高速切削细长轴类零件的研究与探讨

2013-03-27孔宪华

机械管理开发 2013年3期

孔宪华，王亮

（河南机电职业学院，河南郑州 451191）

0 引言

随着先进制造技术的发展，无论是日常生活还是专业领域，人们对机械产品的质量要求越来越高，这就需要在加工产品的同时不断的改革和创新，应用更多新的科学技术和生产工艺来满足产品质量的需求。

细长轴类零件的生产制造无论是车床工艺系统（机床—工件—刀具）优化还是加工工艺方案的选取一直是公认的难题。我们把长度与直径之比大于25（即L/d>25）的轴叫细长轴，由于细长轴本身刚性比较差，切削力、振动和切削温度对于细长轴的机械加工精度和表面质量的影响非常明显，同时车削工艺系统的刚性不足，也常常会使工件在加工中产生腰鼓形、麻花形、竹节形等缺陷，所以要改善此类零件加工质量和提高生产效率，合理采用高速切削技术，能有效地降低各种因素对细长轴类零件加工时的不利影响。

1 高速切削对切削力的影响

图1 切削模型

图2 切削速度和切削力的关系

由于细长轴类零件本身的刚性差，加工时因切削力的作用而容易变形，从而影响加工精度和表面质量，所以必须降低切削力。如图1所示，采用传统切削速度时，切屑理论断裂层中的延展材料随着塑性变形而发生应变硬化，塑性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区，由于应变硬化了材料，并且不断地在材料中扩散，会使切削力增加；相反，如果切削速度够快，使应变硬化来不及发生，变形只发生在小范围内，会使切削力远远小于传统速度时的切削力[1]。正因此，才得到了如图2所示的切削速度和切削力的关系曲线，在传统速度0~800 m/min区间，切削力随着切削速度的增大而增大；但是超过了800 m/min左右的峰值之后，在800~1200 m/min的区间内，切削力随着切削速度的增大而减小。实践证明，高速切削在加工细长轴类零件时可以使切削力降低30%以上，同时高速切削采用了较小的背吃刀量，那么可以使刚性较差、易变形的细长轴零件减少其变形，提高加工精度。

2 高速切削对振动的影响

加工细长轴类零件时，减小刀具与工件之间的相对振动可以有效地避免车削加工时易产生的弯曲、锥度、鼓形和棱带。振动主要取决于切削系统的工作频率和机床的低阶固有频率，当两者偏离时就不会发生共振，震动就越小，加工过程就平稳[2]；通过图3，我们可以观察到，当切削速度达到40~60 m/min时，切削系统的工作频率和机床的低阶固有频率最接近，振幅最大，振动剧烈,但是随着切削速度的增加，两者的频率慢慢的偏离，振幅反而慢慢的变小。采用高速切削有利于避免震动，减少工件的热变形和内应力，提高了细长轴类零件加工的精度和表面质量。

3 高速切削对切削温度的影响

根据切削过程我们知道，工艺系统产生的热主要传递到刀具、工件和切屑当中，其中切屑带走的热占了绝大部分。

图3 切削速度与振幅的关系

图4 切削温度与速度的关系

图4 为切削过程中，不同切削速度下最高切削温度的实验结果与模拟结果[3]的比较，随着切削速度增大，切削温度也随之提高，但切削速度增大到一定范围后，切削温度的变化越来越迟缓，切削温度基本不再升高，之所以会这样正是因为随着切削速度的增大，切屑以很高的速度被排出，带走大量的热量，且速度越高带走的热量越多，可以达到90%以上，从而使得传递给刀具和工件的热量大大减少。如果按照切削专家萨洛蒙的假设，当速度继续增大，切削温度反而降低，切削力也大幅度下降。由于实验条件有限，结论并未得到有力的证实。但是，采用高速切削，降低了切削系统的温度，减少了工艺系统的热变形，有利于提高细长轴类零件的加工精度。