濟南特瑞數(shù)控刀具有限公司
引言
細長桿件在各類機械中應(yīng)用甚廣，此類零件雖然結(jié)構(gòu)簡單，但加工難度卻相當(dāng)大，一直被認為是機械加工中的難題。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和普及應(yīng)用，利用數(shù)控車床加工軸類零件無疑已成為最佳選擇。實踐表明，與普通車床相比，數(shù)控車床具有主軸旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定、刀架穩(wěn)定、進給速度平穩(wěn)、錐度可調(diào)、軌道精度高、加工效率高等優(yōu)點，但數(shù)控車床卻大多受空間限制，無法安放中心架等附件，不便于加工超出行程范圍的細長桿件。因而在很多情況下，大部分細長桿件的加工還必須依賴于普通車床。所以，要想順利加工出高質(zhì)量的細長桿件，必須要在加工工藝上進行規(guī)范和突破。
１ 細長桿件車削加工的特點
細長桿件在高速車削過程中，因其剛性較差，又同時受到夾緊力、切削力、重力、慣性力和切削熱的綜合作用，極易導(dǎo)致彎曲變形，造成零件與刀具的相對運動失準(zhǔn)，致使細長桿件在加工后出現(xiàn)波紋、錐度、多棱、竹節(jié)、圓柱度差和彎曲等加工缺陷；同時，細長桿件的彎曲變形還會引起工藝系統(tǒng)振動，進而降低零件的加工精度和粗糙度。
１.１ 受力變形
細長桿車削受力分析如圖１所示。加工過程中，細長桿件所受的外力主要有切削力（軸向切削力Ｐｘ、徑向切削力Ｐｙ及切向切削力Ｐｚ）、自身重力Ｇ、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、軸向頂力Ｆｘ，這些力共同作用，導(dǎo)致桿件產(chǎn)生彎曲變形。桿件變形的最直接后果是產(chǎn)生振動，從而影響工件的圓柱度和表面粗糙度。一般來講，工件彎曲越大，車削時振動越大，表面質(zhì)量精度也就越難保證。
１.２ 受熱變形
細長桿件在車削時熱擴散性差、線膨脹性大，由于車床主軸卡盤和尾架頂尖之間的距離固定不變，當(dāng)工件的熱伸長達到一定值時，便會產(chǎn)生彎曲變形。細長桿件熱變形伸長量ΔＬ（ｍｍ）的計算公式為：
ΔＬ＝αＬΔｔ。
其中：α 為桿件材料熱膨脹系數(shù)，１／℃；Ｌ 為桿件的總長，ｍｍ；Δｔ為桿件升高的溫度，℃。
由此可見，工藝系統(tǒng)的熱變形和受力變形是影響細長桿件加工精度的兩大主要因素，完全可以通過調(diào)整機床、應(yīng)用加工輔具、選用合適刀具、控制切削用量等對其進行補救
２.防止和減小細長桿件加工變形的工藝措施
２.１ 桿件加工前的校正
細長桿件的毛坯一般為鍛造或拉伸件，在制造、儲運、下料、裝夾等過程中都會有各種應(yīng)力和變形產(chǎn)生，尤其是彎曲，很容易對車削質(zhì)量造成影響。所以，細長桿件在加工前都需要進行校正，亦稱找正。找正的目的主要是校直，以防因加工余量不均勻而車不圓，或因彎曲離心力大而增加桿的彎曲度，造成無法車削。校正的標(biāo)準(zhǔn)是：粗車時應(yīng)保證工件加工余量基本一致；半精車和精車時應(yīng)保證待加工表面與已加工表面相對位置符合要求。
細長桿件的校直一般選擇在車床上直接進行，此法比較方便、快捷。校直方法有如下３種：
（１）凸點直擊法。此法適用于細而長的桿件。低速旋轉(zhuǎn)工件，用粉筆標(biāo)記凸點。將一凹形鐵塊（或橡膠塊）墊靠于工件凸點的背面，用手錘擊打桿件凸點，使其伸直。多次反復(fù)，輔以旋轉(zhuǎn)查看，可使工件校直。
