探析細長桿件車削加工方法

喻紅中

（貴州職業技術學院，貴州 貴陽 550023）

1 引言

在機械行業中，細長桿件經常作為設備的重要部件應用于各行各業中。根據使用條件的不同，細長桿件在表面質量、直線度、圓柱度與尺寸精度等方面都有不同的要求。綜合來說，整體要求較高。因此在切削加工方面，由于桿件較長、剛性較差等原因的存在，其加工方法稍有選擇不當，則都很難得到理想的加工質量。文章將通過以空心細長活塞桿件為研究對象，通過反復實踐，尋找到行之有效的切削加工方法。

2 空心細長活塞桿件

2.1 結構分析

該細長桿為某型號大型數控設備上的空心細長活塞桿件，如圖1所示。工件材質為45#鋼，外圓直徑為φ40mm，空心細長桿件長2800mm，長度與外徑之比為70∶1，空心桿件壁厚為9mm。

圖1 空心細長活塞桿件

（1）長徑之比較大。該零件長徑之比為70∶1，由于長徑之比大，所以工件剛性不足，切削加工時變形大；切削加工不平穩，容易產生振動；大量的切削熱容易導致工件產生變形，難以保證工件質量；

（2）零件公差要求高。工件的圓柱度與圓度誤差要求較高，其中工件全長圓柱度誤差為0.05mm，圓度誤差為0.01mm，外徑精度要求較高。

（3）表面質量要求高。工件外圓柱面表面粗糙度要求為Ra3.2，切削加工方法選擇不對，或切削保障措施不當，都很難滿足零件的表面質量要求。

2.2 車削工藝分析

（1）剛性較差。零件裝夾不恰當，在加工過程中，受切削力與重力的共同作用，容易發生彎曲變形。特別是中空管更容易產生振動，以致影響加工精度和表面粗糙度。

（2）熱擴散性較差。在切削熱的作用下會產生非常大的熱膨脹。如果細長桿件的兩端都是固定支承，則工件將受熱伸長，導致其被頂彎曲。

（3）幾何精度難保證。由于桿比較長，一次切削加工走刀時間較長，刀具磨損大，影響零件的幾何精度。

（4）加工輪廓形狀不穩定。切削加工時，輔助工裝的調整配合不恰當，將導致零件加工表面缺陷類型不同。

2.3 常見加工缺陷及原因分析

（1）柱體截面為多棱形。切削加工過程中，為提高工件剛性，常采用跟刀架用作輔助支撐，以提高工件剛性，以減小工件的彈性變形。但由于在調整跟刀架三個支撐與工件之間的加持力時，難以控制夾持力的大小，多會出現松動現象，所以在切削加工時，會出現柱體截面為多棱形狀，影響工件表面質量。為更好地解決多棱形狀現象的產生，可適當調整跟刀架支撐爪與工件之間的夾持力。調整順序依次為：先調整工件下方支撐爪，再調整刀具對面的支撐爪，最后調整工件上方的支撐爪，并確保每個支撐爪與工件表面的松緊程度合適。

（2）柱面呈竹節狀。切削加工時，由于切削熱的存在，作用于工件的熱量較多，此時工件因“熱脹冷縮”原因，作用在尾座頂尖上的作用力會增加，從而導致工件產生變形。通過調整尾座頂尖與工件之間的松緊程度，可很好的解決柱面呈竹節狀現象[1]。

（3）柱面帶錐度。通常加工細長桿件時，都會選擇跟刀架作為輔助支撐，以提高工件的剛性，保證切削工件的表面質量。但在選擇跟刀架支撐爪材料時，若選擇不合理，則隨著切削加工的進行，支撐爪磨損加劇，工件直徑逐漸變大，柱面呈一定錐度。此時可以將支撐爪上的材料更換為硬質合金材料。

（4）其它缺陷。當刀具前角、刃傾角選擇較小，負倒菱選擇較大時，切削工件柱面有波紋狀花紋，此時可以通過綜合分析刀具幾何角度的合理選擇來防止缺陷的產生。

4 制定工藝方案

4.1 加工工藝準備

（1）安裝工藝準備。由于工件較長，剛性較差，所以初次安裝定位時，采用一夾一頂方式將零件進行定位。重點切削加工零件右端面和外圓面，以便安裝跟蹤刀架。

（2）制作輔助工藝裝備。粗車工件右端，并鉆內孔，鉆削內孔直徑為24mm、深度為50mm。隨后安裝堵頭，再在安裝好的堵頭外端面打中心孔。

（3）裝夾與定位。在工件左端套上直徑為5mm的鋼絲，鋼絲與工件左端面的就離為10～20mm。將工件左端（連同鋼絲一起）裝入三爪自定心卡盤內，使鋼絲與三爪自定心卡盤端面之間的距離為15～20mm。如圖2所示。裝夾要求：安裝工件時，為達到良好的切削效果，確保工件與卡爪之間的接觸形式為線接觸；在尾座裝置彈性活動頂針，當工件在切削熱的影響下發生彎曲變形或受熱膨脹時，確保頂尖能作一定距離的軸向位移，減小變形。

