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1 細(xì)長(zhǎng)軸加工工藝特點(diǎn)
細(xì)長(zhǎng)軸類零件的加工是一項(xiàng)工藝性較強(qiáng)的綜合技術(shù)[2]。由于細(xì)長(zhǎng)軸本身剛性差(L/d值愈大,剛性愈差),在車削和磨削過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較多的問(wèn)題。
(1)剛性差。工件受切削、磨削力,自重和旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力的作用,會(huì)產(chǎn)生彎曲、振動(dòng),嚴(yán)重影響其圓柱度和表面粗糙度。
(2)熱變形大。在切削過(guò)程中,工件受熱伸長(zhǎng)使剛度進(jìn)一步降低,加劇工件產(chǎn)生彎曲變形,工件受熱產(chǎn)生彎曲變形,車削和磨削就很難進(jìn)行,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使工件在頂尖間卡住。
(3)廢品率高。采用跟刀架,中心架等輔助工夾具使操作技能要求提高,從而使機(jī)床、工夾刀具等多方面的協(xié)調(diào)困難,增加了許多震動(dòng)因素,這都對(duì)加工精度產(chǎn)生諸多不良影響,使工件容易出現(xiàn)翹曲、振紋、錐度大、竹節(jié)等疵病而報(bào)廢[2]。
車削和磨削細(xì)長(zhǎng)軸的難度較大,但它也有一定的規(guī)律性,主要抓住中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長(zhǎng)以及合理選擇車刀幾何形狀等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù),控制好切削深度、走刀量、機(jī)床轉(zhuǎn)速三要素,問(wèn)題就迎刃而解了。
2 材料準(zhǔn)備
本文采用紡織機(jī)械傳動(dòng)主軸,材料為40Cr,外形尺寸為φ45mm×1265mm,加工后成品外形尺寸要求為φ40mm×1260mm,如圖1所示,其化學(xué)成分如表1所示。
由于傳動(dòng)主軸要求有較高的強(qiáng)度,韌性及良好的綜合機(jī)械性能,要求在車削之前對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理,且調(diào)質(zhì)處理能使工件的剛性大大加強(qiáng),有利于切削加工。加工中傳動(dòng)主軸的熱處理工藝確定為:850℃油淬+520℃高溫回火。由于調(diào)質(zhì)處理影響傳動(dòng)主軸的直線度,故在車削加工前對(duì)調(diào)質(zhì)后圓跳動(dòng)較大的傳動(dòng)主軸進(jìn)行校直處理。
表1 40Cr化學(xué)元素含量(%)
C |
Si |
Mn |
Cr |
其他 |
0.37~0.44 |
0.17~0.37 |
0.50~0.80 |
0.80~1.10 |
— |
圖1 傳動(dòng)主軸成品外形
成品傳動(dòng)主軸的主要技術(shù)要求如下:
1.外徑尺寸:φ40H8;
2.表面粗糙度:Ra≤1.6。
3.全長(zhǎng)徑跳:徑跳<0.02mm;
3 細(xì)長(zhǎng)軸車削加工工藝研究
3.1合理選擇定位基準(zhǔn)
切削中定位基準(zhǔn)的選擇是十分重要的,定位基準(zhǔn)選擇不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生較大的定位誤差,進(jìn)而產(chǎn)生較大的加工誤差。所以裝夾工件時(shí)要合理選擇定位基準(zhǔn),軸類零件的定位基準(zhǔn),最常用的為兩頂尖孔。因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)軸類零件外圓表面、錐孔、螺紋表面的同軸度,以及端面對(duì)軸線的垂直度是其相互位置精度的主要項(xiàng)目,而這些表面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一般都是軸的中心線,如果用兩頂尖孔定位,就能符合基準(zhǔn)重合的原則,而且能夠最大限度地在一次安裝中加工出多個(gè)外圓和端面,符合基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。當(dāng)不能用兩頂尖孔定位時(shí),可采用軸的外圓表面作為定位基準(zhǔn),或以外圓表面和頂尖孔共同作為定位基準(zhǔn)[3]。
