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细长轴车削时应注意的问题及方法
Dec 26, 2012  来源:  作者:贵州省机电研究设计院 张国平,梁宁建

      细长轴是指被加工工件长度与直径的比值大于20 以上的轴类零件。因为工件较长,所以刚性较差,在切削过程中容易产生振动,也会因切削热而在长度方向产生变形,由于走完一刀的时间较长,导致刀具的磨损量较大,也致使工件的形位公差精度和表面粗糙度较难达到图纸要求。

 

 

 

      2 车削细长轴应注意的问题

 

      车削细长轴时由于其刚性较差,在加工过程中必须采取正确的装夹方法,选择合适的刀具及切削用量,才能够有效地降低切削过程中产生的切削温度,减小热变形,最终获得满意的加工效果。

 

       2. 1 机床调整

 

       车床主轴中心线与尾座中心线同轴,并与车床大导轨平行,允差应小于0. 02 mm。

 

       2. 2 工件安装

 

       采用两顶尖装夹或用卡盘与顶尖配合装夹,合理地使用中心架或跟刀架作为辅助支承,以增加工件的装夹刚度。用卡盘与顶尖配合装夹时,被夹持部分最好不超过10 mm。

 

       2. 3 刀具

 

      采用主偏角Kr = 75° ~90°的偏刀,选择正刃倾角( λS>0) ,能够减小径向力和振动,还可以使切屑流向待加工表面。保持切削刃口锋利,前角γ0控制在15° ~ 30°之间,副后角α'0控制在4° ~6°之间,刀尖圆角半径r <0. 3 mm。刀具安装应略高于车床主轴中心。

 

       2. 4 辅助支承安装

 

      车削细长轴时,一般都要安装中心架或跟刀架作为辅助支承,来增加工件的刚性,防止工件因振动或因离心力的作用被甩弯。

 

       2. 5 工件热变形伸长

 

       防止工件热变形伸长的方法: a) 使用弹性顶尖( 俗称活动顶针) 。当工件受热伸长时,使顶尖有向后退让的余量,防止工件产生弯曲变形。在切削过程中,应注意对顶尖的调整,以刚顶上工件为宜,不宜紧,并随时观察顶尖的松紧,进行调整。b) 切削时加注充分的切削液,以吸收产生的切削热,同时也使跟刀架爪与工件接触处有良好的润滑。

 

       3 车削细长轴容易产生的缺陷及消除方法

 

      加工细长轴时,在切削力和切削热的作用下,很容易产生诸如径向跳动、弯曲变形等问题及振动波纹、锥度、竹节形、腰鼓形等加工缺陷,严重影响零件的加工精度及表面粗糙度。为了避免这些缺陷的产生,在加工前,通过采现场经验取对机床的调整、对跟刀架及中心架等附件的合理使用、以及对刀具及切削用量的正确选择,以消除加工缺陷的产生。

 

       3. 1 径向跳动

 

      径向跳动的产生主要由机床主轴间隙过大造成,通过对机床主轴进行调整,能够消除由于机床主轴间隙过大而产生的径向跳动。

 

      3. 2 弯曲变形

 

      当细长轴工件已经热校直且加工余量足够,装夹方法也合理,而在车削过程中产生弯曲变形的情况主要是由于切削力过大所致,而在切削过程中产生的切削热会引起工件受热变形伸长,导致细长轴受到轴向挤压而产生弯曲变形。

 

      消除方法:

 

      1) 采用弹性活动顶尖,使细长轴受热后可以自由伸长,减少其受热弯曲变形。

 

      2) 采用双刀切削法抵消车削时产生的径向切削力。
 

      3) 采用跟刀架或中心架作辅助支撑,以增加细长轴的刚度,能够有效地减少径向切削力对细长轴的影响。

 

      4) 采用反向切削法车削消除因轴向切削力引起的弯曲变形,同时采用弹性活顶尖,补偿工件的受压变形和热伸长量,避免工件压弯变形。

 

      5) 选择合理的刀具角度,尽量减少背吃刀量,适当增大进给量,选择合适的切削速度。

 

      3. 3 振动波纹

 

      振动波纹是在切削过程中,工件有规律的振动,其原因主要是跟刀架爪的圆弧面与工件圆弧面接触不良,或跟刀架爪的压力过大或过小; 其次是顶尖轴承松动或圆柱度超差,在开始吃刀时就产生振动及椭圆。

 

      消除方法:

 

      1) 加工前应将跟刀架爪的圆弧面严格按前面所述方法研磨,在走刀过程中要随时检查上爪的压力变化情况,及时调整。如已产生振动,可重新轻走一刀,去掉波纹,再进行切削加工,也可将机床转速降低一些,用手动走刀将有波纹的一段车过去,再进行机动走刀。也可采用三只支承爪的跟刀架支承工件,使工件车削时稳定,不易产生振动。

 

      2) 当发现是顶尖问题造成的振动时,应及时更换精度高的活顶尖。

 

      3. 4 锥度

 

      细长轴加工时产生锥度的主要原因有尾座顶尖与主轴中心不同轴、车床床身导轨与主轴中心线不平行、刀具在切削过程中磨损、工件刚性不够,出现让刀。

 

      消除方法:

 

      1) 车削前,校正尾座顶尖与车床主轴轴线的同心度。

 

      2) 调整车床主轴与床身导轨的平行度。

 

      3) 选择合适的刀具材质和合理的刀具几何角度。

 

      4) 合理使用辅助支承,增加工件的装夹刚性。

 

      3. 5 竹节形

 

