論文：細長軸的加工技術方法

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車工技師論文 車工職業(yè)文章 文章類型： 技師論文 文章題目：細長軸的加工技術方法 姓 名： 楊強 職 業(yè)： 不落輪鏇床工 準考證號: 工作單位：長沙市軌道交通運營有限公司 2015年9月8日 11 細長軸的加工技術方法 長沙市軌道交通運營有限公司 楊強 摘要：由于細長軸在加工中剛性差，在切削時受切削力、重力、切削熱等因素影響產生彎曲變形，產生震動、錐度、腰鼓形和竹節(jié)形等缺陷，難以保證加工精度。通過分析細長軸加工各關鍵技術問題對細長軸加工的影響，找到改進方法，從而提高細長軸加工的精度，保證合格率。 關鍵字：細長軸 技術問題 加工方法 精度 引言 通常軸的長度與之直徑比大于20～25(即L/d≥20～25)的軸稱之為細長軸。這類零件一般在車床上進行加工。在車削加工過程中，由于其剛性差，在切削力和切削熱的作用下，細長軸很容易產生彎曲變形，使加工出來的細長軸產生中間粗、兩頭細的形狀，嚴重影響零件的加工精度。同時細長軸產生彎曲變形后，還會引起工藝系統(tǒng)振動，影響零件的粗糙度。 在切削力、重力和頂尖頂緊力的作用下, 橫置的細長軸很容易彎曲甚至失穩(wěn), 因此, 車削細長軸時必須改善細長軸的受力問題。 加工方法： 采用反向進給車削, 選用合理的刀具幾何參數(shù)、切削用量、拉緊裝置和軸套式跟刀架等一系列有效措施。 一、提出問題 細長軸是機器上的重要零件之一．用來支配機器中的傳動零件，使傳動零件有確定的工作位置，并且傳遞運動和轉矩。當軸的長度與直徑之比Ｌ／Ｄ＞２５時，軸稱為細長軸?！败嚬づ聴U。鉗工怕眼’’是人們熟悉的口頭語。也就是說，由于細長軸的加工精度要求高，但細長軸本身的結構特點使之剛性差、振動大，所以加工起來存在一定的難度。其加工特點如下： 1、細長軸剛性很差。在車削加工時，如果裝夾不當，很容易因切削力及重力的作用而產生彎曲變形，從而引起振動，降低加工精度和表面粗糙度。 2、細長軸的散熱性差。在切削熱的作用下。工件軸向尺寸會變熱伸長，如果軸的兩端為固定支承，則會因變擠而產生彎曲變形，甚至會使工件卡死在頂尖間而無法加工。 3、工件高速旋轉時，在離心力作用下，加劇工件彎曲與振動。 4、細長軸軸向尺寸較長，加工時一次給所需時間長。刀具磨損大，從而影響零件的幾何形狀精度。 二、分析細長軸車削加工時受力變形的主要原因 在車床上車削細長軸采用的傳統(tǒng)裝夾方式主要有兩種：一種方式是細長軸的一端用卡盤夾緊，另一端用車床尾架頂尖支承(一夾一頂)；另一種方式是細長軸的兩端均由頂尖支撐(雙頂尖)。通過分析研究，車削引起細長軸彎曲變形的原因主要有： 1、切削力導致變形 在車削過程中，產生的切削力可以分解為軸向切削力Px、徑向切削力Pz。不同的切削力對車削細長軸時產生彎曲變形的影響是不同的。 （1）徑向切削力Pz的影響 徑向切削力是垂直作用在通過細長軸軸線水平平面內的，由于細長軸的剛性較差，徑向力將會把細長軸頂彎，使其在水平面內發(fā)生彎曲變形.徑向切削力對細長軸彎曲變形的影響(見圖1)。 圖 1 一夾一頂裝夾方式及力學模型 （2）軸向切削力Px的影響 軸向切削力是平行作用在細長軸軸線方向上的，它對工件形成一個彎矩。