提高細長軸上薄壁內腔加工精度的工藝實踐

提高細長軸上薄壁內腔加工精度的工藝實踐*

譚洪1，楊嵩2，史昊天2

(1.蘇州大學 工程訓練中心，江蘇 蘇州215021；2.北華航天工業(yè)學院 工程技術訓練中心,河北 廊坊065000)

摘要：通過分析薄壁內腔細長軸零件的加工工藝，找出加工過程中震顫、剛性差、易彎曲變形等問題，采用改變刀具幾何角度、控制切削用量、增加輔助夾具加強細長軸剛性的工藝措施，實踐中解決了在細長軸上加工薄壁內腔時剛性差的難加工問題。在實際生產中應用此法保證了細長軸薄壁內腔加工精度和表面質量，同時還大大提高了加工效率。

關鍵詞：薄壁；內腔；細長軸；輔助夾具

文章編號：1001-2265(2015)09-0132-02

收稿日期：2014-11-27；修回日期：2015-01-13

基金項目：*江蘇省高校自然科學研究項目(11KJB460008)；江蘇省高校自然科學研研項目(12KJB510029)；蘇州大學2013年教改課題(5731503213)

作者簡介：譚洪 (1977—)，男，遼寧阜新人，蘇州大學實驗師，碩士，主要從事現(xiàn)代制造技術教學與應用，(E-mail)tan9803@163.com。

中圖分類號：TH162;TG506

The Technical Practice of Improving Machining Accuracy of Slender Shaft Upper Thin Wall Intracavity

TAN Hong1，YANG Song2，SHI Hao-tian2

(1.Engineering Training Center，Soochow University,Suzhou Jiangsu 215021,China;2.Tranining Center of Engineering and Techniques,North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang Hebei 065000,China)

Abstract：Through the analysis of processing technology of thin wall intracavity slender shaft parts,find out the problems of tremor,poor rigidity,easy bending deformation in the machining,Use these technological measures,such as changing the tool geometry angles,control of cutting parameters,adding auxiliary fixture to strengthen the rigidity of slender shaft,In practice,the problem of poor rigidity in the machining of shaft slender thin wall intracavity can be solved.In the actual production,with this method can ensure the slender shaft thin wall intracavity machining accuracy and surface quality,at the same time, also greatly improves the processing efficiency.

Key words： thin wall;intracavity;slender shaft;auxiliary fixture

0引言

薄壁內腔細長軸零件是指軸的長度與直徑之比大于25(L/D>25)并在軸上進行如切削鍵槽，螺紋孔等加工項目的零件。它是機器上的重要零件之一，連接機器上的傳動零件，使傳動零件具有相對確定的位置并傳遞運動和扭矩，如機床上細長傳動軸、車床上的絲杠、光杠等都屬于這一類零件。薄壁內腔細長軸零件通常加工比較困難，存在加工余量大、剛度不足、在切削加工過程中極易產生振動、彎曲變形的加工難度，造成尺寸和形狀位置誤差增大從而影響到加工精度，且降低了加工效率[1-2]。研究表明，影響薄壁內腔細長軸零件加工變形的主要因素是毛坯材料、細長軸結構形狀、加工工藝方法、加工條件等[3]，其中研究工藝方法是解決加工變形的重點?？刂魄邢鳠岷颓邢髡駝邮欠乐辜氶L軸薄壁零件加工變形，提高加工精度的重要途徑[4]。文中主要論述了在切削過程中減小振動的工藝措施，在研究加工刀具的切削角度和切削用量的基礎上，設計并增加了細長軸專用輔助夾具，這些工藝措施能否提高薄壁內腔細長軸零件的剛性，是否能起到減小切削震顫的作用，能否提高加工精度都給出了實踐結論。

