1 細(xì)長軸加工工藝特點(diǎn)

細(xì)長軸類零件的加工是一項(xiàng)工藝性較強(qiáng)的綜合技術(shù)^[2]。由于細(xì)長軸本身剛性差（L/d值愈大，剛性愈差），在車削和磨削過程中會(huì)出現(xiàn)較多的問題。

（1）剛性差。工件受切削、磨削力，自重和旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力的作用，會(huì)產(chǎn)生彎曲、振動(dòng)，嚴(yán)重影響其圓柱度和表面粗糙度。

（2）熱變形大。在切削過程中，工件受熱伸長使剛度進(jìn)一步降低，加劇工件產(chǎn)生彎曲變形，工件受熱產(chǎn)生彎曲變形，車削和磨削就很難進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使工件在頂尖間卡住。

（3）廢品率高。采用跟刀架，中心架等輔助工夾具使操作技能要求提高，從而使機(jī)床、工夾刀具等多方面的協(xié)調(diào)困難，增加了許多震動(dòng)因素，這都對加工精度產(chǎn)生諸多不良影響，使工件容易出現(xiàn)翹曲、振紋、錐度大、竹節(jié)等疵病而報(bào)廢^[2]。

車削和磨削細(xì)長軸的難度較大，但它也有一定的規(guī)律性，主要抓住中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長以及合理選擇車刀幾何形狀等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，控制好切削深度、走刀量、機(jī)床轉(zhuǎn)速三要素，問題就迎刃而解了。

 

2 材料準(zhǔn)備

本文采用紡織機(jī)械傳動(dòng)主軸，材料為40Cr，外形尺寸為φ45mm×1265mm，加工后成品外形尺寸要求為φ40mm×1260mm，如圖1所示，其化學(xué)成分如表1所示。

由于傳動(dòng)主軸要求有較高的強(qiáng)度，韌性及良好的綜合機(jī)械性能，要求在車削之前對其進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，且調(diào)質(zhì)處理能使工件的剛性大大加強(qiáng)，有利于切削加工。加工中傳動(dòng)主軸的熱處理工藝確定為：850℃油淬+520℃高溫回火。由于調(diào)質(zhì)處理影響傳動(dòng)主軸的直線度，故在車削加工前對調(diào)質(zhì)后圓跳動(dòng)較大的傳動(dòng)主軸進(jìn)行校直處理。

表1    40Cr化學(xué)元素含量（%）

C	Si	Mn	Cr	其他
0.37~0.44	0.17~0.37	0.50~0.80	0.80~1.10	—

 

 

 

圖1 傳動(dòng)主軸成品外形

成品傳動(dòng)主軸的主要技術(shù)要求如下：

1.外徑尺寸：φ40H8；

2.表面粗糙度：Ra≤1.6。

3.全長徑跳：徑跳＜0.02mm；

 

3 細(xì)長軸車削加工工藝研究

3.1合理選擇定位基準(zhǔn)

切削中定位基準(zhǔn)的選擇是十分重要的，定位基準(zhǔn)選擇不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生較大的定位誤差，進(jìn)而產(chǎn)生較大的加工誤差。所以裝夾工件時(shí)要合理選擇定位基準(zhǔn)，軸類零件的定位基準(zhǔn)，最常用的為兩頂尖孔。因?yàn)榧?xì)長軸類零件外圓表面、錐孔、螺紋表面的同軸度，以及端面對軸線的垂直度是其相互位置精度的主要項(xiàng)目，而這些表面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一般都是軸的中心線，如果用兩頂尖孔定位，就能符合基準(zhǔn)重合的原則，而且能夠最大限度地在一次安裝中加工出多個(gè)外圓和端面，符合基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。當(dāng)不能用兩頂尖孔定位時(shí)，可采用軸的外圓表面作為定位基準(zhǔn)，或以外圓表面和頂尖孔共同作為定位基準(zhǔn)[3]。

