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切向车削--加工径向轴密封座轴表面的新工艺 |
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作者：Johnnes Schneider |
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对充当径向轴密封环座的轴表面加工，其工艺要求一向很高，以往常采用切入式磨削工艺加工这种轴表面。本文介绍一种加工这种轴表面的创新性工艺方法——切向车削，它可以获得极高的表面质量，与硬车削结合，还可减少此种轴类工件的生产环节和降低制造成本。
1. 简介
用于驱动技术的工件和轴上密封元件的支承面必须不能有任何的方向扭曲，因为泵吸效应会导致径向轴密封环和工件表面系统之间产生泄漏。这种轴表面的典型要求是：粗糙度值Rz=1-5μm；Ra=0.2-0.8μm；Rmax=6.3μm 以及表面无扭曲和表面完好无划痕和凹槽。轴表面通常要经硬化处理到HRC 55 或更高硬度来保证足够高的耐磨性能。经过精加工的轴直径必须达到H11的公差精度，圆度公差不能超过IT8级。
图1：切向车削示意图
轴表面的常规加工方式是采用切入式磨削，这是一项有多年成熟经验的工艺。实际上，这种工艺产生的表面结构取决于砂轮的修整状态、无火花磨削时间和规定的维修，以及加工过程中恒定的工艺参数等。这表明只采用切入式磨削这种制造方法并不能总保证表面结构不产生扭曲。
而且，磨削轴表面还有一些不利之处，例如增加了额外的投资成本和需要对冷却剂润滑剂进行处理等。
与上述工艺相比，新开发的切向车削工艺方法提供了一种非常经济的替代性的制造方法，并具有明显的优势。
1 轴 1a 已加工表面 2 刀夹 2a 切削刃 3 沿Y轴方向进给
α倾斜角
图2：切向车削——运动学原理
2. 切向车削的工艺过程
不同于磨削，这是一种使用具有规定几何形状切削刃的工艺。其特点在于切削刃相对于进给方向设定了一个倾斜角α。切削刃被固定在车床转塔中的刀夹上。刀夹被调整到具有一切削深度ap，并在y轴方向上沿切线在工件上横向走刀。刀具接触点在整个切削刃宽度上连续移动。在每次切削过程中，这可以使加工载荷分布到整个切削刃宽度。
和常规的车削相比较，常规车削的切削刃在切削时保持在同一区域，而切向车削涉及到的特殊的运动形式减少了刀具磨损，使刀具寿命显著提高。这项工艺的特殊运动形式同时产生了一个几乎无扭曲的表面，而没有车削工艺通常产生的“螺旋形结构”。本工艺的其余特性也满足了前述的轴表面的要求，例如可以测量的表面质量Ra 和 Rz 以及直径公差。
切向车削刀具安装了一个CBN（立方氮化硼）刀片。CBN刀具材料本身具有极高的硬度，良好的高温强度和优异的抗磨损能力，并具有很好的韧性，通常在连续性和间断性切削中被用作通过规定切削刃加工硬金属的切削材料。切削刃必须被加工到很高精度和达到极高质量，并被倒圆到μm范围内和进行抛光处理。这些要求对于保证轴的加工表面得到最高的表面质量是非常必要的。
图3和图4显示的是两个加工后的轴表面（已淬硬）的形貌和轮廓切削在轴向的三维视图。图3中的轴表面由切向车削工艺完成，图3中的轴表面由常规的切入式磨削工艺完成。
图3：由切向车削完成的轴表面加工
图4：由切入式磨削完成的轴表面加工
对比显示出由切向车削产生的可以测量的粗糙度和表面结构至少相当于切入式磨削的水平(切入式磨削Rz=2.10μm，切向车削Rz=1.94 μm)，而其结构的均匀性要显著优于切入式磨削的常规加工表面。
由切向车削加工的轴表面的系统密封包括径向密封环和反转表面，已经由研究机构Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik e.V. [机床及加工技术协会] 在 FWF 0172 "硬加工轴密封表面的制造和评估"的研究和另一项 (FWF 0172/1) 超过1000小时的运行时间的长期研究中得到了证实。