對于一般的車削加工，軸向切削力對工件彎曲變形的影響并不大，可以忽略。但是由于細長軸的剛性較差，其穩(wěn)定性也較差，當軸向切削力超過一定數(shù)值時，將會把細長軸壓彎而發(fā)生縱向彎曲變形(如圖2)。 圖2 徑向切削力的影響及力學模型 2、切削熱產生的影響 車削加工產生的切削熱，會引起工件熱伸長。由于在車削過程中，卡盤和尾架頂尖都是固定不動的，因此兩者之間的距離也是固定不變的。這樣細長軸受熱后的軸向伸長量受到限制，導致細長軸受到軸向擠壓而產生彎曲變形。 因此可以看出，提高細長軸的加工精度問題，實質上就是控制工藝系統(tǒng)的受力及受熱變形的問題。 三、提高細長軸加工精度的措施 1、機床的調整 細長軸的加工過程需要使用床身導軌的全部或大部分，因此機床本身的精度對加工效率、質量有著相當重要的影響。由于機床導軌面磨損程度不同，因此首先要對機床做適當?shù)恼{整。使主軸中心和尾座頂尖中心線與導軌全長平行。 2、棒料的校直 對于精度要求高的零件要采用熱校直法校直棒料，不宜冷校直，忌錘擊。 3、選擇合適的裝夾方法 （1）兩頂尖裝央定位準確，容易保證工件軸度要求。但該方法車削剛性較差，要求頂緊力適當，否則彎曲變形大，而且極易產生振動。只適宜于長度與直徑比不很大，加工余量小，需要多次以兩頂尖孔定位來保證同軸度要求的工件加工。 （2）一端用卡盤夾緊，另一端用頂尖頂緊頂尖頂?shù)锰o，工件切削時變熱伸長變阻，將引起軸變形彎曲；頂尖頂?shù)锰?，則穩(wěn)定性差，另外，頂尖孔與裝夾基面往往不同軸，會形成裝夾的過定位而使工件彎曲。此時．可在三爪卡盤與工件問墊入—個開口鋼絲圈，使工件與卡爪成線接觸，使細長軸在自由狀態(tài)下定位夾緊，不會產生內應力。此外，后頂尖還可以采用彈性活頂尖，使工件變熱伸長時不變阻，以減少彎曲變形 （3）一夾一拉裝夾細長軸在車削過程中工件始終受到軸向拉力，因切削熱而產生的軸向伸長量，可用后尾座手輪進行調整，這是加工細長軸比較理想的一種裝夾方法 4、增加細長軸的剛性，減小車削時的振動，使用中心架和跟刀架來解決 使用跟刀架或中心架的加工特點： 車細長軸時由于使用跟刀架，若支承工件的兩個支承塊對零件壓力不適當，會影響加工精度。若壓力過小或不接觸，就不起作用，不能提高零件的剛度：若壓力過大，零件被壓向車刀，切削深度增加，車出的直徑就小，當跟刀架繼續(xù)移動后，支承塊支承在小直徑外圓處，支承塊與工件脫離，切削力使工件向外讓開，切削深度減小，車出的直徑變大，以后跟刀架又跟到大直徑圓上，又把工件壓向車刀，使車出的直徑變小，這樣連續(xù)有規(guī)律的變化，就會把細長的工件車成“竹節(jié)”形。造成機床、工件、刀具工藝系統(tǒng)的剛性不良給切削加工帶來困難，不易獲得良好的表面粗糙度和幾何精度。 （1）當工件可分段車削時，中心架直接支承在工件中間。采用這種支承，長度與直徑之比可以減少一半，相當于減少了軸與支承跨距，細長軸的剛度可以增加幾倍，能有效防止軸加工時的繞曲變形(見圖3-1)。 圖3-1 中心架的裝夾方法 （2）跟刀架固定在床鞍上，一般有兩個或三個支承爪，跟刀架可以跟隨車刀移動，抵消徑向切削時可以增加工件的剛度，減少變形。從而提高細長軸的形狀精度和減小表面粗糙度。跟刀架是加工細長軸及其重要的附件。跟刀架的形式很多，但不管是哪種，其中心都必須與卡盤、尾座頂尖處于同一中心上（如圖3-2）。