細長軸切削加工工藝方案研究*

2020-10-26 09:00:32梁滿營吳鑫鑫葛新鋒

機電工程技術 2020年9期

梁滿營，吳鑫鑫，葛新鋒

（許昌學院工程訓練中心，河南許昌 461000）

0 引言

在機械加工中，一般將長度與直徑之比（L/D）大于20的軸類零件稱為細長軸[1]。由于細長軸剛性差，在加工過程中由于切削力和切削熱的作用，容易產生彎曲變形，改變規劃的刀具和零件相對運動軌跡，加工后也常常會出現竹節、凸肚、錐形等加工缺陷[2]，使工件尺寸精度和表面粗糙度達不到設計要求，廢品率高，效率低。

為解決上述問題，國內外眾多學者做了多方面研究，提出了一系列解決方案。劉旭[3]在研究細長軸加工時將尾座頂尖換成彈性回轉頂尖，有效避免尾座頂尖卡死現象。黃小東等[4]為了解決細長軸加工中振動較大，對心不準，表面質量差的問題，設計了一種雙頭帶錐度車削專用機床，大大提高了生產效率。馬伏波等［5］建立了正向走刀和反向走刀車削細長軸誤差計算數學公式，為提高加工精度提供了理論依據。王小翠等[6]分析了裝夾方式對工件撓曲變形的影響，提出了切削用量優化及加工變形誤差補償方案，實現柔性工件的高效精密數控加工。胡月明[7]提出了采用數控隨動支架控制細長軸的撓度變形，保證了背吃刀量在切削過程中的穩定性，進而保證加工精度。韓榮第等[8]設計了專用的跟刀架，使工件的加工精度和表面粗糙度得到大幅度提高。Shawky等[9]設計了傳感器實時監測細長軸的壁厚，對車刀的切削位置進行閉環控制，來提高細長軸的加工質量。Choudhury等[10]設計了刀具在線振動檢測及減振系統，通過光纖傳感器，將測量的刀具相對于工件的變化位移傳遞給振動控制組件，振動控制組件產生力來減小這種變化以此減少振動。學者的研究成果在一定程度上解決了細長軸加工中的一些問題，但某公司在做“分揀工作站”項目時，需要細長軸，現有方案要么條件不具備，要么方案不可行。

因此，在加工該軸時，減小加工裝夾時的長徑比，加工另一端時配合軟爪，在零件出現尺寸超差時靈活運用圓弧插補和直線插補相結合的插補方式進行編程。利用現有機床設備，該工藝方案可加工出符合設計要求的細長軸。

1 工藝規劃方案

1.1 找中心位置，鉆中心孔

在細長軸類零件的切削加工中，中心孔屬于精基準，是其他工序的一個基本保障。因此中心孔關乎到軸類零件加工中的工序余量、頂尖的使用、零件的不平衡量、以及由此影響的零件精度。

通過精準調整機床的夾具定位和機床主軸的位置關系，以保證零件與刀具的正確位置，找出細長軸類零件支撐軸徑的幾何中心，并在此位置上加工出中心孔。三爪卡盤夾持細長軸毛坯件時，要避開卡爪夾持到毛坯件上的毛刺毛邊，造成毛坯件的幾何中心線和機床主軸中心線不重合。毛坯件要避免伸出主軸太長，車刀平毛坯端面時刀具沿直徑方向切削，若毛坯件伸出過長，毛坯件的震動就會很大，容易振斷刀尖，刀具磨損發熱也比較厲害，影響刀具壽命，而且加工出來的端面粗糙度大；平端面完成后，用尾座上裝夾的中心鉆鉆削中心孔，也會因為毛坯件伸出過長，致使中心鉆在鉆削時容易折斷。毛坯件一般伸出主軸頭5～10 mm即可，只要能將端面加工好，鉆出中心孔，伸出的長度越短越穩定。

