車削加工細長軸的研究

摘要：細長軸的車削加工是機械加工中比較常見的一種加工方式。由于細長軸剛性差，車削時產生的受力、受熱變形較大，很難保證細長軸的加工質量要求。通過采用合適的裝夾方式和先進的加工方法，選擇合理的刀具角度和切削用量等措施，可以保證細長軸的加工質量要求。
　　在糧油機械的加工過程中，有很多零件的長徑比l/d>20。
　　例如：高方平篩的主轉動軸、蝶片滾筒精選機的蝶片轉動軸等。通常把這類零件稱之為細長軸。這類零件一般在車床上進行加工。在車削過程中，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，這樣就破壞了刀具和零件相對運動的準確性，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。
　　1 引起細長軸產生彎曲變形的因素
　　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PY及切向切削力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。
　　徑向切削力PY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.
　　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值時，將會把細長軸壓彎而發(fā)生縱向彎曲變形。
　　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。
　　2 提高細長軸加工精度的措施
　　在細長軸加工過程中，為提高其加工精度，要根據不同的生產條件，采取不同的措施，以提高細長軸的加工精度。
　　1) 選擇合適的裝夾方法
　　在車床上車削細長軸采用的兩種傳統(tǒng)裝夾方式中，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.因此只適宜于安裝長徑比不大、加工余量較小、同軸度要求較高的工件。
　　加工細長軸通常采用一夾一頂的裝夾方式。但是在該裝夾方式中，如果頂尖頂得太緊，除了可能將細長軸頂彎外，還能阻礙車削時細長軸的受熱伸長，導致細長軸受到軸向擠壓而產生彎曲變形。另外卡爪夾緊面與頂尖孔可能不同軸，裝夾后會產生過定位，也能導致細長軸產生彎曲變形.因此采用一夾一頂裝夾方式時，頂尖應采用彈性活頂尖，使細長軸受熱后可以自由伸長，減少其受熱彎曲變形;同時可在卡爪與細長軸之間墊入一個開口鋼絲圈，以減少卡爪與細長軸的軸向接觸長度，消除安裝時的過定位，減少彎曲變形。
　　2) 直接減少細長軸受力變形
　    采用跟刀架和中心架
　　采用一夾一頂的裝夾方式車削細長軸，為了減少徑向切削力對細長軸彎曲變形的影響，傳統(tǒng)上采用跟刀架和中心架，相當于在細長軸上增加了一個支撐，增加了細長軸的剛度，可有效地減少徑向切削力對細長軸的影響。
　　采用軸向拉夾法車削細長軸
　　采用跟刀架和中心架，雖然能夠增加工件的剛度，基本消除徑向切削力對工件的影響。但還不能解決軸向切削力把工件壓彎的問題，特別是對于長徑比較大的細長軸，這種彎曲變形更為明顯。因此可以采用軸向拉夾法車削細長軸。軸向夾拉車削是指在車削細長軸過程中，細長軸的一端由卡盤夾緊，另一端由專門設計的夾拉頭夾緊，夾拉頭給細長軸施加軸向拉力.
　　在車削過程中，細長軸始終受到軸向拉力，解決了軸向切削力把細長軸壓彎的問題。同時在軸向拉力的作用下，會使細長軸由于徑向切削力引起的彎曲變形程度減小;補償了因切削熱而產生的軸向伸長量，提高了細長軸的剛性和加工精度。
　　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.
　　這樣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，可以有效地補償刀具至尾架一段的工件的受壓變形和熱伸長量，避免工件的壓彎變形。
　　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。
　　采用磁力切削法車削細長軸
　　磁力切削法的原理與反向切削法原理基本相同。在車削過程中，細長軸由于受到磁力拉伸的作用，可以減少細長軸加工時的彎曲變形，提高細長軸加工精度。
　　3) 合理地控制切削用量
　　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。
　　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。
　　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。
　　隨著數控技術的不斷創(chuàng)新和突破，五軸加工被越來越多的行業(yè)所采用，如航空航天、電力、船舶、高精密儀器、模具制造等。然而，自動編程軟件在五軸加工技術中起關鍵性作用，因為刀具軌跡的工藝排布、刀具夾頭與工件或與工裝夾具之間的干涉檢查、毛坯殘留量的識別，都由軟件自動考慮，編程人員是無法通過計算來實現的，他們只是根據經驗進行切削參數的優(yōu)化，來得到更合理更有效的加工軌跡。
　　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。
　　4) 選擇合理的刀具角度
　　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。
　　前角(γ) 其大小直接著影響切削力、切削溫度和切削功率.增大前角，可以使被切削金屬層的塑性變形程度減小，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γ=15°。
　　主偏角(kr) 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，切向切削力在60°～90°時卻有所增大。在60°～75°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，一般采用大于60°的主偏角。
　　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。
　　3 結論
　　細長軸的車削加工是機械加工中比較常見的一種加工方式。由于細長軸剛性差，車削時產生的受力、受熱變形較大，很難保證細長軸的加工質量要求。通過采用合適的裝夾方式和先進的加工方法，選擇合理的刀具角度和切削用量等措施，可以保證細長軸的加工質量要求。