細長拉刀加工過程的優化

王章琴

（貴州華工精密工具智造有限公司，貴州 貴陽 550025）

0 引言

拉刀是汽車、工程機械、風機、航空航天等領域中不可缺少的一種切削刀具，拉刀屬于成形刀具，一次拉削成活，要保證形狀精度和表面質量。而細長拉刀多用于加工直徑不大而較長的工件。細長拉刀具備剛性差、變形大的特性，在設計、加工、運輸過程中都存在極大的困難。細長拉刀在加工中存在疵病較多，如跳動、彎曲、產生竹節、波紋、錐度、斷裂及變形等[1]。所以在加工時裝夾、進刀量、旋轉力、夾持力及砂輪選取等都有嚴格要求，不僅設備要求高，而且對操作者的要求更高，用以往的加工方式是不能滿足此類拉刀的生產加工，但此類拉刀在市場上占有一定的比例。查閱了大量的文獻，未見有相關報道，因此，筆者嘗試制做。由于此類拉刀從選材料、設計參數、每道工序的加工方式都要求思路清晰，因此，經過反復試制證明了生產出來的細長拉刀可以避免產生竹節、波紋、錐度、彎曲、圓度及圓柱度等現象，滿足拉刀技術條件精度及表面質量的要求，為市場帶來經濟效益。在車工序及磨工序做了加工方式的優化，主要在裝掐、車削方式、磨削方式、進刀量、支承方式、旋轉力、砂輪選取等方面做優化改進[2]。

1 細長拉刀車削難加工特點

1.1 細長拉刀剛性差

細長的拉刀剛性很差，由于自重下垂，高速旋轉時的離心力、車削時的切削力易使其產生彎曲變形[3]。車削時因裝夾不當，很容易因切削力及重力的作用而發生彎曲變形，產生振動，從而影響表面粗糙度和加工精度。

1.2 細長拉刀散熱性差

細長拉刀熱擴散性差、在車削熱作用下，會產生相當的線膨脹，如果拉刀的兩端支承不當，則拉刀會因伸長而頂彎變形。

1.3 細長拉刀幾何形狀

由于拉刀較長，一次走刀時間較長，刀具磨損較大，從而影響拉刀的幾何形狀精度形狀。

1.3.1 細長拉刀凹凸心

車細長拉刀時由于使用跟刀架，若支承拉刀的兩個支承塊對拉刀壓力不適當，會影響加工精度。若壓力過小或不接觸，就不起作用，不能提高拉刀的剛度。若壓力過大拉刀被壓向車刀，切削深度增加，車出直徑就小[4]。如圖1 所示。

圖1 拉刀外徑內凹、外凸形狀

1.3.2 細長拉刀竹節狀

當跟刀架繼續移動后，支承塊支承在小直徑外圓處，支承塊與拉刀脫離，切削力使拉刀向外讓刀，切削深度減小，車出的直徑變大，以后跟刀架又跟到大直徑外圓上，又把拉刀壓向車刀，使車出直徑變小，這樣連續有規律的變化就把細長的拉刀變成“竹節狀”，如圖2 所示。

圖2 拉刀竹節狀

1.4 車細長拉刀的改進措施

由于細長拉刀剛性很差，在加工中極易變形，對加工精度和加工質量影響很大。為此，生產中常采用下列措施予以解決[3-4]。1.4.1 裝夾方法的改進

改進工件的裝夾方法：粗車時，由于切削余量大，拉刀受的切削力也大，一般采用卡頂法，尾座頂尖采用彈性頂尖，可以使拉刀在軸向自由伸長。但是，由于頂尖彈性的限制，軸向伸長量也受到限制，因而頂緊力不是很大。在高速、大用量切削時，有使拉刀脫離頂尖的危險。采用卡拉法可避免這種現象的產生。精車時，采用雙頂尖法（此時尾座應采用彈性頂尖）有利于提高精度，其關鍵是提高中心孔精度。