圖2 細長桿件的裝夾方式

（4）走刀方式的選擇。為減小軸向向左的切削應力大小，達到切削加工效果，工件的切削加工采用反向走刀方式進行。在切削力的作用下，可以使工件受力伸長后，能向彈性頂尖處伸縮，減小工件變形。

圖3 反向走刀車削

4.2 確定工藝順序

通過對零件結構特征進行工藝分析，空心細長活塞桿件的切削加工采用多次粗車、半精車和矯形等方式交叉進行，最后再進行精車和砂帶磨削加工工藝。

零件加工工序具體劃分為：粗車—矯形—半粗車—校形—半精車—校形—精車—砂帶磨削。

另外，零件車削加工輔助工裝夾具為：三支承塊跟蹤刀架、裝夾工具彈性活動頂針、墊塊、跟刀架支承等。

車削加工中還應采用反向進給車削方式和合理選擇刀具幾何參數、切削用量，以及專用冷卻液等一系列行之有效的措施，提高細長活塞桿的剛性，滿足加工要求，并且提高生產效率。

4.3 確定工藝參數

4.3.1 刀具幾何參數選擇

為有效控制工件變形，提高工件表面質量，通過反復實踐證明，切削加工時，當采用反向走刀方式進行，刀具選擇為左偏刀、其主偏角選擇為75°時，所車削零件所獲得的表面質量最好。

（1）粗車刀。粗車加工時，需考慮的是如何提高加工效率、減小殘余應力、工件表面加工硬化等情況，以提高工件表面質量。粗車加工刀具幾何參數的選擇應注意如下幾點：①為了減少切削震動和彎曲變形，粗車刀具選擇時，可以適當增大主偏角Kr，以減小徑向力Fr，增大軸向力Fa，工件徑向變形小。②增大前角γo，減小被切削金屬的變形，此時刀具與切屑間的摩擦力和正應力也相應下降，因此切削力減小，工件變形減小[2]。實踐經驗，刀具前角ro選擇為15～20°，要求切削輕快。③為了能獲得較好的卷屑效果，刀具斷屑槽半徑選擇為2.5～4mm。綜上所述，刀具選擇為焊接式硬質合金車刀，刀片牌號為YT15，刀桿材料為45號鋼，刀桿尺寸為25mm×25mm，調質 HB220～250。

（2）精車刀。精車加工時，主要考慮的是保證工件的表面質量，同時控制零件變形。在對刀具幾何參數選擇時，著重考慮如何降低工件表面粗糙度，保證零件圓度誤差和圓柱度誤差在可控范圍之內。具體內容如下：①增大刃傾角λs，以減小徑向力Fr和增大軸向力Fa，從而減小工件的徑向變形量。故刃傾角選擇范圍為1.5～2°。②合理選擇負倒棱。前刀面上的負倒棱可以提高刃區的強度，但會增大工件的切削變形，所以精加工刀具的負倒棱越小，對精加工工件越有利。③刀刃必須研磨平直，刀具前刀面研磨光整，表面粗糙度達Ra0.8以上。因此，精加工刀具材料選擇為：刀片牌號W18Cr4V，熱處理HRC63～66；刀桿為彈性刀排。

4.3.2 切削用量選擇

切削用量選擇如表1所示。

表1 切削用量參數選擇

4.4 其它保障措施

（1）切削熱的控制。切削液的選擇依據以降低工件切削區域切削熱為主，通過降低切削熱以減小工件的熱變形量。所以選擇水溶性切削液，切削液牌號為ROCOL ULTRACUT 370。該種切削液適合高速切削加工，冷卻效果好。

（2）切削力的控制。通過對加工狀態下工件的受力分析，得出正向進刀使工件處于正壓力狀態，從而導致了細長工件變形嚴重。為此改變進刀方式，由正向進刀變為反向進刀車削，如圖3所示。工件處于拉應力狀態，在車床上進行了試驗，發現效果明顯，從而解決了活塞桿的變形問題。合理控制尾座頂尖在加工中的松緊程度。在實際加工中，采用了浮動頂尖頂緊工件。在裝夾工件后，尾座頂尖的松緊可通過經驗控制，判定的標準為：開車后，手捏住浮動頂尖能制動，則頂尖頂緊工件的力度合適。

（3）工件表面質量保證。為提高零件表面質量，通常在精加工之后，采用在刀架上安裝砂帶磨削機對零件表面進行干式磨削。通過磨削工件外圓柱面來提高工件表面質量。

5 結 論

總體來說細長活塞桿零件加工工序較多，切削條件比較嚴苛。但為了有效保證零件的加工質量，提高生產效率，綜合分析得出；通過增設輔助工裝夾具、合理選擇刀具幾何角度、采取反向走刀方式與合理匹配切削參數的前提下，提高切削速度可大大提高生產效率，保證工件質量。通過反復試驗，主軸轉速可選擇為300～400r/min，切削速度為30～50m/min。