細(xì)長(zhǎng)軸零件的數(shù)控車(chē)削技術(shù)

東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心 （遼寧 沈陽(yáng) 110004） 張立君 張樹(shù)軍 劉春城 劉 悅 張國(guó)斌

細(xì)長(zhǎng)軸零件的數(shù)控車(chē)削技術(shù)

東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心 （遼寧 沈陽(yáng) 110004） 張立君 張樹(shù)軍 劉春城 劉 悅 張國(guó)斌

如圖1所示拉伸試件零件，其長(zhǎng)度L與直徑d之比大于或等于25時(shí)，稱(chēng)為細(xì)長(zhǎng)軸，由于細(xì)長(zhǎng)軸零件本身剛性差（L/d值越大，剛性越差），歷來(lái)是車(chē)削加工中的難題，在數(shù)控車(chē)床上車(chē)削過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)更多的問(wèn)題：①切削時(shí)極易產(chǎn)生彎曲變形、振動(dòng)，影響加工質(zhì)量和刀具壽命。②在加工脆性金屬材料的細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，由于不便使用切削液，熱伸長(zhǎng)使零件產(chǎn)生彎曲變形，嚴(yán)重時(shí)在刀具徑向切削力的作用會(huì)使零件在頂尖之間卡住或折斷，造成事故。③使用增加剛性的支承附件（中心架、跟刀架）時(shí)，支承爪與工件接觸壓力過(guò)大時(shí)，零件出現(xiàn)竹節(jié)形；接觸壓力過(guò)小時(shí)，支承附件起不到支承作用，零件出現(xiàn)多棱形。④刀具斷屑不理想時(shí)，長(zhǎng)的切屑會(huì)纏繞在零件、刀具、支承附件上，影響表面質(zhì)量和切削的順利進(jìn)行，也會(huì)損壞刀具。⑤尾座上的頂尖與主軸軸線(xiàn)有很細(xì)微的不重合時(shí)，零件就會(huì)形成圓錐輪廓，使直徑尺寸和圓柱度超差，也會(huì)影響跟刀架的接觸程度。⑥在加工特細(xì)小軸類(lèi)零件時(shí)，受毛坯尺寸和零件形狀限制，無(wú)法使用增加剛性的裝置，零件會(huì)出現(xiàn)腰鼓形和振動(dòng)，零件的表面質(zhì)量受到影響。⑦走刀路線(xiàn)長(zhǎng)，刀具易磨損，使零件的圓柱度精度、尺寸精度、表面粗糙度難以保證，并使跟刀架的接觸程度發(fā)生變化，進(jìn)而使零件出現(xiàn)錐度、竹節(jié)、多棱形的缺陷。⑧在數(shù)控車(chē)床上車(chē)削塑性細(xì)長(zhǎng)軸零件，由于防護(hù)罩和切削液的使用，使用手動(dòng)的支承附件，調(diào)整比較困難。刀具的切削過(guò)程不便觀(guān)察，不易掌握加工過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題。

圖1

針對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸零件剛性差，在加工時(shí)易出現(xiàn)振動(dòng)和變形所導(dǎo)致的一系列問(wèn)題，根據(jù)細(xì)長(zhǎng)軸零件的結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量要求、數(shù)控加工的現(xiàn)場(chǎng)條件和安全可靠性等問(wèn)題，需要研究合理的數(shù)控車(chē)削技術(shù)，其技術(shù)包括：合理制定加工方案；提高工藝系統(tǒng)（零件及裝夾方法、刀具的安裝、機(jī)床、夾具）剛性；確定合理的切削用量；合理選擇車(chē)刀材料及幾何形狀；減少零件的熱伸長(zhǎng)；充分利用數(shù)控機(jī)床的指令編程技巧。以上是在數(shù)控車(chē)床上加工細(xì)長(zhǎng)軸六個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

1.合理制定加工方案

（1）零件精度 對(duì)于精度較高的表面，應(yīng)考慮粗加工時(shí)因夾緊力、切削熱、切削力、內(nèi)應(yīng)力所引起零件變形和松動(dòng)對(duì)加工精度的影響。需要實(shí)行粗精加工分開(kāi)，能夠合理選擇機(jī)床，可以根據(jù)生產(chǎn)條件和機(jī)床狀況，使用精度低、剛性好、動(dòng)力大的機(jī)床進(jìn)行粗加工。選擇精度好的機(jī)床進(jìn)行精加工。

