高速切削細(xì)長軸類零件的研究與探討

孔憲華，王 亮

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

0 引 言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，無論是日常生活還是專業(yè)領(lǐng)域，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，這就需要在加工產(chǎn)品的同時(shí)不斷的改革和創(chuàng)新，應(yīng)用更多新的科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)工藝來滿足產(chǎn)品質(zhì)量的需求。

細(xì)長軸類零件的生產(chǎn)制造無論是車床工藝系統(tǒng)（機(jī)床—工件—刀具）優(yōu)化還是加工工藝方案的選取一直是公認(rèn)的難題。我們把長度與直徑之比大于25（即L/d>25）的軸叫細(xì)長軸，由于細(xì)長軸本身剛性比較差，切削力、振動(dòng)和切削溫度對(duì)于細(xì)長軸的機(jī)械加工精度和表面質(zhì)量的影響非常明顯，同時(shí)車削工藝系統(tǒng)的剛性不足，也常常會(huì)使工件在加工中產(chǎn)生腰鼓形、麻花形、竹節(jié)形等缺陷，所以要改善此類零件加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，合理采用高速切削技術(shù)，能有效地降低各種因素對(duì)細(xì)長軸類零件加工時(shí)的不利影響。

1 高速切削對(duì)切削力的影響

圖1 切削模型

圖2 切削速度和切削力的關(guān)系

由于細(xì)長軸類零件本身的剛性差，加工時(shí)因切削力的作用而容易變形，從而影響加工精度和表面質(zhì)量，所以必須降低切削力。如圖1所示，采用傳統(tǒng)切削速度時(shí)，切屑理論斷裂層中的延展材料隨著塑性變形而發(fā)生應(yīng)變硬化，塑性剪切應(yīng)變限制在材料的部分弱剪切區(qū)，由于應(yīng)變硬化了材料，并且不斷地在材料中擴(kuò)散，會(huì)使切削力增加；相反，如果切削速度夠快，使應(yīng)變硬化來不及發(fā)生，變形只發(fā)生在小范圍內(nèi)，會(huì)使切削力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)速度時(shí)的切削力[1]。正因此，才得到了如圖2所示的切削速度和切削力的關(guān)系曲線，在傳統(tǒng)速度0~800 m/min區(qū)間，切削力隨著切削速度的增大而增大；但是超過了800 m/min左右的峰值之后，在800~1200 m/min的區(qū)間內(nèi)，切削力隨著切削速度的增大而減小。實(shí)踐證明，高速切削在加工細(xì)長軸類零件時(shí)可以使切削力降低30%以上，同時(shí)高速切削采用了較小的背吃刀量，那么可以使剛性較差、易變形的細(xì)長軸零件減少其變形，提高加工精度。

2 高速切削對(duì)振動(dòng)的影響

加工細(xì)長軸類零件時(shí)，減小刀具與工件之間的相對(duì)振動(dòng)可以有效地避免車削加工時(shí)易產(chǎn)生的彎曲、錐度、鼓形和棱帶。振動(dòng)主要取決于切削系統(tǒng)的工作頻率和機(jī)床的低階固有頻率，當(dāng)兩者偏離時(shí)就不會(huì)發(fā)生共振，震動(dòng)就越小，加工過程就平穩(wěn)[2]；通過圖3，我們可以觀察到，當(dāng)切削速度達(dá)到40~60 m/min時(shí)，切削系統(tǒng)的工作頻率和機(jī)床的低階固有頻率最接近，振幅最大，振動(dòng)劇烈,但是隨著切削速度的增加，兩者的頻率慢慢的偏離，振幅反而慢慢的變小。采用高速切削有利于避免震動(dòng)，減少工件的熱變形和內(nèi)應(yīng)力，提高了細(xì)長軸類零件加工的精度和表面質(zhì)量。

3 高速切削對(duì)切削溫度的影響

根據(jù)切削過程我們知道，工藝系統(tǒng)產(chǎn)生的熱主要傳遞到刀具、工件和切屑當(dāng)中，其中切屑帶走的熱占了絕大部分。

圖3 切削速度與振幅的關(guān)系

圖4 切削溫度與速度的關(guān)系

圖4 為切削過程中，不同切削速度下最高切削溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果[3]的比較，隨著切削速度增大，切削溫度也隨之提高，但切削速度增大到一定范圍后，切削溫度的變化越來越遲緩，切削溫度基本不再升高，之所以會(huì)這樣正是因?yàn)殡S著切削速度的增大，切屑以很高的速度被排出，帶走大量的熱量，且速度越高帶走的熱量越多，可以達(dá)到90%以上，從而使得傳遞給刀具和工件的熱量大大減少。如果按照切削專家薩洛蒙的假設(shè)，當(dāng)速度繼續(xù)增大，切削溫度反而降低，切削力也大幅度下降。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，結(jié)論并未得到有力的證實(shí)。但是，采用高速切削，降低了切削系統(tǒng)的溫度，減少了工藝系統(tǒng)的熱變形，有利于提高細(xì)長軸類零件的加工精度。

4 結(jié)束語

由此可見，細(xì)長軸類零件的加工主要解決此類零件的剛性差、振動(dòng)激烈和切削熱大而引起的問題；為了有效地避免這些因素對(duì)工件加工精度和表面質(zhì)量的影響，除了傳統(tǒng)使用中心架和跟刀架增加剛度減小變形的方法外，采用高速切削也是一種實(shí)用而可行的新手段。

[1] 武文革，辛志杰.金屬切削原理及刀具[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2] 韓榮第，郭建亮.細(xì)長桿車削淺析[J]．機(jī)械研究與應(yīng)用，2004（3）:15-16,21.

[3] 聶宇宏，杜美憬，謝凱弘，等.切削速度對(duì)切削過程溫度分布影響的研究[J]．工具技術(shù)，2009（7）:26-28.