變徑超細長軸類零件加工專用機床的設(shè)計

■沈陽新松機器人自動化股份有限公司 （遼寧沈陽 110168） 王 鵬

■遼寧信誠人才服務(wù)有限公司 （遼寧沈陽 110870） 方 芳

通常將長徑比＞20的軸稱為細長軸，其車削加工是一項很難的加工技術(shù)。傳統(tǒng)的細長軸類零件通常是在普通車床上加工，操作人員的技術(shù)水平很大程度上決定了零件的加工質(zhì)量，而且效率低下。應(yīng)用更先進的自動化數(shù)控技術(shù)來生產(chǎn)超細長軸類零件是必然趨勢，筆者提出了一種較為創(chuàng)新的加工變徑超細長軸類零件的方法，并經(jīng)實際驗證取得了良好的效果。

1. 細長軸類零件加工難點分析

1）細長軸類零件的剛性差，長徑比大，切削時不僅易產(chǎn)生振動和熱脹變形，而且需要具備一定比例的錐度。

2）細長軸在高速車削時，局部溫度會急劇上升，產(chǎn)生較大的線膨脹，因其散熱性差，導(dǎo)致細長軸彎曲變形，影響車削精度。

3）細長軸軸向尺寸大，車削時要求較小的進給量，刀具極易磨損，在實際加工中很容易出現(xiàn)崩刀、啃刀等刀具損壞現(xiàn)象，產(chǎn)生竹節(jié)形誤差和麻花形誤差。

2. 細長軸振動基本理論

細長軸車削振動問題屬于連續(xù)系統(tǒng)振動，其有無窮多個自由度，可以用偏微分方程對其進行描述。在建立細長軸切削的受力模型時，可將尾座處簡化為一個簡支座；跟刀架只能限制X、Y方向位移，Z向可以自由移動，可將跟刀架簡化為一個簡支座；將自定心卡盤處簡化為一個固定支承，則可建立細長軸車削時的受力簡圖，如圖1所示。

在主切削力、軸向切削力、徑向切削力和約束的共同作用下，細長軸將主要出現(xiàn)徑向振動和軸向振動，假設(shè)細長軸材料為理想彈性體且滿足以下三個條件：一是質(zhì)量均勻分布，二是各向同性，三是服從虎克定律，這樣就可以對細長軸的徑向、軸向振動進行理論推導(dǎo)。

圖1 細長軸車削受力簡圖

3. 變徑超細長軸車削加工專用機床設(shè)計

筆者根據(jù)所要加工零件的特點設(shè)計了專用數(shù)控機床，對一臺型號為CA6140/3000的數(shù)控車床進行了數(shù)控化改造，在基本機械改造的基礎(chǔ)上，針對細長軸類零件的加工難點進行分析，在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上，最終確定了液壓可適應(yīng)跟刀架、拉式尾座和雙卡盤結(jié)構(gòu)組合的加工方案，具體改造方案如下所述。

（1）液壓可適應(yīng)跟刀架（見圖2） 該專用機床設(shè)計了一種液壓可適應(yīng)跟刀架，在安裝時確定好卡輪與刀具之間的距離，并確保液壓跟刀架三爪完全與細長軸接觸。根據(jù)所需要的夾緊力調(diào)整液壓站輸出壓力，車削進給時，液壓中心架的三個爪能夠隨著變徑超細長軸的外形自適應(yīng)調(diào)整。液壓跟刀架的具體參數(shù)為：工作壓0.1～3.0MPa，最大壓4MPa，最大夾緊力2.4kN，工作范圍定心精度0.02m m，重復(fù)定位精度0.005mm。跟刀架采用了集中潤滑的方式，有專門的潤滑油泵向卡爪的三個軸承提供潤滑油，在日常使用中，要注意及時向儲油罐加注足量的潤滑油，以保證加工的順利進行。

圖2 液壓可適應(yīng)跟刀架

（ 2 ） 拉 式 尾 座 （ 見 圖3） 傳統(tǒng)加工細長軸的車床尾座一般采用頂尖式結(jié)構(gòu)，但在實踐中發(fā)現(xiàn)頂尖式尾座并不適合變徑超細長軸的加工。筆者設(shè)計了一種彈性尾座拉緊裝置，其工作原理是通過對細長軸施以一定拉力，從而改變細長軸在車削加工中的受力狀況。因為尾座裝置需要同時承受軸向拉力和因細長軸自重而導(dǎo)致的徑向力，所以支撐部件選擇圓錐滾子軸承。由于拉力裝置的尾座軸承內(nèi)部潤滑困難，故選用油脂潤滑方式。針對不同直徑規(guī)格的細長軸，設(shè)計了一種快換裝置，以方便裝夾更換。

圖3 拉式尾座

（3）雙卡盤結(jié)構(gòu)（見圖4） 經(jīng)分析、探究發(fā)現(xiàn)，伸出主軸箱外側(cè)的細長軸在機床高速旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生較大振動，這種振動會傳遞給加工段，導(dǎo)致細長軸加工表面質(zhì)量較差。筆者特設(shè)計了一種雙卡盤結(jié)構(gòu)，即在主軸箱兩側(cè)均裝設(shè)卡盤，車削過程中，伸出部分細長軸產(chǎn)生的振動先傳給外側(cè)卡盤，后傳遞給內(nèi)側(cè)卡盤，經(jīng)過雙卡盤結(jié)構(gòu)減振后，傳遞到加工區(qū)域的振動已經(jīng)很小。通過雙卡盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計，進一步提高了細長軸的加工質(zhì)量。

圖4 雙卡盤結(jié)構(gòu)

4. 實際加工舉例

下文以實際加工為例，詳細介紹了該專用機床的加工過程。試切工件為細長軸，材料為彈簧鋼，加工長度為2 250mm，直徑為36m m，長徑比約為1∶60。需要在2 050mm的長度內(nèi)變徑加工，使其直徑從24mm逐漸過渡到36mm。車削加工步驟如下文所述，車削加工后變徑細長軸如圖5所示。

1）在加工前需要對被加工零件進行分析，編制開槽、粗加工和精加工三道工序的數(shù)控加工程序。

2）裝夾工件，使用柔性液壓跟刀架夾緊工件，拉式尾座固定工件，檢查無誤后方可加工。

3）運行程序，開始車削加工，粗車參數(shù)設(shè)定：主軸轉(zhuǎn)速400r/min，進給速度0.6mm/s，背吃刀量2.0～2.5mm；精車參數(shù)設(shè)定：車床轉(zhuǎn)速450r/min，進給速度0.8～1.0mm/s，背吃刀量0.3～0.5mm。經(jīng)過試驗驗證，細長軸表面質(zhì)量良好，加工效率也有了很大提高。

圖5 車削加工后變徑細長軸

5. 結(jié)語

本文針對變徑超細長軸類零件的加工工藝特點，研發(fā)了專用數(shù)控車床。設(shè)計了液壓可適應(yīng)跟刀架、拉式尾座和雙卡盤結(jié)構(gòu)組合的解決方案。并在反復(fù)切削試驗的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了加工工藝參數(shù)。經(jīng)多次檢測和試驗驗證，該專用機床生產(chǎn)效率高，加工的變徑細長軸類零件精度符合要求，可進行規(guī)模化生產(chǎn)。