軸端凹球面車削技術的研究與應用

□陳立新

廣東省技師學院 工業設計與制造系　廣東惠州　516100

軸端凹球面車削技術的研究與應用

□陳立新

廣東省技師學院 工業設計與制造系廣東惠州516100

提出了在普通車床上快速車削軸端凹球面的加工思路和工藝方案，通過切削試驗，測試了工藝參數（球面半徑R）、結構參數（中心軸至尾套端面距離L）、切削參數（鋼絲進給速度v）對球面輪廓度t和表面粗糙度Ra的影響。依據工藝方案和測試結果，設計制作了車削球面中心位置及半徑可調的工藝方案。經多次切削加工后得出結論：該工藝方案在普通車床上車削軸端凹球面時，球面輪廓度t、表面粗糙度Ra的平均值分別為25 μm、3.2 μm。方案填補了普通車床快速、精確加工球面的技術空白。

目前，軸類或盤類零件的外圓及端部的球面車削只能在數控車床上完成，這樣可以保證球面的加工精度和表面質量。若利用數控車床加工單一的球面，則浪費了寶貴的設備資源，而在普通車床上由人工雙手操控幾乎不可能加工出合格的球面。因此，設計和制作在普通車床上能夠車削合格球面的工藝裝備是機械加工的一個重要課題，筆者從軸端凹球面著手，探索普通車床加工球面的加工思路和工藝方案。

1　普通車床球面車削加工思路與工藝方案

1.1加工思路

由數控理論可知，數控車床屬于2軸控制，通過直線插補、圓弧插補功能能夠在軸類或盤類零件的圓柱面和端面上，加工出圓弧曲面和錐面，通過宏程序還能夠加工橢圓、拋物線、雙曲線等復雜曲面［1］。而普通車床屬于單軸控制，刀具不能同時沿縱向和橫向運動，所以只能加工圓柱面、端面或將小拖板旋轉相應的角度加工簡單的錐面。若要在普通車床上加工球面或其它非圓曲面，也必須由人工雙手操控，但即使是技術嫻熟的操作者，也很難加工出尺寸精度、形狀位置精度及表面質量符合要求的曲面。因此，要在普通車床上加工尺寸精度、位置精度、形狀精度、表面質量達到設計要求的外圓或端部球面，其工藝方案必須滿足以下條件：

（1）球面半徑必須連續可調、可控；（2）進給速度必須連續可調、可控；

（3）切削速度和背吃刀量能夠可調、可控，以實現粗、精加工的轉換。

1.2工藝方案

根據上述思路，提出了以拖板、尾座、回轉刀盤為運動主體的工藝方案，其工作原理如圖1所示。工件裝夾在普通車床上，尾座固定在機床適當位置，刀具由壓緊螺栓固定在回轉刀盤上。鋼絲一端通過固定座和螺栓壓緊在回轉刀盤周邊圓弧槽上，另一端通過鋼絲架與拖板連接。回轉刀盤通過中心軸安裝在支架上，支架通過其尾端錐柄固定在尾座錐套中。阻尼彈簧一端固定在回轉刀盤上，另一端固定在支架上。啟動機床，旋轉拖板橫向手柄，通過鋼絲架、鋼絲帶動旋轉刀盤和刀具至適當位置；旋轉尾座手柄，調整刀具縱向位置，使刀具處于準備切削位置。再旋轉拖板橫向手柄，使拖板向后運動，并通過鋼絲架、鋼絲帶動回轉刀盤順時針運動，開始切削凹球面，當刀尖到達或超過中心位置時，本次切削完畢。反向旋轉尾座手柄，使刀具縱向退刀，反向旋轉拖板橫向手柄，回轉刀盤在鋼絲、阻尼彈簧的共同作用下，帶動刀具逆時針旋轉至切削準備位置，根據設定或選擇的背吃刀量、切削速度，旋轉尾座手柄，調整刀具縱向位置，再進行下一輪切削。最后根據設計要求和對刀位置進行精加工，從而完成端部凹球面的加工。

圖1　軸端凹球面加工原理圖

1.3切削試驗

上述工藝方案中，球面半徑、中心軸直徑、中心軸中心至尾套端面的距離等結構或工藝參數，以及鋼絲的進給速度、主軸轉速等切削參數，對加工球面的尺寸精度、面輪廓度、表面粗糙度及球面至工件端面的位置度均有不同程度的影響。為確保軸端凹球面的加工質量，必須對上述工藝方案進行切削試驗，以選擇合理的結構參數和切削參數。考慮檢測手段和方法，分析結構和工藝參數、加工質量指標的主次關系，將上述工藝方案簡化成如圖2所示的結構，測試工藝參數——球面半徑R、結構參數——中心軸至尾套端面距離L、切削參數——鋼絲進給速度v對球面輪廓度t和表面粗糙度Ra的影響，其基本切削條件見表1，刀具基本參數見表2。

