細(xì)長軸切削加工工藝方案研究*

梁滿營，吳鑫鑫，葛新鋒

（許昌學(xué)院工程訓(xùn)練中心，河南許昌 461000）

0 引言

在機(jī)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(xì)長軸[1]。由于細(xì)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(chǎn)生彎曲變形，改變規(guī)劃的刀具和零件相對運(yùn)動軌跡，加工后也常常會出現(xiàn)竹節(jié)、凸肚、錐形等加工缺陷[2]，使工件尺寸精度和表面粗糙度達(dá)不到設(shè)計要求，廢品率高，效率低。

為解決上述問題，國內(nèi)外眾多學(xué)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(xì)長軸加工時將尾座頂尖換成彈性回轉(zhuǎn)頂尖，有效避免尾座頂尖卡死現(xiàn)象。黃小東等[4]為了解決細(xì)長軸加工中振動較大，對心不準(zhǔn)，表面質(zhì)量差的問題，設(shè)計了一種雙頭帶錐度車削專用機(jī)床，大大提高了生產(chǎn)效率。馬伏波等［5］建立了正向走刀和反向走刀車削細(xì)長軸誤差計算數(shù)學(xué)公式，為提高加工精度提供了理論依據(jù)。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(yōu)化及加工變形誤差補(bǔ)償方案，實(shí)現(xiàn)柔性工件的高效精密數(shù)控加工。胡月明[7]提出了采用數(shù)控隨動支架控制細(xì)長軸的撓度變形，保證了背吃刀量在切削過程中的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證加工精度。韓榮第等[8]設(shè)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(shè)計了傳感器實(shí)時監(jiān)測細(xì)長軸的壁厚，對車刀的切削位置進(jìn)行閉環(huán)控制，來提高細(xì)長軸的加工質(zhì)量。Choudhury等[10]設(shè)計了刀具在線振動檢測及減振系統(tǒng)，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(chǎn)生力來減小這種變化以此減少振動。學(xué)者的研究成果在一定程度上解決了細(xì)長軸加工中的一些問題，但某公司在做“分揀工作站”項(xiàng)目時，需要細(xì)長軸，現(xiàn)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(xiàn)尺寸超差時靈活運(yùn)用圓弧插補(bǔ)和直線插補(bǔ)相結(jié)合的插補(bǔ)方式進(jìn)行編程。利用現(xiàn)有機(jī)床設(shè)備，該工藝方案可加工出符合設(shè)計要求的細(xì)長軸。

1 工藝規(guī)劃方案

1.1 找中心位置，鉆中心孔

在細(xì)長軸類零件的切削加工中，中心孔屬于精基準(zhǔn)，是其他工序的一個基本保障。因此中心孔關(guān)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(zhǔn)調(diào)整機(jī)床的夾具定位和機(jī)床主軸的位置關(guān)系，以保證零件與刀具的正確位置，找出細(xì)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(xì)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(jī)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(fā)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?yàn)槊骷斐鲞^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(wěn)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(jù)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?shù)难b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(dāng)墊片。開口鋼絲圈在卡爪內(nèi)側(cè)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)生不規(guī)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(jìn)行修整。

軟爪的材質(zhì)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(jù)不同零件設(shè)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(qiáng)，使得零件不易產(chǎn)生變形，很大程度上提高了零件的裝夾穩(wěn)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(jié)省了反復(fù)校正的輔助時間，提高加工效率。

圖4 軟爪結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 巧用圓弧插補(bǔ)和直線插補(bǔ)