（２）凹面延展法。此法適用于桿徑相對較大、桿長較長的細長桿。在桿件兩端鉆中心孔，以主軸頂尖和車床尾座頂尖共同支承。手動轉(zhuǎn)動工件，用粉筆標(biāo)記凸點。將長木塊或鐵塊橫墊于車床導(dǎo)軌上，在桿件彎曲凸點處架以Ｖ 型或凹弧型螺紋千斤頂，稍過支承。手錘反復(fù)擊打桿件的凹面，使凹面材料延展，從而校直桿件。
（３）拖板擠壓法。此法適用于桿長較短的細長。開動車床使工件旋轉(zhuǎn)，用一根長約300mm的木搭在中拖板和方刀臺上，搖動中拖板，使木棍壓向工彎曲部分。繼續(xù)移動中拖板，跟緊尾座頂尖，以防工脫出，待工件繼續(xù)旋轉(zhuǎn)幾秒鐘，再將中拖板慢慢退，并適當(dāng)松退尾座頂尖。反復(fù)多次，可使桿件校直。
２．２ 桿件裝夾方式選擇
２．２．１ 采用雙頂尖軸向裝夾
在車床上車削細長桿，裝夾方式通常有兩種：一是“一夾一頂”，以卡盤夾住細長桿的左端，用尾架頂尖頂住桿件的右端；二是“雙尖對頂”，細長桿件的兩端都以頂尖來支承。一夾一頂裝夾方式的主要弊端是：①頂尖頂?shù)锰o，細長桿容易受軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形；②機床卡爪夾緊時容易形成過定位，造成卡盤與頂尖不同軸。所以，在只能選擇一夾一頂?shù)那闆r下，可在細長桿件的左端套上一個開口鋼圈（寬度以10mm左右為宜），旨在縮減桿件與卡爪的軸向接觸長度，避免產(chǎn)生過定位。
條件允許的情況下，可以優(yōu)先選擇雙尖對頂裝夾，以保證同軸度。但此裝夾存在剛性差、變形大、振動大的弊端，所以更適用于長徑比不太大、加工余量比較小，且同軸度要求比較高的桿件（精加時優(yōu)先選擇此法）。
２.２.２ 采用跟刀架和中心架
使用跟刀架和中心架的目的是保證細長桿件的形狀精度，同時減小表面粗糙度。其基本原理是通過在細長桿中間增加支撐來提高其剛度，以防徑向切削力對細長桿的加工產(chǎn)生影響。跟刀架的支承塊最好選用耐磨鑄鐵或鑄鋼，每車一刀之前，都應(yīng)研磨一次支承塊，以保證支承面與工件表面完全吻合；其位置應(yīng)當(dāng)保持支承爪離車刀３ｍｍ～４ｍｍ，如果過遠，容易在車削過程中產(chǎn)生振動。
如果要使用中心架，可事先在工件上車出承搭中心架的溝槽。如果細長桿的長徑比過大，溝槽不易車削，則可在細長桿上安裝一個過渡套筒，使卡爪只跟過渡套筒的外表面接觸，而不直接接觸毛坯軸。過渡套筒的四周均勻分布３個或４個螺釘，調(diào)整螺釘?shù)膹较蚓嚯x，可以適度夾緊毛坯桿件，并使套筒外圓軸線與主軸軸線一致，從而保證車削精度。
２．２．３ 采用軸向拉夾法減小壓應(yīng)力
中心架和跟刀架的使用可以增加桿件剛度，減小徑向切削力對加工的危害。但軸向切削力壓彎桿件（尤其是長徑比較大桿件）的問題卻并未得到解決。所以，實際生產(chǎn)中常用軸向拉夾的方法來消除桿件中的壓應(yīng)力。一般由卡盤夾緊細長桿件的左端，而用專門設(shè)計的夾拉頭夾緊其右端，夾拉頭與卡盤反向施力，以保證細長桿在車削過程中始終只受到軸向拉力，而不會被車刀的軸向切削力壓彎；而且，軸向拉力還能對因切削熱而導(dǎo)致的軸向伸長進行適度補償，從而提高桿件的剛性與加工精度。
２.３刀具及幾何參數(shù)的科學(xué)選擇
切削力的大小主要由車刀的前角、主偏角和刃傾角來決定，所以這些參數(shù)需要科學(xué)選擇。前角的大小與切削力、切削溫度和切削功率密切相關(guān)。前角增大，切削力減小，所以，只要不影響車刀的強度，應(yīng)該盡量增大刀具的前角。為使切屑能及時彎曲折斷、排出，同時保持前刀面的光潔與主刀刃的鋒利，刀具的前刀面宜磨出相應(yīng)的斷屑槽。
