細(xì)長軸的加工工藝分析

宮樹紅

（首鋼長治鋼鐵有限公司， 山西 長治 046031）

某機(jī)械廠需要加工細(xì)長軸結(jié)構(gòu)（見圖1），由于細(xì)長軸的工藝加工比較特殊，不同于一般長軸的長徑加工技術(shù)要求，工廠需要采用校直機(jī)對棒料進(jìn)行校直，在C630 機(jī)床運(yùn)用跟刀架，通過一頂一夾裝夾的方式搭配小切削用量。但是在這樣的車削加工過程中，整個(gè)系統(tǒng)所受外力影響發(fā)生變形，依然無法在C630 車床上車削獲得如圖1 所示的表面質(zhì)量[1]。系統(tǒng)變形關(guān)鍵在于工件變形，所以提升工件剛性作為解決超細(xì)長軸車削工藝質(zhì)量問題的關(guān)鍵，通過分析工件的受力情況，建立切削作用力下工件發(fā)生彎曲變形的解析模型，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝措施，達(dá)到加工工藝目標(biāo)[2]。

圖1 細(xì)長軸（mm）

1 細(xì)長軸結(jié)構(gòu)分析

細(xì)長軸的長徑比在20 以上，長徑比越大工藝剛性也就越差，易發(fā)生彎曲變形情況。通常情況下細(xì)長軸包括兩類結(jié)構(gòu)形式，一類是光杠、機(jī)床絲桿和操縱桿之類的長絲杠、無臺階光軸結(jié)構(gòu)，在此種細(xì)長軸結(jié)構(gòu)加工中，可以選用跟刀架、中心架達(dá)到輔助支撐效果[3]。另一類是在細(xì)長軸兩側(cè)均有臺階，還有個(gè)別中心空細(xì)長軸情況，但是這類在加工操作中整體難度較大，極易發(fā)生振動(dòng)與變形。拉絲機(jī)收線軸作為比較典型的細(xì)長軸工藝案例，作為中間粗兩端細(xì)的工藝結(jié)構(gòu)，在細(xì)長軸兩端設(shè)計(jì)了軸承擋外圓，但是這種外圓一般有著較高的加工工藝技術(shù)要求，對形位公差、表面粗糙度和工藝尺寸精度均有嚴(yán)格要求。

2 細(xì)長軸加工工藝

通常情況下，細(xì)長軸加工工藝過程可以劃分為粗加工、半精加工、精加工，在加工中應(yīng)當(dāng)安排多次處理工序，這樣才能對加工工序中所受內(nèi)應(yīng)力這一影響因素進(jìn)行有效消除。例如減少細(xì)長軸加工工件的彎曲變形，包括人工時(shí)效、調(diào)質(zhì)處理、正火等工序，在細(xì)長軸加工中兩端中心孔是關(guān)鍵基準(zhǔn)，這就需要在精加工前對兩端中心孔進(jìn)行高品質(zhì)研磨[4]。在粗加工中因?yàn)橛嗔枯^多及較大切削力，所以完成細(xì)長軸工件加工后發(fā)生較多的變形彎曲情況，反向切削工藝因?yàn)樽叩斗聪蛑鬏S進(jìn)給尾座方向，進(jìn)而形成切削作用力，再加上工件安裝中產(chǎn)生軸向夾緊作用力，這樣就會(huì)有效減小切削作用力造成的工藝影響，改善切削環(huán)境，減少加工工藝中的跳動(dòng)震動(dòng)，也就有效降低了工件變形彎曲發(fā)生率。另外在細(xì)長軸車削加工中，要保證分裝在中拖板前后兩端的兩個(gè)刀架可以同時(shí)進(jìn)刀、退刀，兩把刀可以抵消徑向切削力，這樣就無需中心架與跟刀架輔助支撐，能夠有效提升生產(chǎn)效率。

3 正向切削彎曲變形及受力分析

由于細(xì)長軸工件存在細(xì)長技術(shù)特點(diǎn)，剛性較差，所以極易在切削力作用下發(fā)生變形，通常在加工過程中可以安裝跟刀架，用力平衡徑向切削力作用（Fy），來妥善解決細(xì)長軸工件出現(xiàn)“頂彎”情況，但是這種操作卻不能解決軸向切削力作用（Fx）下產(chǎn)生的工件“壓彎”問題，對此應(yīng)當(dāng)運(yùn)用小切削用量[5]。對于車削細(xì)長軸關(guān)鍵要解決工件發(fā)生彎曲變形，正向切削的受力情況（見圖2）。

