细长轴车削加工浅探

2017-01-20张博

中国设备工程 2017年20期

关键词：细长精加工切削力

张博

（中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠 233000）

细长轴车削加工浅探

张博

（中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠 233000）

细长轴车削加工是一种常用的机械加工方法，对技术有较高要求。本文在分析了细长轴的车削加工特点的基础上，对细长轴车削加工的方法进行了探讨，旨在优化加工技术，促进细长轴加工质量的提高。

细长轴；车削加工；特点；方法

细长轴是机械上的一个非常关键的零件，对于细长轴的加工通常应用车削加工方法。在细长轴的车削加工过程中，受细长轴自身刚性差、抗弯力弱等特点及加工过程中产生的残余应力等因素的影响，工件在加工过程中很容易出现弯曲变形，从而对工件与刀具相对运动的准确性造成影响，使加工出来的工件精度不高。因此，在细长轴的车削加工过程中，应采取有效方法对弯曲变形情况进行控制，以提高加工的质量。

1 细长轴车削加工的特点

细长轴主要是指工件长度与直径的比值小余或等于20的轴，细长轴是机器上的一个关键零件，其主要是对传动零件起到抑制支配的作用，并且实现运动和传递转矩的目的。细长轴加工技术难度非常大，一是由于细长轴对加工精度具有极高的要求，二是细长轴自身具有一定不足，如刚性不足、振动性大等，进一步增加了加工的难度。从整体上看，细长轴加工主要具有以下特点：一是散热能力较差。工件在切削热的影响下，其轴向尺寸会变长，如若轴的两端是固定支承，则会因为顶尖间卡死或受到挤压而完全变形等情况而使得难以继续加工工件的情况出现；二是细长轴刚性不足。在对其进行加工时，要对细长轴进行装夹，在重力及切削力的作用下则极易出现变形弯曲等情况，从而出现振动问题，最终导致实际加工所得细长轴表面不够光滑，且精度也无法达到相应要求；三是细长轴的轴向尺寸较长，在实际加工时，一次走刀需要花费较长时间。进一步增加了技术难度；四是在离心力的影响下，高速旋转的工件较容易出现弯曲及振动等不利于加工精度控制的问题；五是刚性差。由于细长轴长径比往往超过25，这就使其车削加工具有刚性差的特点。以长径30且基体硬度在37-42HRC的某型号中沉淀硬化不锈钢细长轴零件为例，由于刚性差的特点使其经固溶且粗加工时出现加工硬化以及严重变形的情况，从而致使该零件难以达到图纸要求。

2 细长轴车削加工的方法

2.1 合理选择切削用量

在细长轴加工过程中，切削量选择是加强技术控制的一个关键环节，应该科学合理的选择切削量。而对于切削量的合理选择，主要从三个方面进行控制。一是切削深度，由于随着切削深度地不断增加，车削过程中形成的切削热及切削力会增加细长轴的受热变形与受力，因此，为了减小对车削加工的影响，要尽可能小的减小切削的深度。二是进给量，在车削过程中，随着进给量地增加，切削的厚度也不断增加，但是切削力并不会根据正比增加，因此会给细长轴的受力变形系数带来很大的影响。而相对于通过增加切削深度来提升切削效率的方式而言，增加进给量是一个更为有效的选择。随着数控技术的快速发展，五轴加工被广泛的运用于模具制造、高精密仪器、船舶、航空航天等领域中，但是五轴技术应用过程中，自动编程软件是作用得以发挥的根本。对于加工过程中毛坯残留量的识别、干涉刀具夹头及工装夹具间以及排布刀具等的检查都是依赖于自动编程软件，这就导致编程工作人员难以借助计算机来进行设置，只能结合经验对切削参数进行优化，以期使加工轨迹更为准确。三是切削速度，由于切削深度增加会使得切削温度升高，导致工件与刀具间的摩擦力减小，因此适当的提高切削的速度可以降低切削力，进而减小细长轴的受力变形。但是切削速度的提升也是需要控制在一定的范围之内的，因为切削速度过高也会导致细长轴在离心力的作用下发生弯曲变形的情况，尤其是对于长径较大的工件来说，应适当的降低切削的速度。