必要時可將圓柱鉸刀或圓柱銑刀支持在三爪卡盤上，對跟刀架支撐頭進行修正。加工細長軸時最好采用三支柱的跟刀架，支柱的材料為普通鑄鐵，因為這種材料的磨損較小能保證加工精度，而且不會研傷工件表面，能提高工件表面的光潔度。跟刀架爪與工件表面要接觸良好，其壓力大小是由操作者手感控制，不得過緊或過松。過緊，工件隨著走刀，會產生竹節(jié)形誤差，表面粗糙度加大；過松，工件容易跳動產生橢圓形、三菱形、竹節(jié)形等誤差，表面粗糙度也會增大。 圖3-2 跟刀架 5、減小熱變形伸長影響 車削時，因切削熱傳導給工件，使工件溫度升高，工件就開始變形伸長，其熱變形伸長量為 式中： 1為材料的線膨脹系數(shù)； Ｌ為工件總長； t為工件升高的溫度。 如前所述，車削細長軸時，一般用兩頂尖或一端夾緊，另一端頂緊的方法加工，其軸向位置是固定的，如果工件變熱伸長了ｄＬ，工件就受擠壓彎曲，一旦產生彎曲后，細長軸就很難進行加工，因此，加工細長軸時，需采取措施以減小熱變形的影響： （1）使用彈性回轉頂尖來補償熱變形伸長實踐證明，用彈性回轉頂尖加工細長軸，可有效的補償工件的熱變形伸長，工件不易彎曲，車削可順利進行。 （2）采用反向進給車削反向進給是指刀具從床頭到床尾方向作切削運動。常規(guī)的切削方向使尾架的頂緊軸向力與切削軸向力Ｂ方向一致，加劇了細長軸工件的彎曲。若反向進給，其軸向分力只對工件產生的拉力，使工件已加工部分軸向拉伸，與工件變熱伸長方向一致，共同向彈性頂尖壓縮。為取得最佳效果，反向進給和彈性頂尖一般配合使用。 （3）加注充分的切削液車削細長軸時．無論是低速切削還是高速切削，使用切削液進行冷卻，能有效地抑制工件溫度上升，從而控制熱變形。 （4）刀具應經常保持銳利狀態(tài)，以減小刀具與工件的摩擦發(fā)熱。 6、采用適當?shù)能囅鞣椒? （1）一夾一頂上中心架，或兩頂尖上中心架，正裝車刀車削，適用于允許調頭接刀車削的工件。 （2）一夾一頂上跟刀架，正裝車刀車削，適用于不允許調頭接刀車削的工件。兩爪跟刀架不適用于高速切削，三爪跟刀架適用于高速切削。 （3）一夾一頂或一夾一拉，卡盤央緊面用開口鋼絲圈，上跟刀架，反向進給，適用于精車長徑比大于５０倍的軸（見圖3-3）。 圖3-3 （4）雙刀切削法。采用雙刀車削細長軸改裝車床中溜板，增加后刀架，采用前后兩把車刀同時進行車削。兩把車刀，徑向相對，前車刀正裝，后車刀反裝。兩把車刀車削時產生的徑向切削力相互抵消。工件受力變形和振動小，加工精度高，適用于批量生產（見圖3-4）。 圖3-4 雙刀車削細長軸 （5） 雙頂尖法裝夾法。采用雙頂尖裝夾，工件定位準確，容易保證同軸度。但用該方法裝夾細長軸，其剛性較差，細長軸彎曲變形較大，而且容易產生振動.因此只適宜于長徑比不大、加工余量較小、同軸度要求較高、多臺階軸類零件的加工。 （6）采用反向切削法車削細長軸。反向切削法是指在細長軸的車削過程中，車刀由主軸卡盤開始向尾架方向進給。在加工過程中產生的軸向切削力使細長軸受拉，消除了軸向切削力引起的彎曲變形。同時，采用彈性的尾架頂尖，可以有效地補償?shù)毒咧廖布芤欢蔚墓ぜ氖軌鹤冃魏蜔嵘扉L量，避免工件的壓彎變形 7、適當?shù)目刂魄邢饔昧?。加工時，冷卻液的澆淋要充分。 切削用量選擇的是否合理，對切削過程中產生的切削力的大小、切削熱的多少是不同的。