长径比＞20的细长轴如何更高效地车削加工？

剖析超细长轴类零件车削加工办法, 依据振动理论, 构建力学模型, 给出具指导性的减振方案。依照理论指引, 研发变径超细长轴车削加工专用机床, 经实际验证, 该专用机床能有效提高变径超细长轴类零件加工的尺寸精度、表面质量以及加工效率, 实现规模化生产。

将长径比大于20的轴称作细长轴, 车削加工细长轴是一项颇具难度的加工技术, 传统细长轴类零件常在普通车床上加工, 操作人员技术水平在很大程度上决定零件加工质量, 且效率低, 应用更先进自动化数控技术生产超细长轴类零件是必然趋势, 笔者提出一种较创新的加工变径超细长轴类零件的方法, 经实际验证取得良好效果。

1. 细长轴类零件加工难点分析

1）具有细长形状的轴类零件, 其刚性呈现出较差的状况, 长径比占据较大数值, 在进行切削操作时, 不但容易产生振动现象以及热胀变形情况, 而且还需要拥有一定比例的锥度。

2）细长轴在高速车削之际, 局部温度会迅速急剧上升, 进而产生较大的线膨胀, 由于其散热性欠佳, 致使细长轴出现弯曲变形, 最终影响车削精度。

3）轴细长, 其轴向尺寸大, 车削之际, 需求较小的进给量, 刀具极容易发生磨损, 于实际加工当中, 极易出现崩刀、啃刀之类的刀具损坏情形, 进而产生竹节形误差以及麻花形误差。

2. 细长轴振动基本理论

细长轴车削振动问题归属于连续系统振动, 它存在无穷多个自由度, 能够运用偏微分方程来对其予以描述。于建立细长轴切削的受力模型之际, 可把尾座处简化成一个简支座；跟刀架仅能限制X、Y方向位移, Z向能够自由移动, 故而可将跟刀架简化为一个简支座；把自定心卡盘处简化为一个固定支承, 如此便能建立细长轴车削时的受力简图, 如图1所示。

图1　细长轴车削受力简图

1—尾座　2—跟刀架　3—自定心卡盘

在主切削力、轴向切削力、径向切削力以及约束共同产生的作用之下, 细长轴将会主要呈现出径向振动, 以及轴向振动, 假定细长轴材料属于理想弹性体, 并且满足以下三个条件, 其一为质量均匀分布, 其二为各向同性, 其三为服从虎克定律, 唯有如此便能够针对细长轴的径向、轴向振动展开理论推导。

3. 变径超细长轴车削加工专用机床设计

笔者依据所要加工零件的特性, 设计出专用数控机床, 并针对一款型号为 3,000的数控车床做了数控化改造。在完成基本机械改造后, 针对细长轴类零件加工的难点展开分析, 基于反复试验, 最终明确了液压可适应跟刀架、拉式尾座以及双卡盘结构组合的加工方案, 具体改造方案如下所述。

（1）具有液压可适应功能的跟刀架（见图2）, 针对该专用机床设计出了一种液压可适应跟刀架, 在进行安装操作时, 要确定好卡轮与刀具之间的距离, 并且要保证液压跟刀架的三爪完全和细长轴相接触。依据所需要的夹紧力来调整液压站的输出压力, 在车削进给过程中, 液压中心架的三个爪能够随着变径超细长轴的外形进行自适应调整。液压跟刀架的具体参数如下: 工作压力为0.1至3.0MPa, 最大压力是4MPa, 最大夹紧力为2.4kN, 工作范围的定心精度是0.02mm, 重复定位精度是005mm。采用集中润滑方式的跟刀架, 有专门的润滑油泵, 这个泵能向卡爪的三个轴承提供润滑油, 在日常使用的时候, 要注意及时给储油罐加注足量的润滑油, 以此来保证加工能够顺利进行。

图2　液压可适应跟刀架

（2）拉式尾座, （见图3）, 传统用于加工细长轴的车床尾座, 一般采用顶尖式结构, 然而在实践里发现, 顶尖式尾座并不适宜变径超细长轴的加工。笔者设计了一种弹性尾座拉紧装置, 其工作原理是这般, 通过对细长轴施加一定拉力, 进而改变细长轴在车削加工当中的受力状况。因为尾座装置需要同时承受轴向拉力, 以及因细长轴自重而致使的径向力, 所以支撑部件选用圆锥滚子轴承。由于拉力装置的尾座轴承内部润滑存在困难, 所以选用油脂润滑方式。有这样一种快换装置, 它是针对细长轴设计的, 细长轴有着不同的直径规格，该装置能够方便进行装夹更换。

图3　拉式尾座

（3）存在双卡盘这样一种结构, 其具体情况可见图4, 经过一系列的分析以及探究之后发现, 有一根伸出主轴箱外侧的细长轴, 在机床处于高速旋转这个过程时会产生程度较大的振动, 该振动会传输给加工段, 进而致使细长轴的加工表面质量不太好。笔者专门设计了一种双卡盘结构, 也就是在主轴箱两侧都设置卡盘, 在车削这个过程里, 伸出部分的细长轴所产生的振动先是传给外侧卡盘, 接着传递给内侧卡盘, 经过双卡盘结构起到的减振作用后, 传递到加工区域的振动已然非常小。借助这种双卡盘结构这一设计, 进一步提升了细长轴的加工质量。

图4　双卡盘结构

4. 实际加工举例

下文是以实际加工作为例子, 详细地介绍了那个专用机床的加工过程, 试切工件是细长轴, 其材料是弹簧钢, 加工长度是2 250mm, 直径是36mm, 长径比大概是1比60, 需要在的长度范围以内进行变径加工, 要让其直径从24mm逐步地过渡到36mm, 车削加工步骤像下文所讲述的那样, 车削加工之后的变径细长轴如同图5所展示的那样。

图5　车削加工后变径细长轴

1）加工之前, 要针对即将被加工的零件开展分析工作, 进而去编制涉及开槽工序的数控加工程序, 还要编制关于粗加工工序的数控加工程序, 并且编制有关于精加工工序的数控加工程序。

2）把工件装夹起来, 采用运用柔性液压跟刀架将工件夹紧, 借着拉式尾座使工件固定住, 查验正确无差错之后才能够开展加工。

3）开展程序运行操作, 促使车削加工启动执行, 针对粗车参数予以设定, 其中主轴转速为400r/min, 进给速度是0.6mm/s, 背吃刀量处于2.0至2.5mm的范围区间, 与此同时也要完成精车参数方面的设定, 具体为车床转速设定为450r/min, 进给速度介于0.8与1.0mm/s之间, 背吃刀量限定在0.3至0.5mm的数值框架内。经由试验进行验证之后, 能够明晰细长轴表面质量呈现良好态势, 并且加工效率也已然得到了大幅度的提升。

5.结语

因为变径超细长轴类零件其加工工艺呈现出特定特点, 所以本文展开了针对此的研发行动, 研发出了专用数控车床, 该车床设计了一种解决方案, 此方案为液压可适应跟刀架、拉式尾座以及双卡盘结构组合而成, 并且在经过反复切削试验后, 又对加工工艺参数予以了优化, 经过多次检测以及试验验证, 此专用机床表现出生产效率甚高, 被其加工之后获得的变径细长轴类零件精度契合要求这一情况, 能够展开规模化生产。