2.2 科学选取装夹方法

在细长轴车削加工过程中，有多种装夹方法，各种方法都有其特点，因此要科学选取才能更好的确保加工精度。常用的细长轴车削加工装夹方法主要有以下几种。

（1）双顶尖装夹法。该种装夹方法可以有效的确保同心度，且工件操作方便，定位精度高，因此在车削细长轴加工中应用非常广泛。但双顶尖装夹法也有不足之处，那就是刚性度低，不利于切削用量的提升。应用的注意事项主要有两方面，一是配合锥孔和顶尖，应确保锥孔无残留物；二是对于实时更换的顶尖，要合理的添加润滑剂。

（2）一夹一顶装夹法。该种装夹法具有稳定性及安全性高的特点，在承受进给力方面较为有优势。但是在应用过程中要注意以下两方面：一是对顶尖位置的合理控制，顶尖位置不能过紧，否则会顶弯细长轴，而且由于细长轴热扩散性能较差，顶尖位置过紧会造成轴向形成压力，进而挤弯细长轴。针对这个问题，主要采取将弹性活顶尖应用于顶尖位置的方法来解决。二是不在相同轴向上的顶尖孔和卡抓加紧面，会造成车削的时候出现弯曲变形。为此，通常在细长轴和卡抓间垫入一个开口钢丝绳的方法加以解决。

（3）双刀切削法。这种方法原理在于运用力相互抵消的方法来将细长轴的横向受力降低，进而防止出现变形弯曲等现象，已达到提高加工精度的目的，当前此方法在批量生产当中较为常用。

（4）采用跟刀架和中心架。该种方法主要在细长轴刚性较差，更容易出现弯曲变形的情况应用较多，其通过缩短支承点与切削作用点的距离来提升细长轴的刚性。

（5）反向切削法。车削过程中从主轴卡盘开始往尾架方向给刀，使形成的轴向切削力确保细长轴受拉，进而防止弯曲变形。另外为防止工件出现压弯变形现象，反向切削中我们可以使用具有弹性的尾架顶尖，这样一来能够很好地把刀具到尾架之间工件在加工中出现的热伸长量与受压变形予以补偿。

2.3 降低工件热变形伸长概率

在细长轴车削加工过程中，会出现“热变形”现象，这主要是由于在切削热的制约下，工件会伴随着温度的升高而出现伸长变形。对于“热变形”的控制，在通常的轴类的车削加工中也许可以忽略，但是在细长轴的车削加工中却要加以考虑，因为工件长，总伸长量长会给车削加工精度造成很大的影响，因此必须加以控制。一是对弹性回转顶尖的应用。在弹性回转顶尖的辅助下，细长轴能够大大的完善工件的热变形伸长，降低工件出现弯曲的概率，确保车削加工正常顺利的进行。二是充分加注切削液。在细长轴的车削加工过程中，切削液的加注对于降低工件热变形伸长有很大作用。在对细长轴车削的时候，不管是高速的车削还是低速的车削，温度的提升都会导致热变形情况，而通过切削液可以使细长轴进行完全的冷却，进而降低热变形率。

此外，细长轴车削加工过程中切削液的使用可以在防止与刀架支承爪拉毛工件情况下起到保证车削质量及保护刀具之目的。三是在车削过程中，确保刀具的锋利，也可以通过减小工件与车刀之间的摩擦发热而降低热变形的出现。

2.4 减少残余应力

在加工细长轴的车削时，工件会因为机械加工、热处理和原材料组织结构等方面的影响而存在一定内应力，如若不采取有效措施进行把控，在后面的加工工序中释放出此内应力，将导致工件变形的情况出现，使得工件表面粗糙程度、形位公差和尺寸公差等出现。而且细长轴在加工过程中在内部残余应力的影响下，工件出现弯曲变形的概率非常大，因此必须采取有效的措施来减少加工过程中形成的残余应力。

对于工件内部残余应力的消除，首先要正确采取半精加工和精加工的方法来释放内应力，主要是在细长轴热处理后的加工进行；同时在半精加工和精加工之间安排无损检测，以检测热处理可能出现的缺陷，避免存在隐患给加工带来影响。而对于部分无法通过半精加工和精加工释放的较大的内应力，就要采取去应力时效的方法对残余的应力进行消除，以减小对后续加工的影响，确保细长轴车削加工的顺利完成。另外，在处理部分具有较大内应力的工件过程中，由于无法通过半精加工、精加工这两种方式将其内应力予以释放，为了让后续加工有效地开展我们必须要将其残余应力消除掉。