濟(jì)南特瑞數(shù)控刀具有限公司
引言
細(xì)長(zhǎng)桿件在各類(lèi)機(jī)械中應(yīng)用甚廣，此類(lèi)零件雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但加工難度卻相當(dāng)大，一直被認(rèn)為是機(jī)械加工中的難題。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和普及應(yīng)用，利用數(shù)控車(chē)床加工軸類(lèi)零件無(wú)疑已成為最佳選擇。實(shí)踐表明，與普通車(chē)床相比，數(shù)控車(chē)床具有主軸旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定、刀架穩(wěn)定、進(jìn)給速度平穩(wěn)、錐度可調(diào)、軌道精度高、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)控車(chē)床卻大多受空間限制，無(wú)法安放中心架等附件，不便于加工超出行程范圍的細(xì)長(zhǎng)桿件。因而在很多情況下，大部分細(xì)長(zhǎng)桿件的加工還必須依賴于普通車(chē)床。所以，要想順利加工出高質(zhì)量的細(xì)長(zhǎng)桿件，必須要在加工工藝上進(jìn)行規(guī)范和突破。
１ 細(xì)長(zhǎng)桿件車(chē)削加工的特點(diǎn)
細(xì)長(zhǎng)桿件在高速車(chē)削過(guò)程中，因其剛性較差，又同時(shí)受到夾緊力、切削力、重力、慣性力和切削熱的綜合作用，極易導(dǎo)致彎曲變形，造成零件與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)失準(zhǔn)，致使細(xì)長(zhǎng)桿件在加工后出現(xiàn)波紋、錐度、多棱、竹節(jié)、圓柱度差和彎曲等加工缺陷；同時(shí)，細(xì)長(zhǎng)桿件的彎曲變形還會(huì)引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)，進(jìn)而降低零件的加工精度和粗糙度。
１.１ 受力變形
細(xì)長(zhǎng)桿車(chē)削受力分析如圖１所示。加工過(guò)程中，細(xì)長(zhǎng)桿件所受的外力主要有切削力（軸向切削力Ｐｘ、徑向切削力Ｐｙ及切向切削力Ｐｚ）、自身重力Ｇ、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、軸向頂力Ｆｘ，這些力共同作用，導(dǎo)致桿件產(chǎn)生彎曲變形。桿件變形的最直接后果是產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響工件的圓柱度和表面粗糙度。一般來(lái)講，工件彎曲越大，車(chē)削時(shí)振動(dòng)越大，表面質(zhì)量精度也就越難保證。
１.２ 受熱變形
細(xì)長(zhǎng)桿件在車(chē)削時(shí)熱擴(kuò)散性差、線膨脹性大，由于車(chē)床主軸卡盤(pán)和尾架頂尖之間的距離固定不變，當(dāng)工件的熱伸長(zhǎng)達(dá)到一定值時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。細(xì)長(zhǎng)桿件熱變形伸長(zhǎng)量ΔＬ（ｍｍ）的計(jì)算公式為：
ΔＬ＝αＬΔｔ。
其中：α 為桿件材料熱膨脹系數(shù)，１／℃；Ｌ 為桿件的總長(zhǎng)，ｍｍ；Δｔ為桿件升高的溫度，℃。
由此可見(jiàn)，工藝系統(tǒng)的熱變形和受力變形是影響細(xì)長(zhǎng)桿件加工精度的兩大主要因素，完全可以通過(guò)調(diào)整機(jī)床、應(yīng)用加工輔具、選用合適刀具、控制切削用量等對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)救