根據(jù)本廠的實(shí)際情況,為了在簡(jiǎn)化加工工藝的基礎(chǔ)上提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度,實(shí)際加工中采用了一夾一頂?shù)难b夾方式。即一端采用卡盤而另一端采用頂尖裝夾,尾座頂尖采用彈性頂尖,可以使工件在軸向自由伸長(zhǎng)。
3.2 切削加工過(guò)程
細(xì)長(zhǎng)軸類零件的粗加工和半精加工通常采用車削。在車削加工過(guò)程中,工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、重力、傳動(dòng)力、慣性力的作用下會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形,使刀具與工件之間的相對(duì)位置發(fā)生變化,從而造成加工誤差,機(jī)床、夾具、刀具的受力變形較小可以忽略不計(jì),則工藝系統(tǒng)的變形將完全取決于工件的變形,因此增加細(xì)長(zhǎng)軸類零件的的剛性尤為重要[3]。為了改善細(xì)長(zhǎng)軸類零件的切削加工效果,采取了以下工藝優(yōu)化:
3.2.1 掌握三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)
車削加工中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)即中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長(zhǎng)以及合理選擇車刀幾何形狀。
3.2.1.1 使用跟刀架支承細(xì)長(zhǎng)軸
跟刀架是車削細(xì)長(zhǎng)軸類零件極其重要的附件。采用跟刀架能提高工件的剛性,防止工件彎曲變形,抵消加工時(shí)徑向切削分力的影響,從而減少切削振動(dòng)和工件變形,但必須注意仔細(xì)調(diào)整,保證跟刀架的支撐爪和工件表面保持良好的接觸,跟刀架的中心與機(jī)床頂尖中心保持一致[3]。從跟刀架的設(shè)計(jì)原理來(lái)看,只需兩只支承爪就可以了,因車刀給工件的切削抗力使工件貼在跟刀架的兩個(gè)支承爪上。但是實(shí)際使用時(shí),工件本身有一個(gè)向下重力,以及工件不可避免的彎曲,因此,車削時(shí)工件往往因離心力瞬時(shí)離開支承爪、接觸支承爪而產(chǎn)生振動(dòng)。故需根據(jù)實(shí)際情況采用合適的跟刀架。使用時(shí)先把跟刀架用螺釘固定在大滑板上,跟在車刀后面,隨車刀進(jìn)給移動(dòng),以抵消背向力,增加工件的剛性,減小變形,從而提高細(xì)長(zhǎng)軸的形狀精度,并減小表面粗糙度[4]。
3.2.1.2 減少工件熱變形伸長(zhǎng)
車削時(shí),由于切削熱的影響,使工件隨溫度升高而逐漸伸長(zhǎng)變形,這就叫“熱變形”。在車削一般軸類時(shí)可不考慮熱變形伸長(zhǎng)問(wèn)題,但是車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí),因?yàn)楣ぜL(zhǎng),總伸長(zhǎng)量長(zhǎng),所以一定要考慮到熱變形的影響。故在實(shí)際加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)必須從以下三方面來(lái)解決細(xì)長(zhǎng)軸熱變形伸長(zhǎng)問(wèn)題。
(1)使用彈性回轉(zhuǎn)頂尖。用彈性回轉(zhuǎn)頂尖加工細(xì)長(zhǎng)軸,可有較地補(bǔ)償工件的熱變形伸長(zhǎng),工件不易彎曲,車削可順利進(jìn)行。
(2)加注充分的切削液。車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí),不論是低速切削還是高速切削,為了減少工件的溫升而引起熱變形,必須加注切液充分冷卻。使用切削液還可以防止跟刀架支承爪拉毛工件,提高刀具的使用壽命和工件的加工質(zhì)量。
(3)刀具保持銳利。這樣可以減輕車刀與工件的摩擦,從而減少發(fā)熱。
3.2.1.3 合理選擇車刀幾何形狀