使用三爪跟刀架：跟刀架有三個支撐爪，車削時拉刀被夾持在三個跟刀爪和車刀之間，組成兩對徑向壓力，限制拉刀上下、左右移動，只能繞軸線旋轉，故能有效地減少切削振動和拉刀變形。但必須注意仔細調整，使跟刀架的中心與機床頂尖中心保持一致。如圖3 所示。

圖3 三爪中心架車削

1.4.2 切削方式的改進

反向切削：所謂反向切削就是指加工過程中車刀從卡盤方向向尾座方向移動。這是切削細長拉刀的關鍵所在，尤其是切削小直徑細長拉刀。另外正向切削對設備精度要求高，即主軸中心與尾座中心的偏差要調整在0.02 mm 以內，否則車出的光杠會出現很大的錐度，不符合質量要求[5]。

1.4.3 切削刀具改進

采用車削細長拉刀的車刀：車削細長拉刀的車刀一般前角和主偏角較大，以使切削輕快，減小徑向振動和彎曲變形。粗加工用車刀在前刀面上開有斷屑槽，使斷屑容易。精車用刀帶有一定的負刃傾角，使切屑流向待加工面，減少摩擦。

細長拉刀的剛度較低，在磨削力的作用下，工件會產生彎曲變形和振動，使工件產生形狀誤差(如腰鼓形、錐度、鞍形、彎曲)，多角形振痕和徑向圓跳動及跨棒距難以達到要求等缺陷。

2 細長拉刀磨削難加工特點

2.1 細長拉刀變形原因分析

在加工過程中，由于中間工藝過程控制不當而造成細長拉刀彎曲變形的原因主要有以下幾點：

（1）磨削溫度：磨削中拉刀受熱產生變形，甚至會使拉刀卡死在頂尖間而無法加工。

（2）磨削力：細長拉刀本身剛性差，拉刀受磨削力作用而彎曲，從而引起振動，影響拉刀精度和表面粗糙度。

（3）磨削振動：拉刀高速旋轉時，在離心力作用下，會加劇彎曲與振動。

2.2 細長拉刀的主要質量缺陷

2.2.1 工件表面產生多角形波紋

該缺陷是在拉刀表面沿母線方向有一條條直線痕跡，自拉刀橫剖面來看，周邊呈近似正弦波的曲線其產生原因：

（1）振動：在細長拉刀磨削過程中，由于拉刀與頂尖系統剛性較差，當砂輪不平衡或砂輪修整得不夠鋒利時、砂輪與拉動間的磨擦加劇，就會引起振動。

（2）砂輪磨損不均勻。

（3）砂輪或拉刀支承松動。

2.2.2 拉刀表面產生螺旋形波紋

螺旋形波紋是指拉刀表面上出現螺旋狀很淺的波紋痕跡。

其產生的原因：

（1）砂輪工作表面凸凹不平。

（2）機床剛性影響。

（3）其他因素：磨削進給量太大，縱向進給量太大，或砂輪主軸有軸向竄動，都可能產生螺旋形波紋。此外、工作臺導軌潤滑油壓過大，使工作臺縱向移動產生漂浮和擺動，也會造成拉刀表面的螺旋形波紋。

2.2.3 拉刀圓柱度超差

拉刀在磨削后產生的錐度、鼓形、鞍形、彎曲都可能使拉刀的圓柱度超差。

（1）錐度：頭架和尾架頂尖中心線與工作臺運動方向不平行，將使工件產生錐度。

（2）鼓形：由于拉刀剛性不足，或中心架調整不正確，磨削用量過大，使拉刀產生彈性變形而出現鼓形。

（3）鞍形：磨削低剛度細長拉刀時、頂尖頂得過緊、或中心架水平支承壓力過大，造成拉刀彎曲，以致中部磨去較多，使拉刀呈鞍形。

（4）彎曲：當磨削用量太大時，拉刀過度發熱，而冷卻又不充分、不及時、不均勻、使拉刀產生內應力，以致冷卻后產生彎曲變形。

2.2.4 拉刀圓度超差

拉刀中心孔形狀不正確，孔內有污垢或已磨損；頂尖在主軸和尾架套筒錐孔，內貼合不緊；工件頂得太緊或太松；砂輪主軸或頭架主軸的徑向跳動過大，這些因素都可能使拉刀圓度超差。另外，拉刀剛性差或余量不均時，在磨削力的作用下易產生彈性變形，結果使磨削表面出現圓度誤差復映現象。