零件同軸度精度不高或加工條件允許時(shí)，可以粗精加工分開(kāi)，兩次裝夾使用接刀車(chē)削方法，每次各裝夾略小于零件的一半，第二次裝夾使用夾簧或自制對(duì)開(kāi)夾套，能夠有效解決因零件剛性差所出現(xiàn)的問(wèn)題。

（2）走刀路線(xiàn) 為了減少或消除切削時(shí)振動(dòng)和變形，采用一夾一頂+支承附件方式裝夾時(shí)，粗車(chē)時(shí)應(yīng)從床頭向尾座方向低轉(zhuǎn)速大進(jìn)給量的反向走刀車(chē)削，使縱向切削力沿零件軸線(xiàn)趨向尾座方向，由于軸向力拉緊零件，相當(dāng)于增加了零件的實(shí)際剛度，并且能夠避免零件軸向移位。如果使用一夾一拉+支承附件方式裝夾，正向和反向車(chē)削法均可使用。加工臺(tái)階軸時(shí)，實(shí)施先近后遠(yuǎn)，不僅使加工路線(xiàn)短，減少空走刀時(shí)間，更主要的是能夠保證零件的剛度，并減少跟刀架與頂尖刮碰的可能。

2.提高工藝系統(tǒng)剛性

（1）提高零件的剛性 數(shù)控車(chē)削塑性細(xì)長(zhǎng)軸零件時(shí)，生產(chǎn)及工藝條件允許時(shí)，塑性材料的毛坯備料，應(yīng)多采用冷軋或熱軋棒料，并且先安排調(diào)質(zhì)熱處理工藝，后進(jìn)行毛坯校直，使粗加工余量均勻，減少切削力變化對(duì)零件形狀精度的影響，這樣不僅減少加工工序，調(diào)質(zhì)熱處理也能夠提高零件的剛性。

（2）選擇合適的裝夾方法 要選擇正確的裝夾方法以保證加工質(zhì)量和安全，以外圓為定位基準(zhǔn)和裝夾表面不僅裝夾快速可靠，也能保持零件一定的剛性，所以加工細(xì)長(zhǎng)軸多以外圓定位，采用卡盤(pán)裝夾。水平床身機(jī)床可以使用支承附件增加剛性。傾斜床身機(jī)床可以加裝可編程液壓自動(dòng)定心中心架。零件長(zhǎng)徑比較小時(shí)，選擇使用一夾（自定心卡盤(pán)或單動(dòng)卡盤(pán)）一頂（彈性活動(dòng)頂尖）+支承附件方式裝夾，長(zhǎng)徑比較大時(shí)，毛坯備料時(shí)，要留有足夠的裝夾長(zhǎng)度，以能夠使用一夾一拉+跟刀架（中心架）方式裝夾。為了避免零件夾緊后，和后頂尖的中心線(xiàn)不同心，使零件產(chǎn)生彎曲，卡爪夾持部分應(yīng)較短，以避免產(chǎn)生過(guò)定位。粗加工采用正向切削時(shí)，零件可能產(chǎn)生軸向移位，需要使用軸向限位裝置。

使用兩頂尖裝夾雖然易保證同軸度精度，但是剛性差，彎曲變形較大，而且容易產(chǎn)生振動(dòng)。因此只適宜于安裝長(zhǎng)徑比不大、加工余量較小、同軸度要求較高的工件。條件允許時(shí)，在粗加工工序，最好選用浮動(dòng)卡盤(pán)，以浮動(dòng)卡盤(pán)+雙頂尖裝夾，使用這種浮動(dòng)夾緊的方式可以讓卡爪在夾緊過(guò)程中自動(dòng)適應(yīng)不規(guī)則的軸頸外圓或毛坯面，從而避免過(guò)定位，同時(shí)也使夾緊牢固可靠。使用雙頂尖裝夾，兩端中心孔的長(zhǎng)度尺寸要求控制準(zhǔn)確，否則在數(shù)控加工時(shí)，會(huì)造成工件的軸向尺寸超差，甚至出現(xiàn)撞刀事故。

（3）提高刀具的剛性 刀具安裝時(shí)，可以手動(dòng)刀架觀(guān)察刀具在頂尖、尾座、卡盤(pán)、支承附件的極限位置，在其他刀具不產(chǎn)生干涉的基礎(chǔ)上，使刀具伸出的長(zhǎng)度盡量短；使用剛性較好的刀桿，如采用切向剛度較高的彈性刀桿，不使用刀墊或只用一片刀墊。

