細(xì)長軸加工精度分析

王柄超，宗戰(zhàn)，黃浩倫，呂安康

（中國石油西部鉆探青海鉆井公司，青海 海西州 816400）

軸類零件主要用于支撐機(jī)器的傳動，傳遞扭矩以及承受一定的載荷，其加工精度對于機(jī)械設(shè)備的使用壽命具有十分重要的影響。隨著機(jī)械使用要求的不斷提高，就對軸類零件的尺寸、幾何形狀、相互位置以及表面粗糙度等加工精度提出了較高的要求。細(xì)長軸是指長度與直徑之比大于25的軸，在實際的加工過程中會受到多種因素的不良影響，導(dǎo)致其加工精度難以保障。因此，為了提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命，就要采取有效的改善措施，對影響細(xì)長軸加工精度的因素進(jìn)行有效的控制，將加工誤差控制在合理的范圍內(nèi)，進(jìn)而確保細(xì)長軸的加工質(zhì)量符合要求。

1 細(xì)長軸加工精度的影響因素

1.1 機(jī)床的精度及磨損

（1）主軸的回轉(zhuǎn)精度。在加工過程中，當(dāng)主軸發(fā)生徑向跳動后，其回轉(zhuǎn)軸線相對于刀具位置發(fā)生變化后，就會導(dǎo)致工件半徑發(fā)生一定的變化，進(jìn)而對工件加工圓度造成直接影響；當(dāng)主軸發(fā)生軸向竄動后，其回轉(zhuǎn)軸線就會發(fā)生一定的變化，進(jìn)而對內(nèi)外圓相對于端面的垂直度造成直接影響；當(dāng)主軸發(fā)生擺動后，其回轉(zhuǎn)軸線相對于刀具在軸向和徑向位置都發(fā)生了一定的變化，對工件的圓度和圓柱度造成不良影響。

（2）車床導(dǎo)軌的幾何精度。導(dǎo)軌在垂面上的縱向平直度是指導(dǎo)軌與主軸之間的平行度，其發(fā)生變化后主要體現(xiàn)在對刀具中心高度的影響。如圖1所示，隨著刀尖位置的下降，h就會減小，工件半徑就會發(fā)生相應(yīng)程度的增加，其增加量為△R，對工件加工精度帶來不小的影響。導(dǎo)軌在垂面上的橫向平直度是指床身前、后導(dǎo)軌不在統(tǒng)一水平上，導(dǎo)致刀架發(fā)生不同程度的傾斜。如圖2所示，隨著導(dǎo)軌高度差a的不斷增加，細(xì)長軸半徑的變化值y也不斷增加，導(dǎo)致其精度難以保障。

1.2 刀具磨損

圖1 縱向平直度對加工精度的影響示意圖

在加工過程中，刀具的切削行程L可以表示為：L=πDX/1000f，其中，D為工件的直徑，X為刀具移動的距離。當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生磨損后，若L小于起始磨損長度L1時，刀具磨損程度的計算公式為：M=L·uB/L1，其中，M為刀具的磨損程度，μm；L1為1000m；uB表示刀具的起始磨損量；若L大于L1且小于快速磨損長度L2時，刀具磨損程度的計算公式為：M=uB+(L-L1)/1000u0，其中，u0為單位磨損；L2為8km。

圖2 橫向平直度對加工精度的影響示意圖

1.3 工藝系統(tǒng)受力變形

（1）車床的彈性變形。在車床進(jìn)行切削的過程中，其切削力主要分布在三個不同的方向上，即Px(Fx)、Py(Fy)、Pz(Fz)，車刀上的后角使得這三個力之間互相造成影響，其中尤以Y方向的上的切削力最為敏感。車床在Py力的作用下，所發(fā)生的變形為：

Y車床=Py[(x/L)2/K主軸箱+(L-x)2K尾架/L2+1/K刀架]

其中，K主軸箱為主軸箱的剛度；K尾架為尾架的剛度；K刀架為刀架的剛度。

由上式能夠看出，機(jī)床受力變形對工件直徑變化之間的關(guān)系為2倍，因此，機(jī)床變形對工件的加工精度影響較大。

（2）工件縱向截面的受力變形。工件在Py力作用下的變形為：y工件=PyL3(x/L)2[(L-x)L]2/3EI。式中，E為工件的彈性模數(shù)，I為圓環(huán)截面的慣性矩，根據(jù)公式計算的工件受熱及熱變形對加工精度的影響如表1所示。