通過對上細長拉刀質量缺陷的分析，長期的實踐總結我們采取了以下幾種措施對細長拉刀磨削質量進行了有效的控制。

2.3 作好磨削前的準備工作

校直：細長拉刀有熱校和冷校直兩種方法。熱校比冷校理想。校直后的彎曲度應控制在0.10/800 mm 內。

中心孔：中心孔是細長拉刀的基準，細長拉刀經過熱處理后，中心孔將會產生變形，應對中心孔進行研磨，使其60°錐度和圓度達到標準要求。

檢修機床：保證檢修后的外圓磨床各項精度達到出廠技術要求。

調整機床：主要是調整頭架和尾架間的中心距離，將拉刀頂在兩頂尖間，保證支撐和頂緊力合適。如果尾頂尖是彈簧式的，可使彈簧頂尖壓縮0.5～1.5 mm。

檢查拉刀：先用百分表對細長拉刀的全長作徑向跳動檢查，再用千分尺檢查拉刀的磨削余量是否足夠，再根據工藝要求檢查各項尺寸和技術要求。

2.4 合理選擇砂輪及磨削用量

2.4.1 砂輪的選擇

根據細長拉刀材料的不同，選擇不同磨料、硬度、粒度的砂輪。磨細長拉削的砂輪硬度應稍軟，粒度稍粗為好[5]。

2.4.2 切削用量的選擇

細長拉刀磨削選擇切削用量應遵循以下幾個原則：

（1）修整砂輪時的走刀量，切深均比一般磨削大而深，這樣可使砂輪的表面比較粗糙，以增強切削性能。

（2）磨削時拉刀的轉速較低，精磨時更低，可減少細長拉刀因旋轉而產生的振動；走刀量較大，以便將一部分徑向力轉化為軸向力，減小徑向力。

（3）磨削時切深用雙行程來達到。因拉刀轉速低，走刀量大，拉刀表面與砂輪表面在單位時間內和單位面積上的切削量就相應地減少；用往復次數來彌補。

（4）裝上拉刀時，看拉刀是否松緊合適，細長拉刀要稍頂緊點。頂上后手轉動有些阻力就可以，但要能轉動，轉不動也不行。否則，在磨削時就會產生偏磨現像。

（5）細長拉刀每隔三分之一上一個護架磨支承；進刀量保持0.02 ～0.03 mm；如果進刀時出現磨偏用表打看是否有跳動；可用手輕輕頂上，別用太大力。如圖4所示。

圖4 多個支承磨外圓

（6）手頂上看見一點點火花就可以。每一次磨圓也不要急，多走幾次刀就可以了，但是隨時打表看跳動。注意公差量；砂輪別走太快，否則容易跑偏不易修正；注意砂輪別修的太粗了。

（7）細長拉刀在拉刀磨削齒槽時，與外圓磨削一樣，但拉刀開槽時容易出現拉刀反彈變形，拉刀每開5～10 槽時加掉拓一個。如圖5 所示。

圖5 掉拓法磨容削槽

（8）花鍵齒形磨削時，為了保證拉刀跨棒距的一致性及拉刀螺旋度，采用多支承點的方法加工，多組頂針檢測拉刀的跨棒距方法進行。如圖6 所示。

圖6 多支承磨花鍵齒形

3 結語

拉刀是刀具生產中不可或缺的一種切削刀具，其中細長拉刀占據一定比例。在細長拉刀加工過程中，要保證拉刀精度要求及表面質量，保證拉刀表面剛性強度。對于細長拉刀的制造，它不僅需要滿足細長拉刀性能要求，還要保證精度要求，以確保細長拉刀的質量。在細長拉刀的制作過程中要采用可靠的設備進行，同時還要在保證細長拉刀的精度和性能的前提下，使細長拉刀能夠達到設計及加工要求。