1.2 一夾一頂

在切削加工中，常見的裝夾方式如圖1 所示。三爪卡盤夾緊、一端用三爪卡盤，另一端用彈性頂尖、兩端都用彈性頂尖。分別建立刀尖接觸工件處的撓度方程，即式（1）～（3），根據撓度方程繪制撓度曲線如圖2 所示。由圖2 可以看出，選用一夾一頂的裝夾方式具有最好的裝夾效果。

圖1 工件的裝夾方式

1.3 使用開口鋼絲圈

在毛坯件的外圓套上一直徑為4～5 mm 的開口鋼絲圈，充當墊片。開口鋼絲圈在卡爪內側的凹槽中，以防止滑脫，如圖3所示。使用開口鋼絲圈，可以防止因工件輕微彎曲，卡盤夾緊，尾座頂尖頂緊，在卡爪處和尾座頂尖處產生附加彎矩。

圖2 三種裝夾方式下的工件撓度變化曲線

圖3 鋼絲圈位置示意圖

1.4 軟爪夾持已加工表面

在數控車床上采用三爪卡盤夾持工件，會夾傷已加工零件表面、產生不規則變形、定位精度不高、零件的同軸度難以保證等問題。將原有三爪卡盤中的硬爪更換成軟爪，如圖4 所示，并對軟爪的夾持面進行修整。

軟爪的材質硬度低于夾持工件的硬度，不易夾傷工件表面，同時可以根據不同零件設計、加工成不同裝夾直徑和形狀，減小卡爪對零件表面的局部壓強，使得零件不易產生變形，很大程度上提高了零件的裝夾穩定性與定位精度。在部分零件一次裝夾不能完成加工，需要二次裝夾加工時，軟爪可以有效地解決二次裝夾時形位公差的問題，節省了反復校正的輔助時間，提高加工效率。

圖4 軟爪結構示意圖

1.5 巧用圓弧插補和直線插補

數控車床在加工細長軸時常用的直線插補方式是“只沿Z向插補”方式，由于剛性差，在切削加工過程中，會使加工出的零件出現錐形和腰鼓形等形狀。解決的方法是，用圓弧插補或直線插補中“與X軸（或Z軸）有一定夾角插補”方式代替原來的“只沿Z 軸插補”的直線插補方式。具體分兩種情況。（1）插補起點直徑到插補終點直徑一直在增大（或減小）。如起點坐標為X15 Z0，直線插補指令G1 X15 Z-20，加工結束后，測得，插補起點直徑為15 mm，插補終點直徑為15.05 mm，此時可以將直線插補指令更換成G1 X14.95 Z-20后再次運行程序。若起點坐標為X15 Z-150，直線插補指令G1 X15 Z-170，加工結束后，測得，插補起點直徑為15.05 mm，插補終點直徑為15 mm，此時可以將起始坐標更換成X14.95 Z-150后再次運行程序。（2）插補起點直徑到插補終點直徑呈現先增大后減小，也就是腰鼓形。如起點坐標為X15 Z0，直線插補指令G1 X15 Z-20，加工結束后，測得，插補起點直徑為15 mm，插補中間位置直徑為15.05 mm，插補終點直徑為15 mm，此時可以將直線插補指令更換成圓弧插補指令G2 X15 Z-20 CR=1 000.025 后再次運行程序。這里的CR=1 000.025是圓弧插補的半徑值，如圖5所示。

圖5 圓弧插補代替直線插補消除鼓形

1.6 使用冷卻液

在加工過程中必須使用冷卻性能以及潤滑性能良好的冷卻液。要將開啟冷卻液的代碼指令放在最前邊，等冷卻系統正常噴出冷卻液冷卻時再按啟動按鈕切削加工。待加工結束時，冷卻液關閉的代碼指令也應放在最后，確保工件充分冷卻。整個過程中冷卻液保持冷卻狀態，既保證了較低的環境溫度，又對加工結束后的尺寸測量創造好的環境條件，避免因溫度的原因而導致的測量誤差。