（4）提高機(jī)床的剛性 主軸的跳動(dòng)精度盡量小，條件允許可以使用傳動(dòng)部件磨損小，主軸剛度高的機(jī)床，也可以調(diào)整主軸軸承軸向和徑向間隙，使其間隙盡量小，減少切削時(shí)的跳動(dòng)。

（5）提高夾具的剛性 使用精度高、剛性好的刀架，同時(shí)刀架的底面接觸要良好；支承附件的支承爪應(yīng)施力均勻，使松緊適度、接觸良好；使用自定心卡盤(pán)跟刀架；卡盤(pán)爪的跳動(dòng)盡量??；使用精度高的活動(dòng)頂尖；頂尖體表面接觸良好、跳動(dòng)小。

（6）減振 在加工過(guò)程中，采用適宜的減振裝置。

3.切削用量的合理選擇

切削用量的選擇，在保證表面粗糙度和加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)該考慮如何減少和避免振動(dòng)、變形為切削用量的第一考慮因素。

（1）切削速度ν 由試驗(yàn)證明：車(chē)削時(shí)，ν在20～60m/min范圍內(nèi)易產(chǎn)生自振，且振幅最大，ν低于或高于此范圍，振動(dòng)減弱，為此，車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸的切削速度應(yīng)在低速（＜5m/min）或高速（＞80 m/min）之間選擇。此外，還可以通過(guò)周期性小幅改變主軸轉(zhuǎn)速來(lái)消除再生自振。

（2）進(jìn)給量f 通過(guò)試驗(yàn)，車(chē)削時(shí)隨著進(jìn)給量的增大，振動(dòng)減弱；在進(jìn)給量較小時(shí)，振動(dòng)增大。所以，切削用量的三個(gè)指標(biāo)中，首先應(yīng)該選取較大的進(jìn)給量，不僅減少走刀時(shí)間，更能減少振動(dòng)，提高刀具耐用度。

（3）背吃刀量ap選取較大的背吃刀量，雖然能夠使刀具避開(kāi)毛坯硬皮，減少走刀時(shí)間。但相應(yīng)使切削力增大，大的切削力在零件剛性差時(shí)，振動(dòng)不可避免會(huì)發(fā)生。且車(chē)削時(shí)背吃刀量愈大，振動(dòng)和變形也相應(yīng)增大。所以，在考慮加工效率時(shí)，應(yīng)該通過(guò)選取較大的進(jìn)給量來(lái)彌補(bǔ)減少背吃刀量而增加的走刀次數(shù)。

4.刀具的選擇

（1）刀具的材料 針對(duì)數(shù)控車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸零件走刀時(shí)間長(zhǎng)、不宜使用較高的切削速度、能夠連續(xù)充分使用切削液、切削時(shí)易振動(dòng)、刀具需要具有鋒利切削刃等情況，綜合性能、價(jià)格、刀具壽命幾方面因素，應(yīng)該選擇耐磨性好、抗彎強(qiáng)度高的材料加工細(xì)長(zhǎng)軸零件。

由于車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸的切削速度相對(duì)較低，使用各種陶瓷材料時(shí)，不僅不能發(fā)揮其適宜高速切削的優(yōu)勢(shì)，在低速切削時(shí)由于其韌性相對(duì)較差，反而易崩刃。涂層硬質(zhì)合金材料刀具刀尖有鈍化處理，切削刃不鋒利，會(huì)造成較大的徑向切削力和振動(dòng)，所以不是高速切削時(shí)，不建議使用陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金材料。除在低速切削時(shí)，可以選擇耐磨性好的高速鋼材料外，一般選擇普通硬質(zhì)合金、細(xì)晶粒硬質(zhì)合金中等抗彎強(qiáng)度高的材料。鎢鈷鈦（YT）硬質(zhì)合金雖然適合加工塑性材料，但YT15、YT30等牌號(hào)抗彎強(qiáng)度低，在切削時(shí)，若有振動(dòng)，則更易崩刃，會(huì)造成零件截面尺寸突然增大，使跟刀架的跟緊程度驟然變化，使切削變壞。所以不建議使用上述兩種牌號(hào)。

車(chē)削塑性材料時(shí)能夠連續(xù)使用切削液，使切削溫度較低，切削熱對(duì)刀具的影響較小，且在加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，切削速度相對(duì)較低，所以鎢鈷（YG）、鎢鈦鉭（鈮）鈷（YW）兩類(lèi)硬質(zhì)合金盡管耐磨性不如鎢鈷鈦材料，但在加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，其韌性好、抗彎強(qiáng)度高的特點(diǎn)反而更有利于切削，且容易刃磨出鋒利的切削刃。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以使用YG、YW兩類(lèi)硬質(zhì)合金中的硬度高、耐磨性好的牌號(hào)，如YG6、YG3、YW1、YW2；成批生產(chǎn)時(shí)，也可使用細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金，如：YG3X、YG6A、YG6X、YD05、YM051、YS2等，以提高刀具的壽命。