除了在实验室中对特定试验物进行密封试验外，在现场也对实际的工件进行了试验。“轴表面—径向密封环”系统也在这些试验中证明了其密封性。这表明“切向车削”工艺是加工径向轴密封环座的合格制造工艺。这项工艺也从此在一系列的生产过程中得到应用。
3. 切向车削的实际应用
切向车削与常规的制造方法相比较，在加工经淬硬处理的轴表面时显著增加了经济性和生产率。在淬硬的轴上采用切向车削加工径向轴密封环座时可以很理想地结合常规的硬加工工艺，例如用硬车削加工轴承座，轴配合，端面和轴上的沉割槽。淬硬的轴也因此可以完全在车床上加工而不用转换到另一单独的磨床上去加工径向轴密封环座。这使得工艺环节显著缩短。由于取消了磨床的需求，从而极大地减少了生产线的投资成本。工件在不同机床之间的处置和运输成本也被减少，因此减少了总产出时间（生产周期）和制造时间，单位制造成本被最小化。
要成功实现切向车削工艺并和硬加工工艺相结合，需要使用一台适当的车床。这种机床要具有高度的刚性和优异的减震性。机床要具有很高的刀具轨迹精度和插补精度，以及很低的定位不确定度且位置变动范围Ps<1μm，才能保证其良好的几何精度。主轴和尾座顶尖必须保持很高的同轴度。机床必须在诸如加工时间延长、生产过程中断和环境温度变化等情况的生产条件下达到高精度。产生热量的切屑必须快速从机床上清除，如果零件需要达到很高精度，则机床必须采取适当的设计来防止机床内部由于切屑的累积造成的局部过热。由外界产生的振动影响必须降至最小，其负面影响必须通过振动的机器零部件来抵消。比如这也是为什么，电主轴比传统的带减速齿轮的电动机更适合作为驱动装置的原因（消除了齿轮和传动皮带产生的振动）。同时夹紧装置或工件夹紧过程产生的误差也必须降至最小，要防止或尽可能减小工件的不平衡。
在一台机床上用于一件零件的硬加工工艺和切向车削工艺的实际情况如下：
第一步对轴承座和端面进行传统的硬加工工艺。轴的这些部分可以按照图纸规定的要求加工完成。工件上的公差等级可以达到IT 5级。同时，在硬加工工艺阶段采用相对高的进给量对随后的径向轴密封环座的轴部分进行预加工。根据工件的稳定性和夹紧情况，在“预车削”过程中选择的切削深度使工件尺寸留有0.10到0.20mm的余量。在随后的切向车削过程中，表面在以vc=150-250m/min的切削速度和y轴方向的进给量达到fy=0.30mm的条件下加工而不产生扭曲。径向轴密封环座最大可以加工的宽度目前约为30 mm ，由切削刃的宽度和其倾斜角α来确定。这一加工宽度对于标准的径向轴密封环座已经足够了。切向车削能够达到的表面质量在Ra=0.2-0.6μm 和Rz=1-3μm的范围内。 可以毫无问题地达到H11的标准的直径公差要求，在一些情况下，可以达到H7 的公差级别。
图 5 表示的是一根驱动轴在数控车床上完成硬加工工艺（所有直径，部分处于断续切削状态）后，在加工轴密封座时采用切向车削工艺的实际应用情况。
图5：在一根轴上进行切向车削
4. 结论
采用新开发的切向车削工艺进行的轴表面加工实际上不产生扭曲现象。轴表面作为用于径向轴密封环的接触表面的表面质量和直径公差都得到了满足。系统的密封在实验室和实际现场的测试中已经得到了证实。切向车削为用户提供了生产率和经济方面的显著优势。与硬加工结合，本工艺可以极大地减少生产环节，并大量节约加工时间、投资成本和单位制造成本。
5. 公式符号及缩略语
Rz 测量的波峰到波谷高度 μm
Ra 平均粗糙度值 μm
Rmax 最大的波峰到波谷高度 μm
HRC 洛氏硬度值
H11 轴的直径公差
IT8 特徵的ISO标准的公差级别
H7 轴的直径公差
α 在x-y平面上测量的切削刃的倾斜角
vc 切削速度 m/min
ap 切削深度 mm
f 进给量 mm
fy y轴方向进给量 mm
Ps 位置分布范围 μm
（本文的原文和译文均由德国Boehringer机床有限公司提供，本刊登载时对译文作了校对。）
原载：雅式工业专网 (end)
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(投稿)
(10/28/2006) |
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