車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí),由于工件剛性差,車刀的幾何形狀對(duì)工件的振動(dòng)有明顯的影響。
(1)由于細(xì)長(zhǎng)軸剛性差,為減少細(xì)長(zhǎng)軸彎曲,要求徑向切削力越小越好,而刀具的主偏角是影響徑向切削力的主要因素,在不影響刀具強(qiáng)度情況下,應(yīng)盡量增大車刀主偏角。車刀的主偏角一般取kr=80°~93°。
(2)為減少切削力和切削熱,應(yīng)該選擇較大的前角,取ro=15°~30°。
(3)車刀前面應(yīng)該磨有R11.5~3的斷屑槽,使切削順利卷曲折斷。
(4)選擇正刃傾角,取入=3°使切削屑流向待加工表面,并使卷屑效果良好。
(5)切削刃表面粗糙度要求在Ra0.4以下,并要經(jīng)常保持鋒利。
(6)為了減少?gòu)较蚯邢髁?,?yīng)選擇較小的刀尖圓弧半徑(re<0.3mm)。倒棱的寬度也應(yīng)選得較小,取倒棱寬br1=0.5f。
綜合考慮以上三要素,對(duì)于紡織機(jī)械傳動(dòng)主軸,在實(shí)際加工過(guò)程中采用兩爪跟刀架,彈性頂尖及YT15硬質(zhì)合金車刀,其主偏角90°、前角15°、刃傾角+3°、切削刃的表面粗糙度在Ra0.4以上,保持鋒利。
3.2.2 控制好車床三要素
車床三要素即切削深度,進(jìn)給量及切削速度三要素。
3.2.2.1 切削深度αp
由于傳動(dòng)主軸為光圓,沒(méi)有臺(tái)階面,車削時(shí)分三刀進(jìn)行。第一刀先粗車外圓尺寸到φ43mm,第二刀半精車外圓尺寸到φ41.5mm,第三道精車外圓尺寸到φ40.5mm。即每次的切削深度變化為2mm-1.5mm-1mm。
3.2.2.2進(jìn)給量f
進(jìn)給量主要應(yīng)根據(jù)工件表面質(zhì)量要求而定,一般情況可選0.15 mm/r~0.16 mm/r。粗加工時(shí)選大些,精加工時(shí)可選小些[2]。
3.2.2.3切削速度V
提高切削速度有利于降低切削力,減少切削變形,但振動(dòng)會(huì)隨切削速度的增加而增大,所以,可選切削速度V=60 m/min~90 m/min,工件的長(zhǎng)徑比及材料韌性大時(shí)Vc選小值,進(jìn)給量大時(shí)V要降低,反之,要提高[2]。
傳動(dòng)軸車加工工藝如下:
粗車:轉(zhuǎn)速n =450~500r/min;切削深度αp =1.5~2mm;進(jìn)給量f=0.3~0.4mm/r。
半精車:轉(zhuǎn)速n = 450~500r/min;切削深度αp =1~1.5mm;進(jìn)給量f=0.15~0.2mm/r。
精車:轉(zhuǎn)速n = 500~550r/min;切削深度αp =0.5~1mm;進(jìn)給量f=0.1~0.15mm/r。
4 細(xì)長(zhǎng)軸磨加工工藝探討
細(xì)長(zhǎng)軸類零件的精加工通常采用磨削,磨削時(shí)采用兩頂尖裝夾。根據(jù)材料本身的特點(diǎn)(易彎曲、韌性高),選擇合適的砂輪,進(jìn)給量及冷卻液。砂輪采用60#棕剛玉,粗精磨每次磨削深度均在0.02-0.03mm左右。先粗精磨一端且盡量接近總長(zhǎng),留一個(gè)砂輪寬度,精磨后調(diào)頭粗精磨另一頭。
5 結(jié)論
在影響細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的各種因素中,車加工是最主要的因素,而細(xì)長(zhǎng)軸車加工精度的各種因素中,切削力是主要因素,為減小切削力所引起的變形,就要選好跟刀架,以增強(qiáng)其剛性,減小變形,還要選擇合理的幾何角度以減小改變走刀方向。
車削和磨削細(xì)長(zhǎng)軸的難度較大,但它也有一定的規(guī)律性。在車削加工時(shí),主要抓住中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長(zhǎng)以及合理選擇車刀幾何形狀等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù),控制好切削深度、走刀量、切削速度這三要素,問(wèn)題就迎刃而解了。根據(jù)優(yōu)化的車削及磨削工藝,成品主軸達(dá)到了要求的技術(shù)條件,即傳動(dòng)主軸的外徑尺寸為φ40H8,表面粗造度Ra達(dá)到1.6以上,全長(zhǎng)徑跳均保持在0.02mm以下。