因此對車削細長軸時引起的變形也是不同的。 （1）切削深度(t) 在工藝系統(tǒng)剛度確定的前提下，隨著切削深度的增大，車削時產生的切削力、切削熱隨之增大，引起細長軸的受力、受熱變形也增大。因此在車削細長軸時，應盡量減少切削深度 （2）進給量(f) 進給量增大會使切削厚度增加，切削力增大。但切削力不是按正比增大，因此細長軸的受力變形系數(shù)有所下降.如果從提高切削效率的角度來看，增大進給量比增大切削深度有利。 （3）切削速度(v) 提高切削速度有利于降低切削力。這是因為，隨著切削速度的增大，切削溫度提高，刀具與工件之間的摩擦力減小，細長軸的受力變形減小。但切削速度過高容易使細長軸在離心力作用下出現(xiàn)彎曲，破壞切削過程的平穩(wěn)性，所以切削速度應控制在一定范圍。對長徑比較大的工件，切削速度要適當降低。 8、選擇合理的刀具角度 選擇合理的刀具角度是為了減小車削細長軸產生的彎曲變形，要求車削時產生的切削力越小越好，而在刀具的幾何角度中，前角、主偏角和刃傾角對切削力的影響最大。細長軸車刀必須保證如下要求：切削力小，減少徑向分力，切削溫度低，刀刃鋒利，排屑流暢，刀具壽命長。從車削鋼料時得知：：當前角γ0增加10，徑向分力Fr可以減少30%；主偏角Kr增大10，徑向分力Fr可以減少10%以上；刃傾角λs取負值時，徑向分力Fr也有所減少（見圖3-5）。 圖3-5刀具切削幾何角度 （1）前角(γ0) 其大小直接著影響切削力、切削溫度和切削功率，增大前角?？梢允贡磺邢鹘饘賹拥乃苄宰冃纬潭葴p小，切削力明顯減小。增大前角可以降低切削力，所以在細長軸車削中，在保證車刀有足夠強度前提下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γ0=150 。車刀前刀面應磨有斷屑槽，屑槽寬B=3.5～4mm，配磨 br1=0.1～0.15mm，γ01=-25的負倒棱，使徑向分力減少，出屑流暢，卷屑性能好，切削溫度低，因此能減輕和防止細長軸彎曲變形和振動。 （2）主偏角(kr) 車刀主偏角Kr是影響徑向力的主要因素，其大小影響著3個切削分力的大小和比例關系。隨著主偏角的增大，徑向切削力明顯減小，在不影響刀具強度的情況下應盡量增大主偏角。主偏角Kr=90（裝刀時裝成85～88），配磨副偏角Kr′=8～100 。刀尖圓弧半徑γS=0.15～0.2mm，有利于減少徑向分力。 （3）刃傾角(λs)傾角影響著車削過程中切屑的流向、刀尖的強度及3個切削分力的比例關系。隨著刃傾角的增大，徑向切削力明顯減小，但軸向切削力和切向切削力卻有所增大。刃傾角在-10～+10范圍內，3個切削分力的比例關系比較合理。在車削細長軸時，常采用正刃傾角+3～+10，以使切屑流向待加工表面。 （4）后角較小a0=a01=4~60 ，起防振作用。 通過上述措施，車削細長軸時，只要做到采用合理的裝夾方法和加工方法，正確選擇刀具的幾何角度及切削用量，恰當?shù)睦鋮s潤滑，就可以保證細長軸的加工精度，避免返修，報廢情況的發(fā)生，提高工作效率，節(jié)約生產成本。 四、參考文獻 [1] 陳日曜.金屬切削原理（第二版）[Ｍ]北京：機械工業(yè)出版社．1995. 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