淺析細(xì)長(zhǎng)軸切削用量及刀具角度優(yōu)化措施

李章峨

（遼寧豐田金杯技師學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

0 引言

工件的長(zhǎng)度L和直徑D之比大于25 的軸類零件，稱為細(xì)長(zhǎng)軸[1]。細(xì)長(zhǎng)軸的加工技術(shù)含量較高，由于細(xì)長(zhǎng)軸本身的柔、軟、彎等特性，使工件的剛性不足，車削過(guò)程中易產(chǎn)生彎曲變形，易車削成中間粗、兩端細(xì)的腰鼓形。細(xì)長(zhǎng)軸本身由自重而引起彎曲變形，使中部下垂，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，受離心力作用而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，導(dǎo)致加工過(guò)程中細(xì)長(zhǎng)軸的幾何形狀公差很容易超差。多年來(lái)，這個(gè)加工難點(diǎn)一直困擾著加工人員，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、歸納，總結(jié)出細(xì)長(zhǎng)軸的加工工藝方法，提高細(xì)長(zhǎng)軸加工質(zhì)量。

1 工件分析

在車床進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)軸的車削，是有較復(fù)雜的工藝過(guò)程。細(xì)長(zhǎng)軸由于L/D＞25 倍時(shí)此軸太細(xì)，剛性很差，加工過(guò)程中易彎曲變形。如圖1 所示，細(xì)長(zhǎng)軸其重要尺寸及精度要求：尺寸精度：、1000±0.5、幾何公差：軸的外輪廓圓度要求0.007、以中心孔A 為基準(zhǔn)的輪廓跳動(dòng)量0.02、表面質(zhì)量Ra ≈1.6μm。其他要求：2 × A3 共計(jì) 2 處（測(cè)量基準(zhǔn)與安裝基準(zhǔn)統(tǒng)一：兩側(cè)中心孔）；C1 共計(jì)2 處（1 ×45°）。

2 問(wèn)題淺析

在車削時(shí)的主要問(wèn)題如下。1）車削過(guò)程中，由于切削熱傳導(dǎo)給工件，使工件溫度升高，工件就開(kāi)始伸長(zhǎng)，產(chǎn)生熱變形，這就叫“熱變形”。在車削一般軸類時(shí)可以不考慮熱變形伸長(zhǎng)問(wèn)題，但是車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，因?yàn)楣ぜL(zhǎng)，伸長(zhǎng)量大，要考慮熱變形的影響[2]。2）由于兩頂尖間對(duì)長(zhǎng)度的限制會(huì)使兩頂尖孔被破壞，有時(shí)會(huì)自動(dòng)彎曲。一旦細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲，細(xì)長(zhǎng)軸的加工就很難進(jìn)行。為此，可以使用彈性回轉(zhuǎn)頂尖來(lái)補(bǔ)償工件熱變形伸長(zhǎng)。當(dāng)工件伸長(zhǎng)時(shí)，工件推動(dòng)頂尖，使頂尖內(nèi)的蝶形彈簧壓縮變形。這樣可以對(duì)工件熱變形進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，用彈性頂尖加工細(xì)長(zhǎng)軸，可以有效地補(bǔ)償工件的熱變形伸長(zhǎng)，工件在車削時(shí)不易產(chǎn)生彎曲變形，車削可以順利進(jìn)行。3）工件由于在高速的旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生離心力而使工件彎曲，另外工件在自重的情況下也會(huì)使工件彎曲變形。由于細(xì)長(zhǎng)軸剛性不足，車削時(shí)工件易產(chǎn)生震動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)工件變形，使工件的幾何形狀公差嚴(yán)重超差，達(dá)不到工件尺寸精度和形狀精度的基本要求。4）在跟刀架的選用上，一般都會(huì)選擇2只卡爪的跟刀架。使用時(shí)由于跟刀架的卡爪與工件的接觸力不宜控制，所以會(huì)出現(xiàn)2 種不同的加工狀況，如果壓力過(guò)大會(huì)把工件車成“竹節(jié)形”。其原因是當(dāng)剛開(kāi)始車削時(shí)，由于尾座頂尖的作用下能夠正常地加工，車過(guò)一段距離后卡爪就會(huì)把工件壓向車刀，使背吃刀量增加，工件的直徑就車小了。當(dāng)跟刀架卡爪移動(dòng)到車小的工件外圓時(shí)，卡爪與工件表面脫離，在車刀徑向力的作用下，工件向外讓開(kāi)，使背吃刀量減小，工件的直徑又增大了。往復(fù)的規(guī)律變化產(chǎn)生了“竹節(jié)形”。如果壓力過(guò)小會(huì)把工件車成“麻花形”其原因是由于卡爪與工件間隙的存在，及工件的自重旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，由于工件的不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)使得車刀的切削深度不斷變化，而使工件產(chǎn)生扭曲的形狀。

