論文：細(xì)長(zhǎng)軸的加工技術(shù)方法

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車(chē)工技師論文 車(chē)工職業(yè)文章 文章類(lèi)型： 技師論文 文章題目：細(xì)長(zhǎng)軸的加工技術(shù)方法 姓 名： 楊強(qiáng) 職 業(yè)： 不落輪鏇床工 準(zhǔn)考證號(hào): 工作單位：長(zhǎng)沙市軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司 2015年9月8日 11 細(xì)長(zhǎng)軸的加工技術(shù)方法 長(zhǎng)沙市軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司 楊強(qiáng) 摘要：由于細(xì)長(zhǎng)軸在加工中剛性差，在切削時(shí)受切削力、重力、切削熱等因素影響產(chǎn)生彎曲變形，產(chǎn)生震動(dòng)、錐度、腰鼓形和竹節(jié)形等缺陷，難以保證加工精度。通過(guò)分析細(xì)長(zhǎng)軸加工各關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸加工的影響，找到改進(jìn)方法，從而提高細(xì)長(zhǎng)軸加工的精度，保證合格率。 關(guān)鍵字：細(xì)長(zhǎng)軸 技術(shù)問(wèn)題 加工方法 精度 引言 通常軸的長(zhǎng)度與之直徑比大于20～25(即L/d≥20～25)的軸稱(chēng)之為細(xì)長(zhǎng)軸。這類(lèi)零件一般在車(chē)床上進(jìn)行加工。在車(chē)削加工過(guò)程中，由于其剛性差，在切削力和切削熱的作用下，細(xì)長(zhǎng)軸很容易產(chǎn)生彎曲變形，使加工出來(lái)的細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生中間粗、兩頭細(xì)的形狀，嚴(yán)重影響零件的加工精度。同時(shí)細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲變形后，還會(huì)引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)，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(xì)長(zhǎng)軸很容易彎曲甚至失穩(wěn), 因此, 車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)必須改善細(xì)長(zhǎng)軸的受力問(wèn)題。 加工方法： 采用反向進(jìn)給車(chē)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(wèn)題 細(xì)長(zhǎng)軸是機(jī)器上的重要零件之一．用來(lái)支配機(jī)器中的傳動(dòng)零件，使傳動(dòng)零件有確定的工作位置，并且傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。當(dāng)軸的長(zhǎng)度與直徑之比Ｌ／Ｄ＞２５時(shí)，軸稱(chēng)為細(xì)長(zhǎng)軸。“車(chē)工怕桿。鉗工怕眼’’是人們熟悉的口頭語(yǔ)。也就是說(shuō)，由于細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度要求高，但細(xì)長(zhǎng)軸本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使之剛性差、振動(dòng)大，所以加工起來(lái)存在一定的難度。其加工特點(diǎn)如下： 1、細(xì)長(zhǎng)軸剛性很差。在車(chē)削加工時(shí)，如果裝夾不當(dāng)，很容易因切削力及重力的作用而產(chǎn)生彎曲變形，從而引起振動(dòng)，降低加工精度和表面粗糙度。 2、細(xì)長(zhǎng)軸的散熱性差。在切削熱的作用下。工件軸向尺寸會(huì)變熱伸長(zhǎng)，如果軸的兩端為固定支承，則會(huì)因變擠而產(chǎn)生彎曲變形，甚至?xí)构ぜㄋ涝陧敿忾g而無(wú)法加工。 3、工件高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力作用下，加劇工件彎曲與振動(dòng)。 4、細(xì)長(zhǎng)軸軸向尺寸較長(zhǎng)，加工時(shí)一次給所需時(shí)間長(zhǎng)。刀具磨損大，從而影響零件的幾何形狀精度。 二、分析細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工時(shí)受力變形的主要原因 在車(chē)床上車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸采用的傳統(tǒng)裝夾方式主要有兩種：一種方式是細(xì)長(zhǎng)軸的一端用卡盤(pán)夾緊，另一端用車(chē)床尾架頂尖支承(一夾一頂)；另一種方式是細(xì)長(zhǎng)軸的兩端均由頂尖支撐(雙頂尖)。通過(guò)分析研究，車(chē)削引起細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的原因主要有： 1、切削力導(dǎo)致變形 在車(chē)削過(guò)程中，產(chǎn)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(duì)車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)產(chǎn)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(guò)細(xì)長(zhǎng)軸軸線(xiàn)水平平面內(nèi)的，由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性較差，徑向力將會(huì)把細(xì)長(zhǎng)軸頂彎，使其在水平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形.