（2）刀具的結(jié)構(gòu) 基于減少刀具磨損，提高刀具壽命度，保證加工精度，減少換刀時(shí)間的原則，最好選擇機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車(chē)刀，刀尖的過(guò)渡刃和圓弧半徑盡量小。使用焊接式刀具時(shí)，應(yīng)該選擇耐磨性好、抗彎強(qiáng)度高的牌號(hào)，能夠刃磨出所需的形狀和切削角度，以減少刀具磨損、崩刃而導(dǎo)致的換刀時(shí)間。

對(duì)于粗車(chē)刀，為了減小車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生的彎曲變形，要求車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的切削力越小越好，而在刀具的幾何角度中，前角、主偏角和刃傾角對(duì)切削力的影響最大。前角的大小直接著影響切削力、切削溫度和切削功率。增大前角，可以使被切削金屬層的塑性變形程度減小，切削力明顯減小。所以在細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削中，在保證車(chē)刀有足夠強(qiáng)度前提下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γo=15°～30°，不僅有效減少振動(dòng)，有利于斷屑，也能保持刀具一定的剛度；后角適當(dāng)減少，有利于減振。一般后角αo取2°～3°為宜，能夠提高刀具的剛性，減少振動(dòng)；選擇大的主偏角，使徑向切削力明顯減小，在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，一般采用大于80°的主偏角，使用中心架、跟刀架車(chē)削光軸時(shí)，主偏角κr選取在85°～90°；為了減少刀具副后刀面與已加工表面的摩擦而引起的振動(dòng)；副偏角可以加大至20°～60°；刃傾角λS影響著車(chē)削過(guò)程中切屑的流向、刀尖的強(qiáng)度及3個(gè)切削分力的比例關(guān)系。隨著刃傾角的增大，徑向切削力明顯減小，在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，常采用正刃傾角λS=3°～10°，以使切屑流向待加工表面。

對(duì)于精車(chē)刀，高速車(chē)削特細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，可以選用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位精車(chē)刀，刀片材料為T(mén)i（CN）金屬陶瓷，牌號(hào)為T(mén)N60，不僅硬度及耐磨性較高，其抗彎強(qiáng)度要高于其他金屬陶瓷材料。刀片為V形，前角γo=5°，后角αo=10°，λS=0°，刀尖角εr=35°，該刀尖帶有rε=0.3mm的圓弧修光刃。精車(chē)時(shí)，使加工表面穩(wěn)定達(dá)到Ra=0.4～0.8μm。低速精車(chē)時(shí)，可以使用寬刃細(xì)長(zhǎng)軸精車(chē)刀，刀具材料：YG6。還可以是高速鋼和其他鎢鈷類(lèi)、鎢鈦鉭（鈮）鈷兩類(lèi)硬質(zhì)合金。刀桿最好使用彈性彈簧刀桿，以利于減振。

（3）刀具的安裝 安裝粗車(chē)刀時(shí)，刀尖應(yīng)高于零件中心0.3～0.8mm，使車(chē)刀后面與零件有輕微的接觸，增加了切削過(guò)程中的穩(wěn)定性；安裝寬刃精車(chē)刀時(shí)，刀刃應(yīng)低于零件中心0.2～0.5mm，使車(chē)刀的實(shí)際工作后角增大，減少對(duì)零件的摩擦，提高零件的表面質(zhì)量，也能防止刀刃啃入零件。使用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車(chē)刀加工光軸時(shí)，若有跟刀架支撐，刀頭安裝向右傾斜一定角度，使車(chē)刀的主偏角κr小于90°，在85°～90°，使刀具切削時(shí)有一定的徑向切削力使零件頂在跟刀架上，以避免零件跳動(dòng)引起切削振動(dòng)和扎刀。

5.減少零件的熱伸長(zhǎng)

