2mm，斷屑槽寬3～4mm。為保證刀具有足夠的強度和良好的散熱條件，優(yōu)選副偏角8°～10°、副后角2°～4°。這些刀具的選擇，使刀具實用性增強，粗精加工不用換刀，壽命長，磨一次刀可加工3～4件。當切削用量的吃刀深度0.5～2.5 mm，進給量0.5～2.5 mm/r，切削速度60～70m/min時，切屑呈銀白色或淡黃色，形成弦月狀或螺旋狀順下方排出。

（5）選擇合適的冷卻和潤滑措施：選用80%的柴油加20%的N15全損耗系統(tǒng)用油可以起到良好的冷卻潤滑作用。與乳化液相比具有滲透性強、潤滑效果好的特點，有利于提高刀具壽命，半精車和精車時更加顯著。

（6）選擇裝夾方式：工件裝夾不當時，會造成加工誤差。一是基準位移誤差；二是夾緊誤差，當卡爪與工件接觸面積大時，在夾緊力的作用下，引起彎曲力矩，加工完畢后，取下工件時產(chǎn)生回彈造成加工誤差大。為減少裝夾誤差，筆者采取了兩點措施：①夾住毛坯中部，用頂尖直接頂住端面，（主軸230r/min避免離心力大將懸空在主軸孔的另一半甩彎），分別在毛坯兩端車出工序基準，待桿部車好后，再以桿部為基準分別打出兩端中心孔，以減少加工誤差。②在車好后的工序基準上套上一個直徑4mm彈簧開口鋼絲圈，減少卡爪與工件軸向接觸面，消除安裝時的過定位，起到萬向調(diào)節(jié)作用，避免夾緊工件時產(chǎn)生彎曲力矩，減少彎曲變形。

6.結(jié)語

這次動力輸出離合器軸的成功實踐，一舉改變動力輸出離合器軸加工的被動局面，有效解決了制約公司生產(chǎn)的瓶頸因素。現(xiàn)在每人每天可加工5～6件，最大跳動量不大于0.15mm。從加工后的質(zhì)量看，比工序圖樣要求的0.3mm提高精度50%；使下道工序便于加工；從產(chǎn)量看比原有工效提高4倍。特別是尾座拉緊和跟刀滾壓器夾具的設(shè)計運用，有效解決了細長軸加工難題，不僅提高了加工效率，還大幅降低了制造成本。