切削力可以分解為軸向切削力Ｐｘ、徑向切削力Pｙ以及切向切削力Ｐｚ，主偏角的大小則與這３個力的大小及相互比例密切相關(guān)。主偏角增大，徑向切削力Ｐｙ顯著減小，而切向切削力Ｐｚ則略有增大。通常情況下，為使３個切削分力的比例關(guān)系相對合理，主偏角的取值宜在６０°～７５°范圍內(nèi)。
刃傾角的大小決定著切屑的流向、刀尖的強度，同時也影響著３個切削分力之間的比例關(guān)系。刃傾角增大，徑向切削力急劇減小，但對軸向切削力和切向切削力的影響并不大，只是略有增大。通常，刃傾角為－１０°～＋１０°，可使３個切削分力的比例關(guān)系相對合理。車削細長桿件的刀具幾何參數(shù)見表１。
２.４ 合理選擇切削用量
切削用量主要包括切削深度、進給量、切削速度，其大小不僅影響加工效率，更會對切削力、切削熱產(chǎn)生重大影響。因此，細長桿件車削中的切削用量選擇非常重要。
要保持工藝系統(tǒng)的剛度不變，切削深度與切削力、切削熱成正比。因此，要想減少力變形和熱變形，在車削細長桿件時應(yīng)該選擇較小的切削深度。
進給量與切削厚度成正比。進給量增大，切削力雖然也會跟著增大，但并不明顯，所以，從提高切削效率的角度來看，增大進給量比增大切削深度更有利。
切削速度與切削力成反比。提高切削速度，切削溫度隨之升高，刀具與工件之間的摩擦力則減小，細長桿的受力變形變小。但是，如果切削速度過高，又常會使細長桿因離心力而出現(xiàn)彎曲，，影響切削過程的平穩(wěn)。因此，切削速度需要控制在適度范圍內(nèi)。桿件的長徑比越大，切削速度越需適當(dāng)降低。粗車細長桿件的切削用量參考值見表２。
２.５ 合理選擇切削液
切削液在車削細長桿件過程中的主要作用是冷卻和潤滑，因此，選擇切削液應(yīng)盡可能做到兩者兼顧。一般宜選用流量足的冷卻液潤滑，既冷卻工件和跟刀架支承爪，又潤滑支承面，減少工件表面的摩擦，從而保證加工精度。細長桿在粗車時的加工余量比較大，選用的切削深度和進給量必然也較大，由此會加大切削阻力，并進一步產(chǎn)生較多的切削熱，刀具因此加劇磨損，所以，精車應(yīng)當(dāng)首先考慮冷卻因素，適宜選擇具有一定清洗、潤滑及防銹功能的水基切削液，及時地將切削熱帶走，以降低工件的切削溫度，從而提高刀具耐用度。精車細長桿時，切削余量相對較小，切削深度小，進給量小，切削力也小，桿件溫度不高，以采用高濃度（質(zhì)量分數(shù)１０％以上）的乳化液和含油性添加劑的切削液為宜。
３. 細長桿加工中幾種常見的質(zhì)量問題分析
由于細長桿類零件結(jié)構(gòu)特殊，裝夾困難，運動穩(wěn)定性較差，因此在車削中經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的質(zhì)量問題。全面分析這些質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因、危害，研究制定相應(yīng)的預(yù)防措施和對策，可以有效提高桿件的加工質(zhì)量。表３為細長桿件加工缺陷的原因分析及預(yù)防措施。
４ 結(jié)語
細長桿類零件的車削加工雖然難度較大，但它也有一定的規(guī)律性，只要我們能夠抓住裝夾方式選擇、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關(guān)鍵技術(shù)，所有問題便都能迎刃而解。
濟南特瑞數(shù)控刀具有限公司
2014-04-27
真誠歡迎您的咨詢
1 打開微信掃一掃
2 添加成為微信好友
3 我們會在第一時間為您服務(wù)