（1）合理使用切削液 由于防護(hù)罩的存在，為在數(shù)控機(jī)床上充分使用切削液提供了可靠的保證，在車(chē)削塑性材料時(shí)，一定要使用切削液，不僅有利于斷屑，并可以避免材料軟化形成積屑瘤，非常有效地減少零件熱伸長(zhǎng)和變形，明顯降低零件表面粗糙度，提高刀具壽命，同時(shí)對(duì)中心架和跟刀架進(jìn)行潤(rùn)滑。由于細(xì)長(zhǎng)軸零件剛性差，為了避免切削變形，即使粗加工時(shí)，其背吃刀量也不宜過(guò)大，切削速度較低，因此，無(wú)論是粗加工或精加工，均使用潤(rùn)滑為主的切削液，如極壓切削油、較高濃度極壓乳化液等。使用時(shí)，宜采用大流量連續(xù)澆注的方法，以便同時(shí)對(duì)刀具和支承附件進(jìn)行潤(rùn)滑。

（2）使用彈性活動(dòng)頂尖 采用一夾一頂方式裝夾零件時(shí)，最好使用彈性活動(dòng)頂尖支承，能夠有效減少零件熱伸長(zhǎng)所造成的強(qiáng)迫彎曲。在加工脆性細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件時(shí)，由于不便使用切削液，零件的熱伸長(zhǎng)不可避免，所以，一定使用彈性活頂尖，以減少零件的熱伸長(zhǎng)對(duì)零件形位精度的影響，保證切削的順利進(jìn)行。

6.編程技巧的應(yīng)用

車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸零件，走刀路線(xiàn)長(zhǎng)，切屑極可能纏繞在零件、刀具、支承附件上，損壞刀具、劃傷已加工表面，影響切削的順利完成，車(chē)削時(shí)，除了以合理的切削用量和斷屑槽進(jìn)行斷屑外，也可以使用“G04”暫停指令進(jìn)行程序斷屑；使用機(jī)床操作面板上的“進(jìn)給保持”功能在不停機(jī)狀態(tài)下，調(diào)整支承附件、頂尖的接觸程度；使用“M00” 暫停指令和“M01”選擇停指令進(jìn)行尺寸檢查、調(diào)整卡盤(pán)夾緊力、支承附件、頂尖的支承程度；使用一臺(tái)數(shù)控車(chē)床成批加工脆性材料時(shí)，還可以使用“M00”暫停指令進(jìn)行程序暫停，卸下粗加工后溫度較高的留有精加工余量的工件，重新裝夾已冷卻至室溫的工件進(jìn)行精加工，以保證加工精度，減少等待時(shí)間。

受生產(chǎn)條件和零件結(jié)構(gòu)限制，不能使用增加剛性的支承附件時(shí)，零件經(jīng)常出現(xiàn)中間粗、兩頭細(xì)的腰鼓變形，使零件的尺寸和圓柱度超差。在實(shí)際加工時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量零件中間和兩頭的尺寸，計(jì)算出其凸圓弧半徑r，在手工編程時(shí)，采用逆向加工。以加工凹圓的方法，使用G02圓弧插補(bǔ)指令，按G02X(A)Z(B)R(r)凹圓編程，彌補(bǔ)零件的腰鼓變形（走刀軌跡見(jiàn)圖2）。

圖2

尾座上的頂尖與主軸軸線(xiàn)有很細(xì)微的不重合時(shí)，細(xì)長(zhǎng)軸零件就會(huì)形成圓錐輪廓，使細(xì)長(zhǎng)軸零件的直徑尺寸和圓柱度超差。在實(shí)際加工時(shí)，手動(dòng)調(diào)整尾座頂尖與主軸軸線(xiàn)的同軸度一絲不差較為困難，此時(shí)可以通過(guò)編程方法糾正軸線(xiàn)不重合。例如在加工圖1零件時(shí)，經(jīng)過(guò)首件加工，測(cè)量拉伸部分右端尺寸為φ16.00mm，左端尺寸為φ15.95mm，按圖樣尺寸公差要求，出現(xiàn)左小右大的倒錐輪廓，試件的尺寸超差。實(shí)際采取左大右小的正錐輪廓編程，以補(bǔ)償形狀誤差。其精車(chē)程序如下（使用DASEN-3i系統(tǒng)編程）：

…

G01 X16.Z50.F0,07；

G01X16.05 Z450.；（零件左端實(shí)際尺寸車(chē)成φ16.00mm）

…

走刀軌跡如圖3所示。

圖3

7.結(jié)語(yǔ)

在數(shù)控車(chē)床上加工細(xì)長(zhǎng)軸雖然比較困難，但只要抓住車(chē)削特點(diǎn)，充分利用數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸零件的尺寸、形位、表面粗糙度的要求、結(jié)構(gòu)以及毛坯情況，從數(shù)控車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸的六個(gè)關(guān)鍵技術(shù)入手，加工細(xì)長(zhǎng)軸就不再是一個(gè)難題了。

20121212）