２.防止和減小細(xì)長(zhǎng)桿件加工變形的工藝措施
２.１ 桿件加工前的校正
細(xì)長(zhǎng)桿件的毛坯一般為鍛造或拉伸件，在制造、儲(chǔ)運(yùn)、下料、裝夾等過(guò)程中都會(huì)有各種應(yīng)力和變形產(chǎn)生，尤其是彎曲，很容易對(duì)車(chē)削質(zhì)量造成影響。所以，細(xì)長(zhǎng)桿件在加工前都需要進(jìn)行校正，亦稱找正。找正的目的主要是校直，以防因加工余量不均勻而車(chē)不圓，或因彎曲離心力大而增加桿的彎曲度，造成無(wú)法車(chē)削。校正的標(biāo)準(zhǔn)是：粗車(chē)時(shí)應(yīng)保證工件加工余量基本一致；半精車(chē)和精車(chē)時(shí)應(yīng)保證待加工表面與已加工表面相對(duì)位置符合要求。
細(xì)長(zhǎng)桿件的校直一般選擇在車(chē)床上直接進(jìn)行，此法比較方便、快捷。校直方法有如下３種：
（１）凸點(diǎn)直擊法。此法適用于細(xì)而長(zhǎng)的桿件。低速旋轉(zhuǎn)工件，用粉筆標(biāo)記凸點(diǎn)。將一凹形鐵塊（或橡膠塊）墊靠于工件凸點(diǎn)的背面，用手錘擊打桿件凸點(diǎn)，使其伸直。多次反復(fù)，輔以旋轉(zhuǎn)查看，可使工件校直。
（２）凹面延展法。此法適用于桿徑相對(duì)較大、桿長(zhǎng)較長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)桿。在桿件兩端鉆中心孔，以主軸頂尖和車(chē)床尾座頂尖共同支承。手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)工件，用粉筆標(biāo)記凸點(diǎn)。將長(zhǎng)木塊或鐵塊橫墊于車(chē)床導(dǎo)軌上，在桿件彎曲凸點(diǎn)處架以Ｖ 型或凹弧型螺紋千斤頂，稍過(guò)支承。手錘反復(fù)擊打桿件的凹面，使凹面材料延展，從而校直桿件。
（３）拖板擠壓法。此法適用于桿長(zhǎng)較短的細(xì)長(zhǎng)。開(kāi)動(dòng)車(chē)床使工件旋轉(zhuǎn)，用一根長(zhǎng)約300mm的木搭在中拖板和方刀臺(tái)上，搖動(dòng)中拖板，使木棍壓向工彎曲部分。繼續(xù)移動(dòng)中拖板，跟緊尾座頂尖，以防工脫出，待工件繼續(xù)旋轉(zhuǎn)幾秒鐘，再將中拖板慢慢退，并適當(dāng)松退尾座頂尖。反復(fù)多次，可使桿件校直。
２．２ 桿件裝夾方式選擇
２．２．１ 采用雙頂尖軸向裝夾
在車(chē)床上車(chē)削細(xì)長(zhǎng)桿，裝夾方式通常有兩種：一是“一夾一頂”，以卡盤(pán)夾住細(xì)長(zhǎng)桿的左端，用尾架頂尖頂住桿件的右端；二是“雙尖對(duì)頂”，細(xì)長(zhǎng)桿件的兩端都以頂尖來(lái)支承。一夾一頂裝夾方式的主要弊端是：①頂尖頂?shù)锰o，細(xì)長(zhǎng)桿容易受軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形；②機(jī)床卡爪夾緊時(shí)容易形成過(guò)定位，造成卡盤(pán)與頂尖不同軸。所以，在只能選擇一夾一頂?shù)那闆r下，可在細(xì)長(zhǎng)桿件的左端套上一個(gè)開(kāi)口鋼圈（寬度以10mm左右為宜），旨在縮減桿件與卡爪的軸向接觸長(zhǎng)度，避免產(chǎn)生過(guò)定位。
條件允許的情況下，可以優(yōu)先選擇雙尖對(duì)頂裝夾，以保證同軸度。但此裝夾存在剛性差、變形大、振動(dòng)大的弊端，所以更適用于長(zhǎng)徑比不太大、加工余量比較小，且同軸度要求比較高的桿件（精加時(shí)優(yōu)先選擇此法）。