表1　工件基本切削條件

表2　刀具基本參數

1.3.1工藝和結構參數對加工質量的影響［2］

①工藝參數（球面半徑R）對加工質量的影響。在表1、表2及中心軸至尾套端面距離L=85 mm、進給速度v=0.25 mm/r的前提下，分別加工半徑R為 40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm的球面，測量球面輪廓度t、表面粗糙度Ra，并記錄，得出如圖3（a）所示的影響曲線。根據圖3（a）所示曲線，輪廓度t最大值為55 μm，最小值為19 μm，對應的球面半徑R分別為100 mm、40 mm。表面粗糙度Ra最大值為6.3 μm，最小值為1.6 μm，對應的球面半徑R分別為100 mm、60 mm。由曲線可知，球面輪廓度值t、表面粗糙度值Ra隨球面半徑R的增大而增大，基本呈線性關系，其原因主要是球面半徑R越大，刀具懸臂越長，剛性越差，系統穩定性也越差，導致凹球面的輪廓度t、表面粗糙度Ra同樣越差。

②結構參數（中心軸至尾套端面距離為L）對加工質量的影響。在表1、表2及中心軸至尾套端面距離L分別為70 mm、75 mm、80 mm、85 mm、90 mm、95 mm、100 mm的前提下，加工半徑R=60 mm的球面，測量其輪廓度t、表面粗糙度Ra，并記錄，得出如圖3（b）所示的影響曲線。根據圖3（b）所示曲線，輪廓度t最大值為50 μm，最小值為16 μm，對應的中心軸至尾套端面距離L分別為100 mm、70 mm。表面粗糙度Ra最大值為6.3 μm，最小值為1.6 μm，對應的中心軸至尾套端面距離L分別為100 mm、60 mm。由曲線可知，球面輪廓度值t、表面粗糙度值Ra隨中心軸至尾套端面距離L的增大而增大，基本呈線性關系，其原因主要是中心軸至尾套端面距離越大，懸臂越長，剛性越差，振動越大，導致凹球面的輪廓度t、表面粗糙度Ra越差，但其對輪廓度t、粗糙度Ra的影響比球面半徑R要小。

1.3.2切削參數對加工質量的影響

在表1、表2及中心軸至尾套端面距離為L=85 mm的前提下，以0.1～0.4 mm/r的進給速度v加工半徑R=60 mm的球面，測量球面輪廓度t、表面粗糙度Ra，并記錄，得出如圖4所示的影響曲線。根據圖4所示曲線，輪廓度t最大值為60 μm，最小值為10 μm，對應的進給速度v分別為0.4 mm/r、0.1 mm/r。表面粗糙度Ra最大值為12.5 μm，最小值為1.6 μm，對應的進給速度v分別為0.4 mm/r、0.1 mm/r。由曲線可知，球面輪廓度值t、表面粗糙度值Ra隨進給速度v的加快而增大，基本呈線性關系，其原因主要是進給速度v越快，切削力越大，系統穩定性差，車削印痕越粗，導致凹球面的輪廓度t、表面粗糙度值Ra越差。

圖2　工藝系統簡化圖

圖3　工藝和結構參數對加工質量影響曲線

圖4　切削參數對加工質量影響曲線

圖5　工藝方案結構示意圖

切削試驗數據表明，為了保證軸端凹球面加工質量，中心軸至尾套端面距離L必須小于85 mm，進給速度v必須小于0.25 mm/r。

2　結構設計及切削參數選擇

2.1結構設計

工藝方案結構如圖5所示，結構設計如下。

2.1.1中心軸直徑d

根據結構及受力分析，中心軸主要承受彎矩和剪力，其直徑越大，強度和剛性越好，系統穩定性越好，加工質量越好，但能加工的最小球面半徑Rmin會增大；直徑越小，強度和剛性越差，系統穩定性越差，加工質量越差，但能加工的最小球面半徑Rmin會減小。綜合考慮強度、剛性及最小球面半徑Rmin，結合切削試驗，取d=12 mm。

2.1.2回轉刀盤直徑D

根據結構及受力分析，回轉刀盤主要承受彎矩，其直徑越大，強度和剛性越差，系統穩定性越差，加工質量越差，但可加工的最大球面半徑Rmax會加大；直徑越小，強度和剛性越好，系統穩定性越好，加工質量越好，但可加工的最大球面半徑Rmax會減小。綜合考慮強度、剛性及最大球面半徑Rmax，結合切削試驗，取D=30 mm。