3 解決工藝方法與措施

結(jié)合毛坯尺寸φ28×1000 機(jī)床型號(hào)CA6140或CA6150，根據(jù)工件圖的具體要求制定加工工藝內(nèi)容，見(jiàn)表1。車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，因?yàn)楣ぜ偠容^差，切削用量應(yīng)適當(dāng)減小[2]，根據(jù)加工工藝內(nèi)容制定選擇合理的切削用量，見(jiàn)表2。

圖1 細(xì)長(zhǎng)軸

表1 加工工藝內(nèi)容

表2 切削用量表

4 車刀幾何角度選擇

為了減小切削力對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸切削變形的影響，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，得到以下的切削角度能較好的完成細(xì)長(zhǎng)軸的加工。1）利用主偏角為90°的偏刀消除徑向力的影響安裝車刀時(shí)要保證車刀的主偏角Kr93°。2） 磨有橫向卷屑槽保證刃傾角λ=5°。3）刀頭材料YT15。YT30。均可。4）要保證車床剛性良好車刀安裝可略高于中心0.1 mm ～0.2 mm。

車刀幾何形狀如圖2 所示。

圖2 刀具角度

在機(jī)床剛性和精度保證的情況下，刀刃Ra 可達(dá)0.8 左右，確保刀具質(zhì)量合格。

5 精加工以磨代替車削

由于生產(chǎn)任務(wù)的逐漸增多，現(xiàn)有的工藝方法滿足不了實(shí)際的需要。然后又對(duì)工藝進(jìn)行了研究評(píng)判，增加了無(wú)心磨削的工藝過(guò)程，無(wú)需精車加工，使車削的效率進(jìn)一步提高，改進(jìn)后的粗車、半精車切削用量以及刀具的選擇如下。

刀具選擇如下。1）60°螺紋車刀、45°彎頭外圓車刀（減小主偏角，減小軸向切削力）。2）材質(zhì)：YT15（高速切削提高效率）。3）車刀角度γ- 前角（-3°～-5°）、α-后角（8°～10°）、λ為 -3°～-5°（刃傾角）、Kr-主偏角為 45°～60°、Kr’ - 副偏角為6°～8°、修光刃長(zhǎng)度為1.5f。4）切削用量選擇：ap為1 mm～2 mm、f為0.71 mm/r～0.81 mm/r、vc為60 m/min ～90 m/min （在工件表面形成較為明顯的進(jìn)給量的紋理）。5）跟刀架選擇。

選擇兩爪跟刀架（鑄鐵材質(zhì)，研爪時(shí)確保接觸面形成進(jìn)給量的紋理），此項(xiàng)工藝改變，使車床加工細(xì)長(zhǎng)軸的方法更容易掌握，跟刀架與工件的接觸更加平穩(wěn)，雖然工件加工后存在一定的彎曲，經(jīng)過(guò)后序的磨削達(dá)到產(chǎn)品的質(zhì)量要求，保證了生產(chǎn)的順利完成。在解決實(shí)際問(wèn)題的同時(shí)，對(duì)操作者的能力提升也起到了積極的促進(jìn)作用。

由于切削用量與刀具的改進(jìn)，細(xì)長(zhǎng)軸車削有了穩(wěn)定的工藝方法和穩(wěn)定的質(zhì)量保證，在生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中對(duì)細(xì)長(zhǎng)工件的加工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。以前由于質(zhì)量問(wèn)題影響了正常工作，影響了生產(chǎn)任務(wù)的完成。現(xiàn)在經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的工藝方法和工藝流程確保了生產(chǎn)任務(wù)的完成尤其對(duì)確保質(zhì)量的合格起到了關(guān)鍵作用。

6 結(jié)語(yǔ)

相關(guān)車削細(xì)長(zhǎng)軸的關(guān)鍵技術(shù)除了跟刀架的使用，還要避免工件的熱變形伸長(zhǎng)，以及合理選擇刀具的幾何角度3個(gè)方面。鑒于這3 個(gè)方面的原因，為我們提供了清晰的可借鑒的教學(xué)課題。我們針對(duì)3 種不同情況的不同要求，逐一進(jìn)行了細(xì)致的實(shí)踐，不僅找出了問(wèn)題產(chǎn)生的原因，而且我們找到了解決問(wèn)題的方法，無(wú)論是在工藝方法、工藝流程、尺寸精度、形狀精度上均有較大的改善。在實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)軸的加工要求、保證尺寸精度和形狀精度的基礎(chǔ)上，總結(jié)出合理的穩(wěn)定的加工方法和工藝流程，這樣不僅為細(xì)長(zhǎng)軸加工找到了解決問(wèn)題的方法，同時(shí)對(duì)于職業(yè)教育、車削加工專業(yè)的學(xué)習(xí)也提供了可靠的依據(jù)及方法，對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行了歸納與總結(jié)。