２.２.２ 采用跟刀架和中心架
使用跟刀架和中心架的目的是保證細(xì)長(zhǎng)桿件的形狀精度，同時(shí)減小表面粗糙度。其基本原理是通過(guò)在細(xì)長(zhǎng)桿中間增加支撐來(lái)提高其剛度，以防徑向切削力對(duì)細(xì)長(zhǎng)桿的加工產(chǎn)生影響。跟刀架的支承塊最好選用耐磨鑄鐵或鑄鋼，每車(chē)一刀之前，都應(yīng)研磨一次支承塊，以保證支承面與工件表面完全吻合；其位置應(yīng)當(dāng)保持支承爪離車(chē)刀３ｍｍ～４ｍｍ，如果過(guò)遠(yuǎn)，容易在車(chē)削過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)。
如果要使用中心架，可事先在工件上車(chē)出承搭中心架的溝槽。如果細(xì)長(zhǎng)桿的長(zhǎng)徑比過(guò)大，溝槽不易車(chē)削，則可在細(xì)長(zhǎng)桿上安裝一個(gè)過(guò)渡套筒，使卡爪只跟過(guò)渡套筒的外表面接觸，而不直接接觸毛坯軸。過(guò)渡套筒的四周均勻分布３個(gè)或４個(gè)螺釘，調(diào)整螺釘?shù)膹较蚓嚯x，可以適度夾緊毛坯桿件，并使套筒外圓軸線與主軸軸線一致，從而保證車(chē)削精度。
２．２．３ 采用軸向拉夾法減小壓應(yīng)力
中心架和跟刀架的使用可以增加桿件剛度，減小徑向切削力對(duì)加工的危害。但軸向切削力壓彎桿件（尤其是長(zhǎng)徑比較大桿件）的問(wèn)題卻并未得到解決。所以，實(shí)際生產(chǎn)中常用軸向拉夾的方法來(lái)消除桿件中的壓應(yīng)力。一般由卡盤(pán)夾緊細(xì)長(zhǎng)桿件的左端，而用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的夾拉頭夾緊其右端，夾拉頭與卡盤(pán)反向施力，以保證細(xì)長(zhǎng)桿在車(chē)削過(guò)程中始終只受到軸向拉力，而不會(huì)被車(chē)刀的軸向切削力壓彎；而且，軸向拉力還能對(duì)因切削熱而導(dǎo)致的軸向伸長(zhǎng)進(jìn)行適度補(bǔ)償，從而提高桿件的剛性與加工精度。
２.３刀具及幾何參數(shù)的科學(xué)選擇
切削力的大小主要由車(chē)刀的前角、主偏角和刃傾角來(lái)決定，所以這些參數(shù)需要科學(xué)選擇。前角的大小與切削力、切削溫度和切削功率密切相關(guān)。前角增大，切削力減小，所以，只要不影響車(chē)刀的強(qiáng)度，應(yīng)該盡量增大刀具的前角。為使切屑能及時(shí)彎曲折斷、排出，同時(shí)保持前刀面的光潔與主刀刃的鋒利，刀具的前刀面宜磨出相應(yīng)的斷屑槽。
切削力可以分解為軸向切削力Ｐｘ、徑向切削力Pｙ以及切向切削力Ｐｚ，主偏角的大小則與這３個(gè)力的大小及相互比例密切相關(guān)。主偏角增大，徑向切削力Ｐｙ顯著減小，而切向切削力Ｐｚ則略有增大。通常情況下，為使３個(gè)切削分力的比例關(guān)系相對(duì)合理，主偏角的取值宜在６０°～７５°范圍內(nèi)。
刃傾角的大小決定著切屑的流向、刀尖的強(qiáng)度，同時(shí)也影響著３個(gè)切削分力之間的比例關(guān)系。刃傾角增大，徑向切削力急劇減小，但對(duì)軸向切削力和切向切削力的影響并不大，只是略有增大。通常，刃傾角為－１０°～＋１０°，可使３個(gè)切削分力的比例關(guān)系相對(duì)合理。車(chē)削細(xì)長(zhǎng)桿件的刀具幾何參數(shù)見(jiàn)表１。
２.４ 合理選擇切削用量
切削用量主要包括切削深度、進(jìn)給量、切削速度，其大小不僅影響加工效率，更會(huì)對(duì)切削力、切削熱產(chǎn)生重大影響。因此，細(xì)長(zhǎng)桿件車(chē)削中的切削用量選擇非常重要。
