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超细长轴车削加工工艺 |
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作者：南华大学机械工程学院 厉善元 唐卫东 |
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引言
通常轴的长度与之直径比大于20～25(即L/d≥20～25)的轴称之为细长轴。而加工Ø35×4095、Ø10×1300长轴时，因径长比达1:100至1:150左右，属超细长轴加工。
超细长轴车削的工艺特点：①超细长轴刚性很差，车削时装夹不当，很容易因切削力及重力的作用而发生弯曲变形，产生振动，从而影响加工精度和表面粗糙度。②超细长轴的热扩散性能差，在切削热作用下，会产生相当大的线膨胀。如果轴的两端为固定支承，则工件会因伸长而顶弯。③由于轴较长，一次走刀时间长，刀具磨损大，从而影响零件的几何形状精度。④车超细长轴时由于使用跟刀架，若支承工件的两个支承块对零件压力不适当，会影响加工精度。若压力过小或不接触，就不起作用，不能提高零件的刚度：若压力过大，零件被压向车刀，切削深度增加，车出的直径就小，当跟刀架继续移动后，支承块支承在小直径外圆处，支承块与工件脱离，切削力使工件向外让开，切削深度减小，车出的直径变大，以后跟刀架又跟到大直径圆上，又把工件压向车刀，使车出的直径变小，这样连续有规律的变化，就会把细长的工件车成“竹节”形。造成机床、工件、刀具工艺系统的刚性不良给切削加工带来困难，不易获得良好的表面粗糙度和几何精度。
我们在实践中，经过不断摸索，采用各种车削装置：如三支承块跟刀架、弹性活络顶针、垫块、托架支承：车削中采用反向进给车削，配合以最佳的刀具几何参数、切削用量、等一系列有效措施。提高了超细长轴的刚性，满足了加工要求。使的加工的超细长轴效果良好，表面粗糙度达到Ra3.2以上，锥度误差在工件全长4m中仅0.04mm，椭圆度为0.01mm，弯曲度仅为0.15mm。且工效大大提高。
1 超细长轴车削装置
1) 工件装夹
在卡盘夹紧工件的卡爪面垫入Ø4×20mm钢丝，夹入长度为15～20mm，如图1所示，使工件与卡爪之间为线接触。
图1 工件装夹
在尾座装置弹性活络顶针，当工件发生弯曲变形或受热膨胀时，顶针能作一定的轴向位移。
2) 跟刀架结构
跟刀架固定在床鞍上，一般有两个支承爪，跟刀架可以跟随车刀移动，抵消径向切削时可以增加工件的刚度，减少变形。从而提高细长轴的形状精度和减小表面粗糙度。从跟刀架的设计原理来看，只需两只支承爪就可以了，因车刀给工件的切削抗力F'r，使工件贴住在跟刀架的两个支承爪上。但是实际使用时，工件本身有一个向下重力，以及工件不可避免的弯曲，因此，当车削时，工件往往因离心力瞬时离开支承爪、接触支承爪而产生振动。如果采用三只支承爪的跟刀架支承工件一面由车刀抵住，使工件上下、左右都不能移动，车削时稳定，不易产生振动。因此车超细长轴时一个非常关键的问题是要应用三个爪跟刀架，结构如图2所示。
图2 跟刀架
为使跟刀架保持良好的刚性，配备有三只支承块(材料为QT60-2)，使其与工件研磨后紧密贴合。跟刀架支承块与工件表面接触不良，留有间隙，易造成工件中心偏离旋转中心，从而产生多边形。应合理选用跟刀架结构，正确修磨支承块弧面，使其与工件良好接触。切削运行时呈滑动配合，使工件保持在切削旋转轴线上。
在调整和修磨跟刀架支承块后，如接刀不良，使第二次和第一次进给的径向尺寸不一致，引起工件全长上出现与支承块宽度一致的周期性直径变化，在切削中出现轻度竹节形。可通过调节上侧支承块的压紧力，使支承块与工件保持良好接触：通过调节中拖板手柄，改变切削浓度或减少车床大拖板和中拖板间的间隙：从而加以消除。
3) 垫块
除跟刀架装置外，还可根据工件长度，在工件下面垫放不等距的木块(在切削中随放随取，保证拖板正常进给)，木块直接垫放在床身上其厚度以能轻微托牢工件为宜，木块制成半圆弧凹坑，运行时加机油润滑。这种垫块还具有消振作用，如图3所示。
图3 垫木
4) 托架支承
对直径较小的超细长轴，因装夹、发热等各种因素造成的工件偏摆，导致切削深度变化。可利用托架托架支承，如图4所示，并改善托架与工件的接触状态。
图4 托架
2 刀具设计
刀具几何参数和切削用量选择不当，造成切削力过大，发生弯曲变形和表面粗糙，工件装夹不良，尾座顶尖与工件中心孔顶得过紧，在上述夹紧方式下，采用反向走刀车削，使工件受力后能向弹性顶针处伸缩，如图5所示。
图5 反向走刀车削
1) 粗车刀
刀具特点：①主偏角较大，使径向力Py减小，轴向力Px增大，能减少切削振动和弯曲变形：②前角g=15°～20°切削轻快：③断屑槽磨成R 2.5～4mm，有良好的卷屑作用，并增大实际切削前角。
刀具材料：刀片牌号YT15，型号A117：刀杆45号钢，调质HB220～250。
2) 精车刀
刀具特点：①具有较大前角，刀尖无倒棱，切削轻快，切屑呈铝箔纸状：②刀刃宽度大于走刀量1.3倍以上，可以修光工作表面：③有1.5°～2°刃倾角，切屑沿待加工表面排出：④刀刃必须研磨平直，表面粗糙度达Ra0.8以上。
刀具材料：刀片牌号W18Cr4V，热处理HRC63～66；刀杆弹性刀排。
可磨出刀尖圆弧半径，当工件长度与直径比较大时亦可采用宽刃低速光车。
3) 切削用量
粗车时：切削速度v=32m/min；走刀量f=0.3～0.35mm/r；切削深度ap=2～4mm。
精车时：切削速度v=1.5m/min；走刀量f=12～14mm/r；切削深度ap=0.02～0.05mm。
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(5/18/2008) |
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