徑向切削力對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的影響(見(jiàn)圖1)。 圖 1 一夾一頂裝夾方式及力學(xué)模型 （2）軸向切削力Px的影響 軸向切削力是平行作用在細(xì)長(zhǎng)軸軸線(xiàn)方向上的，它對(duì)工件形成一個(gè)彎矩。對(duì)于一般的車(chē)削加工，軸向切削力對(duì)工件彎曲變形的影響并不大，可以忽略。但是由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性較差，其穩(wěn)定性也較差，當(dāng)軸向切削力超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，將會(huì)把細(xì)長(zhǎng)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(xué)模型 2、切削熱產(chǎn)生的影響 車(chē)削加工產(chǎn)生的切削熱，會(huì)引起工件熱伸長(zhǎng)。由于在車(chē)削過(guò)程中，卡盤(pán)和尾架頂尖都是固定不動(dòng)的，因此兩者之間的距離也是固定不變的。這樣細(xì)長(zhǎng)軸受熱后的軸向伸長(zhǎng)量受到限制，導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸受到軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形。 因此可以看出，提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上就是控制工藝系統(tǒng)的受力及受熱變形的問(wèn)題。 三、提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的措施 1、機(jī)床的調(diào)整 細(xì)長(zhǎng)軸的加工過(guò)程需要使用床身導(dǎo)軌的全部或大部分，因此機(jī)床本身的精度對(duì)加工效率、質(zhì)量有著相當(dāng)重要的影響。由于機(jī)床導(dǎo)軌面磨損程度不同，因此首先要對(duì)機(jī)床做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。使主軸中心和尾座頂尖中心線(xiàn)與導(dǎo)軌全長(zhǎng)平行。 2、棒料的校直 對(duì)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(zhǔn)確，容易保證工件軸度要求。但該方法車(chē)削剛性較差，要求頂緊力適當(dāng)，否則彎曲變形大，而且極易產(chǎn)生振動(dòng)。只適宜于長(zhǎng)度與直徑比不很大，加工余量小，需要多次以?xún)身敿饪锥ㄎ粊?lái)保證同軸度要求的工件加工。 （2）一端用卡盤(pán)夾緊，另一端用頂尖頂緊頂尖頂?shù)锰o，工件切削時(shí)變熱伸長(zhǎng)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(huì)形成裝夾的過(guò)定位而使工件彎曲。此時(shí)．可在三爪卡盤(pán)與工件問(wèn)墊入—個(gè)開(kāi)口鋼絲圈，使工件與卡爪成線(xiàn)接觸，使細(xì)長(zhǎng)軸在自由狀態(tài)下定位夾緊，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。此外，后頂尖還可以采用彈性活頂尖，使工件變熱伸長(zhǎng)時(shí)不變阻，以減少?gòu)澢冃? （3）一夾一拉裝夾細(xì)長(zhǎng)軸在車(chē)削過(guò)程中工件始終受到軸向拉力，因切削熱而產(chǎn)生的軸向伸長(zhǎng)量，可用后尾座手輪進(jìn)行調(diào)整，這是加工細(xì)長(zhǎng)軸比較理想的一種裝夾方法 4、增加細(xì)長(zhǎng)軸的剛性，減小車(chē)削時(shí)的振動(dòng)，使用中心架和跟刀架來(lái)解決 使用跟刀架或中心架的加工特點(diǎn)： 車(chē)細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)由于使用跟刀架，若支承工件的兩個(gè)支承塊對(duì)零件壓力不適當(dāng)，會(huì)影響加工精度。若壓力過(guò)小或不接觸，就不起作用，不能提高零件的剛度：若壓力過(guò)大，零件被壓向車(chē)刀，切削深度增加，車(chē)出的直徑就小，當(dāng)跟刀架繼續(xù)移動(dòng)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(kāi)，切削深度減小，車(chē)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(chē)刀，使車(chē)出的直徑變小，這樣連續(xù)有規(guī)律的變化，就會(huì)把細(xì)長(zhǎng)的工件車(chē)成“竹節(jié)”形。造成機(jī)床、工件、刀具工藝系統(tǒng)的剛性不良給切削加工帶來(lái)困難，不易獲得良好的表面粗糙度和幾何精度。 （1）當(dāng)工件可分段車(chē)削時(shí)，中心架直接支承在工件中間。