圖2 正向切削情況下軸受力力學(xué)模型

依據(jù)材料力學(xué)理論可以建立細(xì)長軸力學(xué)模型，公式如下[6]：

4 工藝優(yōu)化

4.1 夾具

依據(jù)上述分析，正向切削和有關(guān)工夾方式未能達(dá)到生產(chǎn)要求，根據(jù)反向切削受力情況分析為依據(jù)，提出合理工件裝夾方案。在反向切削過程中可以產(chǎn)生使工件受拉力作用的軸向切削力Fx，減小所受徑向切削力Fy影響作用下的壓彎幅度，可以有效減小切削振動(dòng)[9]。這時(shí)可以認(rèn)為工件僅僅Fy會(huì)所致彎曲變形（見圖3）。

圖3 反向切削軸受力情況及力學(xué)模型

同理可求解反向切削情況下梁撓軸線的微分方程式如下：

經(jīng)過計(jì)算卡盤夾緊的頂尖支承在正向切削、反向切削的加工彎曲變形量，能夠發(fā)現(xiàn)反向彎曲的變形量呈逐漸遞減趨勢。

4.1.1 調(diào)整工件裝夾方式

在一夾一頂裝夾中，可以對三爪卡盤自定心裝夾方式下，保證細(xì)長軸工件的軸線，能夠保證工件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)相重合，尾座頂尖彈性設(shè)計(jì)，能夠?qū)Φ毒吆臀沧@段工藝過程中，因產(chǎn)生受壓作用力所致變形發(fā)熱情況進(jìn)行有效補(bǔ)償，這樣可以避免工件壓彎。還要保證彈性頂尖的中心線，經(jīng)過調(diào)整能夠與車裝主軸相一致，并且運(yùn)用恰當(dāng)頂尖頂住工件適中松緊度，轉(zhuǎn)動(dòng)工件保證拇指、食指捏住頂尖能夠停止轉(zhuǎn)動(dòng)。并運(yùn)用粗車刀車出50～80 mm 范圍內(nèi)，裝上三爪跟刀架，使用托架輔助支承，跟刀架支承爪裝設(shè)于刀尖后1～2 mm 范圍內(nèi)，運(yùn)用跟刀架作用軸向切削力，避免振動(dòng)全長度粗車，在精車過程中車刀和跟刀架位置互換，可以運(yùn)用粗車過的表面完成定位，確保切削區(qū)域和支承部位冷卻潤滑。

4.1.2 調(diào)整跟刀架、托架、石蠟塊

需要對跟刀架各支承爪與工件間隙進(jìn)行不斷調(diào)整，經(jīng)澆注機(jī)油形成動(dòng)壓油膜，經(jīng)差動(dòng)螺桿調(diào)整托架拖輪與工件接觸面，2 個(gè)拖輪組合形成V 形塊，這樣可以有效改善工件自定心，依據(jù)工件長度，在工件下面墊放不等距石蠟塊，方便切削過程中可以隨時(shí)放取，還要確保拖板可以正常進(jìn)給。石蠟塊可以直接在床身墊放，具體的墊放厚度需要以保證工件提供輕微托牢作用力為宜，將石蠟塊制作半圓弧凹坑，能夠達(dá)到潤滑、消減振動(dòng)作用。在這種一夾一頂?shù)难b夾方式下，通常在車削工件、卡爪兩者之間，由于較長接觸面產(chǎn)生過定位情況。為了預(yù)防預(yù)加應(yīng)力所致變形與完成車削后重新恢復(fù)彎曲應(yīng)力，需要將Φ4 mm×30 mm 規(guī)格的一個(gè)鋼絲圈，墊進(jìn)工件裝夾部位和卡爪之間，保證墊入長度達(dá)到15～20 mm，這樣工件的圓柱面和卡爪兩者之間就可以構(gòu)成線接觸。

4.2 工件刀具

事先需要利用專用校直機(jī)對棒料進(jìn)行校直，經(jīng)百分表校正工件和機(jī)床主軸保持同軸。因?yàn)榧?xì)長軸的安裝結(jié)構(gòu)剛性較差，無法承受較大切削力，因此對車刀刃磨技術(shù)要求極高，需要確保車刀的鋒利性，正確的車刀幾何角度，其中會(huì)對主偏角、前角、刃傾角有較大影響。在粗加工過程中，為了減小切削力應(yīng)當(dāng)控制車刀主偏角在90°以上，一般為93°；增大前角可以有效減少工件加工中的切削力和切削熱，對前角取值通常控制在15°；前刀面磨出3 mm 左右直線型斷屑槽，此斷屑槽要控制深度在1.5 mm～2 mm 范圍內(nèi)，取刃磨刃傾角約為10°，這樣能夠讓切削產(chǎn)生切屑流向待加工表面。在精加工過程中，由于余量不多，所以切削力也較小，為了確保與工件質(zhì)量要求相符，就要確保車刀的鋒利程度，刀尖圓角小且磨有修光刃，一般刃傾角為負(fù)值，這樣能夠有效預(yù)防車刀磨鈍情況下扎入工件。隨著近年來數(shù)控技術(shù)水平不斷提升，數(shù)控刀具被廣泛應(yīng)用于普通車床中，很好的解決了刀具刃磨角度與安裝要求。