表1 工件受熱及熱變形對加工精度的影響表

1.4 切削熱

在加工細(xì)長軸的過程中，刀具與工件和切削之間具有高速的相對運(yùn)動，在摩擦力的作用下就會產(chǎn)生大量的熱量。隨著熱量的不斷積累，細(xì)長軸的溫度就會逐漸升高，當(dāng)超過其極限承受溫度后，細(xì)長軸就會發(fā)生不同程度的變形，對加工精度造成不小的影響。細(xì)長軸由于其自身尺寸的特點導(dǎo)致其熱擴(kuò)散性能較差，在刀具的不斷切削過程中，熱量的擴(kuò)散量遠(yuǎn)小于聚集量，就會導(dǎo)致細(xì)長軸中不斷積累熱量，引起細(xì)長軸發(fā)生非常大的線膨脹，從而導(dǎo)致工件發(fā)生彎曲變形。一旦細(xì)長軸發(fā)生變形后，在高速旋轉(zhuǎn)的過程中，彎曲就會導(dǎo)致產(chǎn)生較大的離心力，進(jìn)一步加劇工件的彎曲程度，最終就會導(dǎo)致車削工序無法正常進(jìn)行。

2 提升細(xì)長軸加工精度的措施

2.1 改進(jìn)裝夾方式

在細(xì)長軸的加工過程中，其裝夾一般采用卡盤和頂尖相結(jié)合的方式，為了避免工件在加工過程中發(fā)生移動，通常情況下頂尖都會進(jìn)行強(qiáng)力的頂緊。但是頂尖頂?shù)倪^緊會對細(xì)長軸的受熱變形帶來不小的阻礙，造成細(xì)長軸不能進(jìn)行自由的伸長，導(dǎo)致其發(fā)生一定的彎曲；而頂尖頂?shù)妮^松，就會導(dǎo)致加工過程中的穩(wěn)定性較差，細(xì)長軸會發(fā)生移動，進(jìn)而影響到加工精度。此外，頂尖孔與裝夾基面通常情況下不是同軸的，導(dǎo)致裝夾的過定位而使工件發(fā)生彎曲。通過在三爪卡盤與工件之間加入一個適宜厚度的鋼絲圈，將工件與卡爪之間的接觸變?yōu)榫€接觸，進(jìn)而能夠?qū)Ψ较蜻M(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，避免內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，同時還可以將頂尖設(shè)計為具有一定的彈性，有利于工件受熱時進(jìn)行自由伸長，改進(jìn)后的裝夾見圖3。

2.2 改進(jìn)刀架

圖3 裝夾與進(jìn)給示意圖

普通跟刀架與工件之間的接觸面積較小、剛性較差，無法滿足細(xì)長軸的切削要求。通過采用下圖所示的跟刀架結(jié)構(gòu)，其中的三個支撐之間間隔90°，支撐材料選用HT200，軸向?qū)挾瓤刂圃?0～60mm之間。每進(jìn)行一次給進(jìn)操作后，其支撐面圓弧就要在徑向上進(jìn)行一定的調(diào)整，同時對加工面進(jìn)行更進(jìn)一步的修磨，進(jìn)而確保兩者之間的接觸面積大于支撐弧總面積的90%以上。通過使用改進(jìn)后的跟刀架對細(xì)長軸進(jìn)行加工，能夠確保工件被牢固的固定于刀具和3個支撐塊之間，進(jìn)而對其上下左右等方向上的變形進(jìn)行有效控制，為確保細(xì)長軸的加工精度符合要求提供可靠的保障。此外，為了避免由于工件自重所導(dǎo)致的彎曲變形，需要在工件的中間部分增設(shè)一可移動的木墊塊，木墊與工件接觸部位可鑿成半圓弧面，運(yùn)轉(zhuǎn)時加機(jī)油潤滑，既可防止工件下垂，又有減震作用。

2.3 選擇合理的幾何角度和切削方法

在加工細(xì)長軸的過程中，為了將工件的彎曲變形控制在合理的范圍內(nèi)，要求在x軸方向上的Px盡可能小，而Px主要是由刀具的前角和主偏角決定的。在確保刀具具有足夠強(qiáng)度的前提下，可以適當(dāng)增加前角的度數(shù)，進(jìn)而能夠有效減小Px的大小，從而將加工誤差控制在合理的范圍內(nèi)。例如，γ0取20°，主偏角取90°，刃傾角取3°。在車削細(xì)長軸的過程中，要結(jié)合細(xì)長軸的加工要求，優(yōu)選適宜的切削方法，通過采取反向進(jìn)給車削方法，能夠通過Px將細(xì)長軸進(jìn)行有效的拉緊，并向彈性頂尖的方向進(jìn)行一定程度的壓縮，進(jìn)而減小車削過程中細(xì)長軸的變形量，從而確保細(xì)長軸的加工質(zhì)量。

3 結(jié)語

總而言之，細(xì)長軸的加工精度對于機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有十分重要的現(xiàn)實意義，但是在細(xì)長軸的實際加工過程中，會受到多種因素的不良影響，導(dǎo)致其加工精度難以得到有效保障。因此，在細(xì)長軸的加工過程中要采取可靠的控制措施，對影響加工精度的因素進(jìn)行合理的控制，為細(xì)長軸的精確加工提供可靠的保障。