1確定薄壁內腔細長軸的加工工藝

如圖1所示的薄壁內腔細長軸零件，零件材料選用2A12[5]，加工直徑22mm，總長600mm，鍵槽長×寬為520mm×20mm。如圖2零件的剖面視圖所示零件最薄位置僅厚1.2mm，零件的長徑比600mm/22mm≈27.3，屬于典型的薄壁內腔細長軸類零件，在加工的過程中由于剛性不足，會產生劇烈的震顫，容易使細長軸產生彎曲變形，同軸度和直線度誤差變大，嚴重影響了加工質量。在加工此類薄壁細長軸零件的過程中，采用合理的裝夾方法是關鍵[6]。首先是粗車，采用一夾一頂?shù)难b夾方法在數(shù)控車床上粗車細長軸[7]，粗車留至2mm的加工余量并切斷；然后將細長軸一夾一頂裝在分度頭上，在數(shù)控銑床上加工一側鍵槽內腔，旋轉180°后采用相同的切削深度加工另一側鍵槽內腔，就這樣采用均勻分層、反復旋轉、對稱去除余量的加工方法，完成兩側鍵槽的粗加工，對稱加工能防止加工內應力集中引起細長軸彎曲變形，兩個鍵槽加工面單邊留有1mm的加工余量。完成粗加工以后，緊接著對細長軸進行低溫或是常溫時效處理，完全釋放應力，消除內應力對加工精度的影響，防止精加工過程中產生過大的應力變形[8]。接著在數(shù)控車床上進行精加工，保證長度和各直徑尺寸，最后在數(shù)控銑床上進行鍵槽的精加工，最終保證加工完成的零件符合圖紙設計要求。

圖1　薄壁內腔細長軸零件

圖2　零件剖面視圖

2保證薄壁內腔細長軸加工質量的具體措施

零件精加工是保證加工質量的關鍵，針對細長軸結構上薄壁的特點會導致本身剛度不足，造成加工時的顫抖，因此先從刀具和機床角度考慮盡可能控制產生最小的切削力，而且還要考慮采用輔助夾具增加細長軸中部位置的支持點，來承受切削力，提高細長軸自身的剛度，防止切削振動。具體加工時就從合理控制刀具幾何參數(shù)和加工切削用量、增加輔助夾具體等方面進行了工藝實踐。

2.1刀具幾何參數(shù)

刀具幾何角度對于細長軸的精加工來說，只要在刀具耐磨性和使用壽命允許范圍內就應該最大限度地保證刀具切削刃的鋒利程度，經過多次加工實踐驗證選取合理的刀具幾何角度是前角:γ0=15°～18°，后角:α0=18°～22°,主偏角:kr=85°～90°，副偏角:Ψr=10°～12°，刃傾角λs=10°～15°，通過不斷修正刀具這些幾何角度能很好的降低顫振，改善切削條件，提高加工質量，但這些角度中有的還互相制約，影響因素較多，不太容易同時控制達到最好效果。

2.2控制加工切削用量

切削用量是在機床調整前必須確定的重要參數(shù)，它對切削力、刀具的耐用度、加工精度和表面質量均有影響，細長軸類零件精加工時更加明顯[9]。精車的主軸轉速不能太高，以免細長軸中部受到過大離心力出現(xiàn)軸彎曲變形的情況[10]。在細長軸上銑削薄壁內腔鍵槽時，切削用量的選取要既能保證最高的切削加工效率，又能達到最好的切削加工質量，不能采用過大的切削用量防止細長軸上遠離裝夾點部位出現(xiàn)局部塑性變形，因此選用適當?shù)那邢饔昧恐陵P重要。經過反復實踐驗證精銑鍵槽選取的最優(yōu)切削用量數(shù)值是主軸轉速n≤1000r/min，進給量fz=0.1mm/齒，背吃刀量ap=0.2mm，切削速度V=70m/min，保證把顫振效果降低到最理想狀態(tài)，得到鍵槽加工表面質量最好的結果。