2.1.3中心軸至尾套端面距離L

對圖1、圖2結構進行受力分析，其支架主要承受彎矩。中心軸至尾套端面距離L越大，強度和剛性越差，系統穩定性越差，加工質量越差，但可加工的最大球面半徑Rmax會加大；直徑越小，強度和剛性越好，系統穩定性越好，加工質量越好，但可加工的最大球面半徑Rmax會減小。綜合考慮強度、剛性、回轉刀盤直徑D，結合切削試驗，取L=80 mm。

2.1.4最小球面半徑Rmin的計算和確定

由圖6和圖7所示，Rmin計算如下：

由式（1）、式（2）求得：

可確定刀具結構尺寸中a=16～18 mm，取a=17mm。用表2中刀具基本參數的副偏角Kτ'=15°代入式（3），計算得Rmin=34 mm。考慮回轉刀盤直徑D及刀具最小伸出量，取Rmin=40 mm。

2.1.5最大球面半徑Rmax的計算和確定

由圖1可知，最大球面半徑Rmax基本不受結構限制，但根據圖3工藝和結構參數對加工質量影響曲線可知，球面半徑R越大，刀具懸臂越長，剛性越差，系統穩定性越差，導致凹球面的輪廓度t、表面粗糙度Ra越差。綜合考慮球面加工質量和加工范圍兩個因素，最大球面半徑Rmax取85mm。

圖6　刀具結構示意圖

圖7　數學計算模型

2.2切削參數選擇

由圖4切削參數對加工質量的影響曲線可知，球面輪廓度值t、表面粗糙度值Ra隨進給速度v的增大而增大，基本呈線性關系，綜合考慮工藝系統剛度、加工質量和加工效率等因素，進給速度v選擇如下：

粗加工時，進給速度v取0.3～0.4 mm/r；精加工時，進給速度v取0.15～0.25 mm/r。

3　結束語

（1）提出了普通車床精確加工軸端凹球面的加工思路和工藝方案，根據工藝方案的結構、原理和受力條件，在基本切削條件和刀具基本參數一定的前提下，以不同的結構參數、工藝參數及切削參數組合進行切削試驗，測試了工藝參數——球面半徑R、結構參數——中心軸至尾套端面距離L、切削參數——鋼絲進給速度v對球面輪廓度t和表面粗糙度Ra的影響。實驗結果表明，在球面半徑R=40～65 mm，中心軸至尾套端面距離L=70～85 mm，進給速度v≤0.2 mm/r的條件下，凹球面加工質量較為理想。

（2）對試驗結果進行了分析，在綜合考慮工藝系統穩定性、加工質量、加工效率等因素的前提下，對中心軸直徑d、回轉刀盤直徑D、中心軸至尾套端面距離L、刀具結構尺寸、球面半徑最小值Rmin、球面半徑最大值Rmax、進給速度v、背吃刀量等結構參數和切削參數進行了分析計算。

（3）根據上述參數設計，制作了一套半徑R=40～85 mm的軸端凹球面加工系統，并在R=40～85mm的范圍內加工了6個凹球面，其球面輪廓度t、表面粗糙度Ra的平均值分別為25 μm、3.2 μm，加工質量良好，達到設計要求，R=55 mm凹球面實物如圖8所示。

圖8　凹球面加工實物圖

［1］余英良.數控加工編程及操作［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［2］吳宗澤.機械設計師手冊［M］.2版.北京：機械工業出版社，2009.

Presented a technical idea and processing plan for quick-turning of concave spherical surface at shaft end on a plain lathe，bycuttingit had tested the influence ofprocess parameters（spherical radius R），structural parameters（the distance L from center axis to the end surface of tail cone）and cutting parameters（feed rate of steel wire v）to the spherical profile tolerance t and surface roughness Ra.Based on the processing plan and test results，a process system available to adjust the spherical center&radius had been designed and made. Repeated cutting demonstrates that when the process systemis introduced for turning of concave spherical surface at shaft end on a plain lathe the average profile tolerance t is 25 μmwhile the surface roughness Rais 3.2 μm.The technological gap involvingfast&accurate processingofspherical surface on the lathes is filled up.

軸端；凹球面；車削技術；研究與應用

ShaftEnd；Concave SphericalSurface；Turning Technology；Research and Application

TH162

A

1672-0555（2016）01-012-05

2015年9月

陳立新（1967—），男，本科，高級技師，主要從事機械制造工作