要保持工藝系統(tǒng)的剛度不變，切削深度與切削力、切削熱成正比。因此，要想減少力變形和熱變形，在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)桿件時(shí)應(yīng)該選擇較小的切削深度。
進(jìn)給量與切削厚度成正比。進(jìn)給量增大，切削力雖然也會(huì)跟著增大，但并不明顯，所以，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更有利。
切削速度與切削力成反比。提高切削速度，切削溫度隨之升高，刀具與工件之間的摩擦力則減小，細(xì)長(zhǎng)桿的受力變形變小。但是，如果切削速度過(guò)高，又常會(huì)使細(xì)長(zhǎng)桿因離心力而出現(xiàn)彎曲，，影響切削過(guò)程的平穩(wěn)。因此，切削速度需要控制在適度范圍內(nèi)。桿件的長(zhǎng)徑比越大，切削速度越需適當(dāng)降低。粗車(chē)細(xì)長(zhǎng)桿件的切削用量參考值見(jiàn)表２。
２.５ 合理選擇切削液
切削液在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)桿件過(guò)程中的主要作用是冷卻和潤(rùn)滑，因此，選擇切削液應(yīng)盡可能做到兩者兼顧。一般宜選用流量足的冷卻液潤(rùn)滑，既冷卻工件和跟刀架支承爪，又潤(rùn)滑支承面，減少工件表面的摩擦，從而保證加工精度。細(xì)長(zhǎng)桿在粗車(chē)時(shí)的加工余量比較大，選用的切削深度和進(jìn)給量必然也較大，由此會(huì)加大切削阻力，并進(jìn)一步產(chǎn)生較多的切削熱，刀具因此加劇磨損，所以，精車(chē)應(yīng)當(dāng)首先考慮冷卻因素，適宜選擇具有一定清洗、潤(rùn)滑及防銹功能的水基切削液，及時(shí)地將切削熱帶走，以降低工件的切削溫度，從而提高刀具耐用度。精車(chē)細(xì)長(zhǎng)桿時(shí)，切削余量相對(duì)較小，切削深度小，進(jìn)給量小，切削力也小，桿件溫度不高，以采用高濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)１０％以上）的乳化液和含油性添加劑的切削液為宜。
３. 細(xì)長(zhǎng)桿加工中幾種常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題分析
由于細(xì)長(zhǎng)桿類(lèi)零件結(jié)構(gòu)特殊，裝夾困難，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差，因此在車(chē)削中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的質(zhì)量問(wèn)題。全面分析這些質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因、危害，研究制定相應(yīng)的預(yù)防措施和對(duì)策，可以有效提高桿件的加工質(zhì)量。表３為細(xì)長(zhǎng)桿件加工缺陷的原因分析及預(yù)防措施。
４ 結(jié)語(yǔ)
細(xì)長(zhǎng)桿類(lèi)零件的車(chē)削加工雖然難度較大，但它也有一定的規(guī)律性，只要我們能夠抓住裝夾方式選擇、中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長(zhǎng)以及合理選擇車(chē)刀幾何形狀等關(guān)鍵技術(shù)，所有問(wèn)題便都能迎刃而解。
濟(jì)南特瑞數(shù)控刀具有限公司
2014-04-27
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