采用這種支承，長(zhǎng)度與直徑之比可以減少一半，相當(dāng)于減少了軸與支承跨距，細(xì)長(zhǎng)軸的剛度可以增加幾倍，能有效防止軸加工時(shí)的繞曲變形(見(jiàn)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(gè)或三個(gè)支承爪，跟刀架可以跟隨車(chē)刀移動(dòng)，抵消徑向切削時(shí)可以增加工件的剛度，減少變形。從而提高細(xì)長(zhǎng)軸的形狀精度和減小表面粗糙度。跟刀架是加工細(xì)長(zhǎng)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(pán)、尾座頂尖處于同一中心上（如圖3-2）。必要時(shí)可將圓柱鉸刀或圓柱銑刀支持在三爪卡盤(pán)上，對(duì)跟刀架支撐頭進(jìn)行修正。加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)最好采用三支柱的跟刀架，支柱的材料為普通鑄鐵，因?yàn)檫@種材料的磨損較小能保證加工精度，而且不會(huì)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(guò)緊或過(guò)松。過(guò)緊，工件隨著走刀，會(huì)產(chǎn)生竹節(jié)形誤差，表面粗糙度加大；過(guò)松，工件容易跳動(dòng)產(chǎn)生橢圓形、三菱形、竹節(jié)形等誤差，表面粗糙度也會(huì)增大。 圖3-2 跟刀架 5、減小熱變形伸長(zhǎng)影響 車(chē)削時(shí)，因切削熱傳導(dǎo)給工件，使工件溫度升高，工件就開(kāi)始變形伸長(zhǎng)，其熱變形伸長(zhǎng)量為 式中： 1為材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)； Ｌ為工件總長(zhǎng)； t為工件升高的溫度。 如前所述，車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，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(zhǎng)了ｄＬ，工件就受擠壓彎曲，一旦產(chǎn)生彎曲后，細(xì)長(zhǎng)軸就很難進(jìn)行加工，因此，加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，需采取措施以減小熱變形的影響： （1）使用彈性回轉(zhuǎn)頂尖來(lái)補(bǔ)償熱變形伸長(zhǎng)實(shí)踐證明，用彈性回轉(zhuǎn)頂尖加工細(xì)長(zhǎng)軸，可有效的補(bǔ)償工件的熱變形伸長(zhǎng)，工件不易彎曲，車(chē)削可順利進(jìn)行。 （2）采用反向進(jìn)給車(chē)削反向進(jìn)給是指刀具從床頭到床尾方向作切削運(yùn)動(dòng)。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(xì)長(zhǎng)軸工件的彎曲。若反向進(jìn)給，其軸向分力只對(duì)工件產(chǎn)生的拉力，使工件已加工部分軸向拉伸，與工件變熱伸長(zhǎng)方向一致，共同向彈性頂尖壓縮。為取得最佳效果，反向進(jìn)給和彈性頂尖一般配合使用。 （3）加注充分的切削液車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)．無(wú)論是低速切削還是高速切削，使用切削液進(jìn)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(yīng)經(jīng)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(dāng)?shù)能?chē)削方法 （1）一夾一頂上中心架，或兩頂尖上中心架，正裝車(chē)刀車(chē)削，適用于允許調(diào)頭接刀車(chē)削的工件。 （2）一夾一頂上跟刀架，正裝車(chē)刀車(chē)削，適用于不允許調(diào)頭接刀車(chē)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(pán)央緊面用開(kāi)口鋼絲圈，上跟刀架，反向進(jìn)給，適用于精車(chē)長(zhǎng)徑比大于５０倍的軸（見(jiàn)圖3-3）。 圖3-3 （4）雙刀切削法。采用雙刀車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸改裝車(chē)床中溜板，增加后刀架，采用前后兩把車(chē)刀同時(shí)進(jìn)行車(chē)削。兩把車(chē)刀，徑向相對(duì)，前車(chē)刀正裝，后車(chē)刀反裝。兩把車(chē)刀車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的徑向切削力相互抵消。工件受力變形和振動(dòng)小，加工精度高，適用于批量生產(chǎn)（見(jiàn)圖3-4）。 圖3-4 雙刀車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸 （5） 雙頂尖法裝夾法。采用雙頂尖裝夾，工件定位準(zhǔn)確，容易保證同軸度。但用該方法裝夾細(xì)長(zhǎng)軸，其剛性較差，細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形較大，而且容易產(chǎn)生振動(dòng).因此只適宜于長(zhǎng)徑比不大、加工余量較小、同軸度要求較高、多臺(tái)階軸類(lèi)零件的加工。 （6）采用反向切削法車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸。反向切削法是指在細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削過(guò)程中，車(chē)刀由主軸卡盤(pán)開(kāi)始向尾架方向進(jìn)給。