2.3利用輔助夾具

在實際生產過程中常常會遇到零件剛性不足的問題，就需要增加輔助夾具來解決[11]。細長軸零件只在精加工過程考慮剛性問題，在粗加工過程中一般不會存在。精車階段只要控制住主軸轉速并保證刀具鋒利的前提下所產生的切削力就相對較小，剛性可以滿足切削要求。這里僅討論精銑鍵槽過程中是如何利用輔助夾具來消除顫振，保證鍵槽部位加工質量的具體做法。

細長軸總長600mm，一端采用分度頭三爪卡盤夾緊，另一端使用活動頂尖進行定位夾緊的裝夾方法。這種一夾一頂?shù)难b夾方法雖然保證細長軸的完全定位和可靠夾緊，可是由于細長軸中部位置沒有支撐，遠離裝夾點，所以剛性太差，切削加工時不能抵抗切削力，容易出現(xiàn)加工顫振，加工面波紋，銑刀崩刃，零件松動撅起等的情況，為防止上述危險情況的發(fā)生采取了在細長軸中間增加了輔助夾具的方法來解決。如圖3輔助虎鉗提高剛度在細長軸上的應用所示，輔助虎鉗是通過改造通用精密虎鉗得到，改造過的輔助虎鉗與通用精密虎鉗的主要區(qū)別在于輔助虎鉗的活動鉗口做成“V”型鐵形式，且增加了螺旋機構和鎖緊機構可以調節(jié)活動鉗口的高低來改變“V”型鐵中心高并能方便實現(xiàn)鎖緊。使用輔助虎鉗要注意以下幾點：①外圓尺寸φ22精車后尺寸精度要保持一致，為使用輔助虎鉗提供前提條件；②采用分度頭和活頂尖一夾一頂將細長軸裝夾找正定位后，反復更換細長軸經過多次測量，準確得到細長軸安裝定位后的中心高，調節(jié)輔助虎鉗V型鐵中心高與其等高，誤差要求在0.01mm以內，防止形成過定位，影響加工精度；③一夾一頂將細長軸完全定位后，使用壓表法將輔助虎鉗固定鉗口輕輕貼合細長軸，固定輔助虎鉗的過程要觀察表針不能有任何的變化，同時用0.01mm的塞尺檢測固定鉗口和細長軸之間的縫隙，既能保證接觸面緊密貼合，又能保證細長軸轉動自如，這樣既能避免過定位，又不會影響整個細長軸定位精度；④每次裝夾細長軸都要用壓表法，保證使用輔助虎鉗以后對細長軸定位沒有任何影響，只能起到增強細長軸剛度的作用；⑤利用分度頭旋轉細長軸時，必須先松開輔助虎鉗，使得“V”型鐵與細長軸兩者間隙在2mm以上，必須清除干凈輔助虎鉗固定鉗口與細長軸之間的切屑，必須注意細長軸沿著固定鉗口自下向上方向旋轉，這樣就可以避免切屑或毛刺在旋轉的過程中不會擠傷或劃傷細長軸表面。

圖3　輔助虎鉗提高剛度在細長軸上的應用

在其它條件相同的情況下，在數(shù)

表1　是否使用輔助虎鉗對細長軸對稱鍵槽加工的影響

從實驗可得出使用輔助虎鉗的加工方法可以增強細長軸剛性，改善加工切削條件，改變細長軸固有共振頻率，避免細長軸彎曲變形、延長刀具的使用壽命，降低震顫和噪音，保證了細長軸對稱鍵槽的加工質量同時提高了加工效率。

3結束語

細長軸在加工過程中要注意安排合理的加工工藝，通過控制刀具幾何參數(shù)、選取科學的切削用量和增加輔助夾具的措施保證細長軸上薄壁內腔的加工精度。尤其對于細長軸上加工對稱鍵槽時剛性不足的情況下，使用輔助虎鉗能解決剛性問題，消除震顫，大大提高細長軸類零件整體的機械切削加工性能，而且操作簡單方便，在實際生產中輔助虎鉗很容易由普通虎鉗改造得到，可操作性和可行性很高，具有廣泛的指導借鑒作用。

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(編輯李秀敏)