      “竹节形”的产生原因,一是由于车床大拖板和中拖板的间隙过大造成,当车刀从跟刀架支承基准处接刀开始切削时,产生“让刀”,使车出的一段直径增大,继续走刀车削,当跟刀架爪接触到工件直径大的一段,使工件的旋转中心压向车刀一边,车出来的工件直径减小。继续走刀,使工件有规律的离开和靠近车刀,形成“竹节形”; 二是由于跟刀架外侧支承爪调整过紧造成,开始车削时,由于靠近尾座顶尖,工件刚性较大,不易变形。随着车刀向前移动,工件刚度逐渐下降,跟刀架爪支持紧力将工件压向车刀,车出工件直径减小。当跟刀架爪走到减小的直径段时,工件向外压向支承爪,结果使车出的工件直径增大。如此循环,也会形成“竹节形”。

 

      消除方法:

 

      1) 调整机床大拖板和中拖板间隙,增强机床刚性。

 

      2) 首次接刀时,在接刀基面多切深( 0. 05 ~ 0. 1) mm,以消除走刀时的“让刀”现象。

 

      3) 适当调整跟刀架爪与工件接触处的压力,使爪面既与工件接触实,又松紧适当。

 

      4) 选择适当的切削用量,减少工件变形抗力。

 

      5) 注意顶尖和顶尖孔的精度,使顶尖对工件的支持力松紧适当。

 

      3. 6 腰鼓形

 

      “腰鼓形”的产生主要是因为工件表面和跟刀架爪接触不良或接触面积过小或爪与工件的接触面磨损过快,工件表面与跟刀架爪之间的间隙越来越大造成的。刚开始吃刀时,跟刀架爪还没有磨损,在工件靠近尾座被顶尖支持住,刚性较大,不易变形。车了一段时间后,跟刀架爪磨损,与工件间形成间隙,工件被车刀的径向力压向跟刀架爪,使吃刀量逐渐变小,导致车出的直径尺寸逐渐变大。切削过程中跟刀架爪磨损不断增大,使工件直径也在逐渐变大。当车过工件中间位置向床头接近的过程中,工件的刚性又逐渐变大,在车削过程中背吃刀量不断增大,所以车出的工件直径尺寸也逐渐变小,直到车到床头,刚性又恢复到刚吃刀时的状态。致使工件被车成“腰鼓形”。

 

      消除方法:

 

      1) 调整工件与跟刀架卡爪的接触压力,使其松紧适当。

 

      2) 选择耐磨性较好的材料制作跟刀架卡爪。

 

      3) 选择合造的切削用量,减小吃刀抗力,以减小加工变形。

 

      4) 车削时采用较高的切削速度,小的背吃刀量和进给量,改善切削系统,增加工艺系统刚性。

 

      4 降低细长轴表面粗糙度的方法

 

      在车床上降低细长轴表面粗糙度的工艺方法有单轮珩磨法和滚压法两种。

 

      1) 单轮珩磨法

 

      在车床对细长轴进行精车后,在工件表面粗糙度没有达到图纸要求的情况下,可采用单轮珩磨法对工件表面进行再加工。这样能使工件表面粗糙度至少降低3 ~ 4级。珩磨轮轴线与车床主轴轴线的夹角一般在28° ~ 30°时效果较好。夹角大效率高,粗糙度大,夹角小效率低,粗糙度低。珩磨轮速度一般为30 m/min ~60 m/min,进给量为0. 5 mm/r ~ 2 mm/r,粗珩时选大值。珩磨轮对工件的压力为150 N ~ 200 N。对于刚性差的工件,应使用跟刀架。珩磨轮的粒度一般为100# ~ 180#,如果表面粗糙度要求高,则珩磨轮的粒度就应细,一般为W40 ~ W20。珩磨时用的润滑液应加入5% ~ 10%油酸的煤油或柴油,也可以用乳化液来进行珩磨过程的润滑。

 

      2) 滚压法

 

      对细长轴进行滚压加工,对降低工件表面粗糙度,提高工件表面硬度和耐磨性效果较好。但由于工件刚性差,必须使用跟刀架,并把跟刀架放在滚压工具的前面,避免拉伤工件表面。滚压次数一般不超过两次,滚压速度为20 m/min ~30 m/min,进给量为0. 1 mm/r ~0. 2 mm/r。采用机油润滑,也可用乳化液润滑。

 

      5 细长轴的校直

 

      一般情况下,由于工件较长,弯曲在所难免。当弯曲量超过1 mm 时就应必须进行校直。细长轴校直的方法一般有热校直和冷校直两种。当工件精度要求较高或坯料直径较大时,应采用热校直。当工件精度要求较低且坯料直径较小时,可采用冷校直。冷校直一般有反向锤击法、杠杆撬压法等。细长轴经冷校直后工件虽不易回弹或复弯,但仍存在内应力,车去表层后还会有弯回的可能。故对坯料直径较小而精度要求较高的工件,在经过冷校直后应该再进行退火处理以消除应力。

 

      对细长轴的校直方法较多,加工时应根据工件精度要求、坯料直径大小等因素采取合理及有效的校直方法,以满足图纸要求。

 

      6 结论

 

      车床加工细长轴在机械加工中较为常见,由于其刚性差,加工时受切削力、切削热等因素的影响,变形较大,很难保证细长轴的加工质量要求。通过采用合适的装夹方式,采取合理的辅助支承和先进的加工方法,同时选择合理的刀具角度和切削用量,是能够保证细长轴的加工质量要求的。

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