在加工過(guò)程中產(chǎn)生的軸向切削力使細(xì)長(zhǎng)軸受拉，消除了軸向切削力引起的彎曲變形。同時(shí)，采用彈性的尾架頂尖，可以有效地補(bǔ)償?shù)毒咧廖布芤欢蔚墓ぜ氖軌鹤冃魏蜔嵘扉L(zhǎng)量，避免工件的壓彎變形 7、適當(dāng)?shù)目刂魄邢饔昧?。加工時(shí)，冷卻液的澆淋要充分。 切削用量選擇的是否合理，對(duì)切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力的大小、切削熱的多少是不同的。因此對(duì)車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)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(chē)削時(shí)產(chǎn)生的切削力、切削熱隨之增大，引起細(xì)長(zhǎng)軸的受力、受熱變形也增大。因此在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，應(yīng)盡量減少切削深度 （2）進(jìn)給量(f) 進(jìn)給量增大會(huì)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(xì)長(zhǎng)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(lái)看，增大進(jìn)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?yàn)椋S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(xì)長(zhǎng)軸的受力變形減小。但切削速度過(guò)高容易使細(xì)長(zhǎng)軸在離心力作用下出現(xiàn)彎曲，破壞切削過(guò)程的平穩(wěn)性，所以切削速度應(yīng)控制在一定范圍。對(duì)長(zhǎng)徑比較大的工件，切削速度要適當(dāng)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(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生的彎曲變形，要求車(chē)削時(shí)產(chǎn)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(duì)切削力的影響最大。細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)刀必須保證如下要求：切削力小，減少?gòu)较蚍至?，切削溫度低，刀刃鋒利，排屑流暢，刀具壽命長(zhǎng)。從車(chē)削鋼料時(shí)得知：：當(dāng)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(fù)值時(shí)，徑向分力Fr也有所減少（見(jiàn)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(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削中，在保證車(chē)刀有足夠強(qiáng)度前提下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γ0=150 。車(chē)刀前刀面應(yīng)磨有斷屑槽，屑槽寬B=3.5～4mm，配磨 br1=0.1～0.15mm，γ01=-25的負(fù)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(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形和振動(dòng)。 （2）主偏角(kr) 車(chē)刀主偏角Kr是影響徑向力的主要因素，其大小影響著3個(gè)切削分力的大小和比例關(guān)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(qiáng)度的情況下應(yīng)盡量增大主偏角。主偏角Kr=90（裝刀時(shí)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?gòu)较蚍至Α? （3）刃傾角(λs)傾角影響著車(chē)削過(guò)程中切屑的流向、刀尖的強(qiáng)度及3個(gè)切削分力的比例關(guān)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(nèi)，3個(gè)切削分力的比例關(guān)系比較合理。在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，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(guò)上述措施，車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，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(dāng)?shù)睦鋮s潤(rùn)滑，就可以保證細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度，避免返修，報(bào)廢情況的發(fā)生，提高工作效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。 四、參考文獻(xiàn) [1] 陳日曜.金屬切削原理（第二版）[Ｍ]北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1995. 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