根據(jù)本廠的實(shí)際情況，為了在簡化加工工藝的基礎(chǔ)上提高細(xì)長軸的加工精度，實(shí)際加工中采用了一夾一頂?shù)难b夾方式。即一端采用卡盤而另一端采用頂尖裝夾，尾座頂尖采用彈性頂尖，可以使工件在軸向自由伸長。

3.2 切削加工過程

細(xì)長軸類零件的粗加工和半精加工通常采用車削。在車削加工過程中，工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、重力、傳動(dòng)力、慣性力的作用下會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，使刀具與工件之間的相對位置發(fā)生變化，從而造成加工誤差，機(jī)床、夾具、刀具的受力變形較小可以忽略不計(jì)，則工藝系統(tǒng)的變形將完全取決于工件的變形，因此增加細(xì)長軸類零件的的剛性尤為重要[3]。為了改善細(xì)長軸類零件的切削加工效果，采取了以下工藝優(yōu)化：

3.2.1 掌握三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

車削加工中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)即中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長以及合理選擇車刀幾何形狀。

3.2.1.1 使用跟刀架支承細(xì)長軸

跟刀架是車削細(xì)長軸類零件極其重要的附件。采用跟刀架能提高工件的剛性，防止工件彎曲變形，抵消加工時(shí)徑向切削分力的影響，從而減少切削振動(dòng)和工件變形，但必須注意仔細(xì)調(diào)整，保證跟刀架的支撐爪和工件表面保持良好的接觸，跟刀架的中心與機(jī)床頂尖中心保持一致^[3]。從跟刀架的設(shè)計(jì)原理來看，只需兩只支承爪就可以了，因車刀給工件的切削抗力使工件貼在跟刀架的兩個(gè)支承爪上。但是實(shí)際使用時(shí)，工件本身有一個(gè)向下重力，以及工件不可避免的彎曲，因此，車削時(shí)工件往往因離心力瞬時(shí)離開支承爪、接觸支承爪而產(chǎn)生振動(dòng)。故需根據(jù)實(shí)際情況采用合適的跟刀架。使用時(shí)先把跟刀架用螺釘固定在大滑板上，跟在車刀后面，隨車刀進(jìn)給移動(dòng)，以抵消背向力，增加工件的剛性，減小變形，從而提高細(xì)長軸的形狀精度，并減小表面粗糙度^[4]。

3.2.1.2 減少工件熱變形伸長

車削時(shí)，由于切削熱的影響，使工件隨溫度升高而逐漸伸長變形，這就叫“熱變形”。在車削一般軸類時(shí)可不考慮熱變形伸長問題，但是車削細(xì)長軸時(shí)，因?yàn)楣ぜL，總伸長量長，所以一定要考慮到熱變形的影響。故在實(shí)際加工細(xì)長軸時(shí)必須從以下三方面來解決細(xì)長軸熱變形伸長問題。

（1）使用彈性回轉(zhuǎn)頂尖。用彈性回轉(zhuǎn)頂尖加工細(xì)長軸，可有較地補(bǔ)償工件的熱變形伸長，工件不易彎曲，車削可順利進(jìn)行。
    （2）加注充分的切削液。車削細(xì)長軸時(shí)，不論是低速切削還是高速切削，為了減少工件的溫升而引起熱變形，必須加注切液充分冷卻。使用切削液還可以防止跟刀架支承爪拉毛工件，提高刀具的使用壽命和工件的加工質(zhì)量。
    （3）刀具保持銳利。這樣可以減輕車刀與工件的摩擦，從而減少發(fā)熱。

3.2.1.3 合理選擇車刀幾何形狀

車削細(xì)長軸時(shí)，由于工件剛性差，車刀的幾何形狀對工件的振動(dòng)有明顯的影響。

（1）由于細(xì)長軸剛性差，為減少細(xì)長軸彎曲，要求徑向切削力越小越好，而刀具的主偏角是影響徑向切削力的主要因素，在不影響刀具強(qiáng)度情況下，應(yīng)盡量增大車刀主偏角。車刀的主偏角一般取kr=80°～93°。

