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濟(jì)南特瑞數(shù)控刀具有限公司

基于質(zhì)量控制的細(xì)長桿類零件車加工工藝優(yōu)化

      引言

   

      細(xì)長桿件在各類機(jī)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(rèn)為是機(jī)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(shí)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(jìn)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(diǎn),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(xì)長桿件。因而在很多情況下,大部分細(xì)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(xì)長桿件,必須要在加工工藝上進(jìn)行規(guī)范和突破。

   

      1 細(xì)長桿件車削加工的特點(diǎn)

   

      細(xì)長桿件在高速車削過程中,因其剛性較差,又同時(shí)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(yùn)動(dòng)失準(zhǔn),致使細(xì)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(shí),細(xì)長桿件的彎曲變形還會(huì)引起工藝系統(tǒng)振動(dòng),進(jìn)而降低零件的加工精度和粗糙度。

   

      1.1 受力變形

   

      細(xì)長桿車削受力分析如圖1所示。加工過程中,細(xì)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(dòng),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(shí)振動(dòng)越大,表面質(zhì)量精度也就越難保證。

   

      1.2 受熱變形

   

      細(xì)長桿件在車削時(shí)熱擴(kuò)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(dá)到一定值時(shí),便會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。細(xì)長桿件熱變形伸長量ΔL(mm)的計(jì)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(xì)長桿件加工精度的兩大主要因素,完全可以通過調(diào)整機(jī)床、應(yīng)用加工輔具、選用合適刀具、控制切削用量等對其進(jìn)行補(bǔ)救

   

      

   

 

      2.防止和減小細(xì)長桿件加工變形的工藝措施

   

      2.1 桿件加工前的校正

   

      細(xì)長桿件的毛坯一般為鍛造或拉伸件,在制造、儲(chǔ)運(yùn)、下料、裝夾等過程中都會(huì)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(xì)長桿件在加工前都需要進(jìn)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(shí)應(yīng)保證工件加工余量基本一致;半精車和精車時(shí)應(yīng)保證待加工表面與已加工表面相對位置符合要求。

   

      細(xì)長桿件的校直一般選擇在車床上直接進(jìn)行,此法比較方便、快捷。校直方法有如下3種:

   

      (1)凸點(diǎn)直擊法。此法適用于細(xì)而長的桿件。低速旋轉(zhuǎn)工件,用粉筆標(biāo)記凸點(diǎn)。將一凹形鐵塊(或橡膠塊)墊靠于工件凸點(diǎn)的背面,用手錘擊打桿件凸點(diǎn),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(xì)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)工件,用粉筆標(biāo)記凸點(diǎn)。將長木塊或鐵塊橫墊于車床導(dǎo)軌上,在桿件彎曲凸點(diǎn)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(xì)長。開動(dòng)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(tái)上,搖動(dòng)中拖板,使木棍壓向工彎曲部分。繼續(xù)移動(dòng)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(xì)長桿,裝夾方式通常有兩種:一是“一夾一頂”,以卡盤夾住細(xì)長桿的左端,用尾架頂尖頂住桿件的右端;二是“雙尖對頂”,細(xì)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(xì)長桿容易受軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形;②機(jī)床卡爪夾緊時(shí)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(xì)長桿件的左端套上一個(gè)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(dòng)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(shí)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(xì)長桿件的形狀精度,同時(shí)減小表面粗糙度。其基本原理是通過在細(xì)長桿中間增加支撐來提高其剛度,以防徑向切削力對細(xì)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(yuǎn),容易在車削過程中產(chǎn)生振動(dòng)。

   

      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(xì)長桿的長徑比過大,溝槽不易車削,則可在細(xì)長桿上安裝一個(gè)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(gè)或4個(gè)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(shí)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(xì)長桿件的左端,而用專門設(shè)計(jì)的夾拉頭夾緊其右端,夾拉頭與卡盤反向施力,以保證細(xì)長桿在車削過程中始終只受到軸向拉力,而不會(huì)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(jìn)行適度補(bǔ)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(qiáng)度,應(yīng)該盡量增大刀具的前角。為使切屑能及時(shí)彎曲折斷、排出,同時(shí)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(gè)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(gè)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(qiáng)度,同時(shí)也影響著3個(gè)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(gè)切削分力的比例關(guān)系相對合理。車削細(xì)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(jìn)給量、切削速度,其大小不僅影響加工效率,更會(huì)對切削力、切削熱產(chǎn)生重大影響。因此,細(xì)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(xì)長桿件時(shí)應(yīng)該選擇較小的切削深度。

   

      進(jìn)給量與切削厚度成正比。進(jìn)給量增大,切削力雖然也會(huì)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(jìn)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(xì)長桿的受力變形變小。但是,如果切削速度過高,又常會(huì)使細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)長桿在粗車時(shí)的加工余量比較大,選用的切削深度和進(jìn)給量必然也較大,由此會(huì)加大切削阻力,并進(jìn)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(shí)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(xì)長桿時(shí),切削余量相對較小,切削深度小,進(jìn)給量小,切削力也小,桿件溫度不高,以采用高濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以上)的乳化液和含油性添加劑的切削液為宜。

   

      3. 細(xì)長桿加工中幾種常見的質(zhì)量問題分析

   

      由于細(xì)長桿類零件結(jié)構(gòu)特殊,裝夾困難,運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差,因此在車削中經(jīng)常會(huì)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(xì)長桿件加工缺陷的原因分析及預(yù)防措施。

   

      4 結(jié)語

   

      細(xì)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。