4.3 機(jī)床

主軸純徑向移動(dòng)和軸向移動(dòng)并不會(huì)影響外圓加工，主軸純角度擺動(dòng)會(huì)對工件形狀精度造成主要影響，但是工件圓柱度僅僅為0.03 mm 公差，需要對機(jī)床主軸跳動(dòng)量調(diào)整在0.01 mm 以內(nèi)滿足要求，導(dǎo)軌在垂直面彎曲并不會(huì)很大程度影響加工精度，所以可以對這一精度影響因素忽略不計(jì)，但是不可以忽視水平面內(nèi)同樣大小的導(dǎo)軌彎曲。所以可以對床身導(dǎo)軌處于水平面上直線度進(jìn)行調(diào)整，控制在0.04 mm 以內(nèi)，還要調(diào)整導(dǎo)軌和各拖板之間形成合適間隙[7]。

4.4 輔助調(diào)整

在細(xì)長軸加工中所運(yùn)用的跟刀架、中心架、尾座頂尖等，均屬于輔助性支撐，在對這些輔助性裝置的操作中，為了能夠有效增強(qiáng)細(xì)長軸加工工件的整體剛性，以及在切削加工工藝中，保證同軸度與圓柱度。在切削工藝中跟刀架，通常適用于對無臺階、細(xì)長絲杠這兩類細(xì)長軸產(chǎn)品加工，但是也有一定局限性，所以調(diào)整中心架就十分重要。在安裝中心架的過程中，要以細(xì)長軸工件的重量、長度、轉(zhuǎn)速等為依據(jù)，對中心架支撐爪所在位置及時(shí)調(diào)整，保證細(xì)長軸的加工工件在表面旋轉(zhuǎn)軸心，可以和車床主軸保持軸向重合，在加工中需要提前進(jìn)行潤滑處理，這樣是為了有效預(yù)防過熱所致磨損情況[8]。在進(jìn)行細(xì)長軸加工過程中，無論一夾一頂，或者是雙頂尖，在不同的加工工藝形式中，尾座頂尖都是細(xì)長軸加工所必需的輔助類支撐設(shè)備，應(yīng)當(dāng)在粗加工中應(yīng)用彈性回轉(zhuǎn)頂尖，可以對切削熱所致細(xì)長軸工件發(fā)生熱變形情況有效補(bǔ)償。精加工需要運(yùn)用硬質(zhì)合金固定頂尖，較高定心精度與極好的剛性，更可以確保工件質(zhì)量要求[9]。

4.5 切削用量選擇

在細(xì)長軸切削工藝加工中，切削用量作為主要參數(shù)，切削速度用VC表示，走刀量用f 表示，吃刀深度用t 表示，在切削中想要充分發(fā)揮加工機(jī)床與刀具的性能，就要保證切削用量選在合適范圍內(nèi)，這樣才可以充分提升生產(chǎn)效率，保障細(xì)長軸工件的加工質(zhì)量。在粗加工過程中為了減少加工耗時(shí)，將多數(shù)不必要的加工余量去除，僅剩合適的精加工余量，這樣可以通過大切深、大走刀的方式，選用合適的切削用量。在粗加工細(xì)長軸中，吃刀深度在t=2～3 mm，走刀量f=0.3～0.4 mm，切削速度控制在120～150 m/min 范圍內(nèi)，確保流暢穩(wěn)定的切削過程。精加工中為保障工件的加工質(zhì)量，選用雙頂尖加工工藝，利用中心架、跟刀架等輔助支撐，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的安裝剛性，控制精加工的切削用量。一般細(xì)長軸精加工中，吃刀深度在0.1～0.2 mm 之間，走刀量在0.10～0.15 mm 之間，切削速度需要以細(xì)長軸的工件加工長徑比與外圓尺寸為依據(jù)，對切削速度適當(dāng)提升，同時(shí)也要注意預(yù)防出現(xiàn)震紋缺陷。

5 結(jié)語

在細(xì)長軸加工中，需要結(jié)合毛坯加工形式、重量和產(chǎn)品批量，合理選用加工工藝，正確選擇裝夾工藝，保證車刀幾何角度與切削用量合理性，成功克服切削中剛性較差、易彎曲變形等因素，從多方面確保細(xì)長軸加工質(zhì)量要求。