數(shù)控車床在加工細(xì)長軸時常用的直線插補(bǔ)方式是“只沿Z向插補(bǔ)”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(xiàn)錐形和腰鼓形等形狀。解決的方法是，用圓弧插補(bǔ)或直線插補(bǔ)中“與X軸（或Z軸）有一定夾角插補(bǔ)”方式代替原來的“只沿Z 軸插補(bǔ)”的直線插補(bǔ)方式。具體分兩種情況。（1）插補(bǔ)起點(diǎn)直徑到插補(bǔ)終點(diǎn)直徑一直在增大（或減?。Ｈ缙瘘c(diǎn)坐標(biāo)為X15 Z0，直線插補(bǔ)指令G1 X15 Z-20，加工結(jié)束后，測得，插補(bǔ)起點(diǎn)直徑為15 mm，插補(bǔ)終點(diǎn)直徑為15.05 mm，此時可以將直線插補(bǔ)指令更換成G1 X14.95 Z-20后再次運(yùn)行程序。若起點(diǎn)坐標(biāo)為X15 Z-150，直線插補(bǔ)指令G1 X15 Z-170，加工結(jié)束后，測得，插補(bǔ)起點(diǎn)直徑為15.05 mm，插補(bǔ)終點(diǎn)直徑為15 mm，此時可以將起始坐標(biāo)更換成X14.95 Z-150后再次運(yùn)行程序。（2）插補(bǔ)起點(diǎn)直徑到插補(bǔ)終點(diǎn)直徑呈現(xiàn)先增大后減小，也就是腰鼓形。如起點(diǎn)坐標(biāo)為X15 Z0，直線插補(bǔ)指令G1 X15 Z-20，加工結(jié)束后，測得，插補(bǔ)起點(diǎn)直徑為15 mm，插補(bǔ)中間位置直徑為15.05 mm，插補(bǔ)終點(diǎn)直徑為15 mm，此時可以將直線插補(bǔ)指令更換成圓弧插補(bǔ)指令G2 X15 Z-20 CR=1 000.025 后再次運(yùn)行程序。這里的CR=1 000.025是圓弧插補(bǔ)的半徑值，如圖5所示。

圖5 圓弧插補(bǔ)代替直線插補(bǔ)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(tǒng)正常噴出冷卻液冷卻時再按啟動按鈕切削加工。待加工結(jié)束時，冷卻液關(guān)閉的代碼指令也應(yīng)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(tài)，既保證了較低的環(huán)境溫度，又對加工結(jié)束后的尺寸測量創(chuàng)造好的環(huán)境條件，避免因溫度的原因而導(dǎo)致的測量誤差。

2 加工驗(yàn)證

零件如圖6 所示，材料為304 不銹鋼，表面粗糙度Ra3.2 μm，同軸度0.025 μm，零件全長為201 mm，加工后去毛刺，銳角倒鈍。

圖6 零件設(shè)計圖

利用西門子BRT5085 型數(shù)控車床加工該零件，加工前需要調(diào)整導(dǎo)軌平行以及頂尖與主軸同軸心。工序安排如下。

（1）下料，φ22 mm 205 mm 304不銹鋼。

（2）安裝刀具，一號刀位粗車刀，二號刀位精車刀，如圖7所示。

（3）找中心位置，鉆中心孔，如圖8所示。

（4）粗加工外圓到φ21 mm，如圖9所示。

圖7 刀具安裝位置

圖8 鉆中心孔

圖9 粗車毛坯外圓

（5）修整中心孔。

（6）三爪卡盤夾緊，頂尖頂緊，加工零件一端，如圖10所示。一端加工完成，如圖11所示。

（7）軟爪夾持已加工工件表面，加工另一端。零件加工完成，如圖12所示。

圖10 一端加工

圖11 一端加工完成

圖12 加工完成零件

整個過程中使用冷卻性能以及潤滑性能良好的冷卻液，以帶走大量的切削熱，保證加工環(huán)境溫度和測量溫度。

加工后，對零件進(jìn)行測量，如圖13、14所示。

圖13 尺寸檢測

圖14 同軸度檢測

測量結(jié)果如圖15所示，可以看出零件達(dá)到設(shè)計要求，該工藝方案可行。

圖15 檢測報告

3 結(jié)束語

（1）一夾一頂裝夾方式，裝夾操作簡單；軟爪夾持已加工工件表面，很大程度上提高了零件的裝夾穩(wěn)定性與定位精度，有效解決二次裝夾時形位公差的問題，節(jié)省輔助時間，提高了加工效率。

（2）先粗加工一次毛坯外圓，消除了毛坯件在鑄造時外圓不圓和有毛刺的問題；在毛坯φ21 mm外圓上套直徑為4～5 mm的鋼絲圈；對中心孔進(jìn)行修整，這些措施保證零件外圓軸線與兩端中心孔軸線同軸心。

（3）在整個過程中，采用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)相結(jié)合的插補(bǔ)方式對零件進(jìn)行編程加工，使零件尺寸達(dá)到設(shè)計要求；充分澆注冷卻液，保證較低的加工環(huán)境溫度，以及為加工結(jié)束時的尺寸測量創(chuàng)造好的環(huán)境條件，避免因溫度的原因而導(dǎo)致的測量誤差。