（2）為減少切削力和切削熱，應(yīng)該選擇較大的前角，取r_o=15°～30°。

（3）車刀前面應(yīng)該磨有R11.5～3的斷屑槽，使切削順利卷曲折斷。

（4）選擇正刃傾角，取入=3°使切削屑流向待加工表面，并使卷屑效果良好。

（5）切削刃表面粗糙度要求在Ra0.4以下，并要經(jīng)常保持鋒利。

（6）為了減少徑向切削力，應(yīng)選擇較小的刀尖圓弧半徑（r_e<0.3mm）。倒棱的寬度也應(yīng)選得較小，取倒棱寬br1=0.5f。

綜合考慮以上三要素，對于紡織機(jī)械傳動(dòng)主軸，在實(shí)際加工過程中采用兩爪跟刀架，彈性頂尖及YT15硬質(zhì)合金車刀，其主偏角90°、前角15°、刃傾角+3°、切削刃的表面粗糙度在Ra0.4以上，保持鋒利。

3.2.2 控制好車床三要素

車床三要素即切削深度，進(jìn)給量及切削速度三要素。

3.2.2.1 切削深度α_p

由于傳動(dòng)主軸為光圓，沒有臺(tái)階面，車削時(shí)分三刀進(jìn)行。第一刀先粗車外圓尺寸到φ43mm，第二刀半精車外圓尺寸到φ41.5mm，第三道精車外圓尺寸到φ40.5mm。即每次的切削深度變化為2mm-1.5mm-1mm。

3.2.2.2進(jìn)給量f

進(jìn)給量主要應(yīng)根據(jù)工件表面質(zhì)量要求而定，一般情況可選0.15 mm/r～0.16 mm/r。粗加工時(shí)選大些，精加工時(shí)可選小些^[2]。

3.2.2.3切削速度V

提高切削速度有利于降低切削力，減少切削變形，但振動(dòng)會(huì)隨切削速度的增加而增大，所以，可選切削速度V=60 m/min～90 m/min，工件的長徑比及材料韌性大時(shí)Vc選小值，進(jìn)給量大時(shí)V要降低，反之，要提高^[2]。

傳動(dòng)軸車加工工藝如下：

粗車：轉(zhuǎn)速n =450～500r/min；切削深度α_p =1.5～2mm；進(jìn)給量f=0.3～0.4mm/r。

半精車：轉(zhuǎn)速n = 450～500r/min；切削深度α_p =1～1.5mm；進(jìn)給量f=0.15～0.2mm/r。

精車：轉(zhuǎn)速n = 500～550r/min；切削深度α_p =0.5～1mm；進(jìn)給量f=0.1～0.15mm/r。

 

4 細(xì)長軸磨加工工藝探討

細(xì)長軸類零件的精加工通常采用磨削，磨削時(shí)采用兩頂尖裝夾。根據(jù)材料本身的特點(diǎn)（易彎曲、韌性高），選擇合適的砂輪，進(jìn)給量及冷卻液。砂輪采用60^#棕剛玉，粗精磨每次磨削深度均在0.02-0.03mm左右。先粗精磨一端且盡量接近總長，留一個(gè)砂輪寬度，精磨后調(diào)頭粗精磨另一頭。

 

5 結(jié)論

在影響細(xì)長軸加工精度的各種因素中，車加工是最主要的因素，而細(xì)長軸車加工精度的各種因素中，切削力是主要因素，為減小切削力所引起的變形，就要選好跟刀架，以增強(qiáng)其剛性，減小變形，還要選擇合理的幾何角度以減小改變走刀方向。

車削和磨削細(xì)長軸的難度較大，但它也有一定的規(guī)律性。在車削加工時(shí)，主要抓住中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長以及合理選擇車刀幾何形狀等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，控制好切削深度、走刀量、切削速度這三要素，問題就迎刃而解了。根據(jù)優(yōu)化的車削及磨削工藝，成品主軸達(dá)到了要求的技術(shù)條件，即傳動(dòng)主軸的外徑尺寸為φ40H8，表面粗造度Ra達(dá)到1.6以上，全長徑跳均保持在0.02mm以下。

發(fā)布時(shí)間：2016-01-18