1 細長軸加工工藝特點

細長軸類零件的加工是一項工藝性較強的綜合技術^[2]。由于細長軸本身剛性差（L/d值愈大，剛性愈差），在車削和磨削過程中會出現較多的問題。

（1）剛性差。工件受切削、磨削力，自重和旋轉時離心力的作用，會產生彎曲、振動，嚴重影響其圓柱度和表面粗糙度。

（2）熱變形大。在切削過程中，工件受熱伸長使剛度進一步降低，加劇工件產生彎曲變形，工件受熱產生彎曲變形，車削和磨削就很難進行，嚴重時會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，從而使機床、工夾刀具等多方面的協調困難，增加了許多震動因素，這都對加工精度產生諸多不良影響，使工件容易出現翹曲、振紋、錐度大、竹節等疵病而報廢^[2]。

車削和磨削細長軸的難度較大，但它也有一定的規律性，主要抓住中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長以及合理選擇車刀幾何形狀等三個關鍵技術，控制好切削深度、走刀量、機床轉速三要素，問題就迎刃而解了。

 

2 材料準備

本文采用紡織機械傳動主軸，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，其化學成分如表1所示。

由于傳動主軸要求有較高的強度，韌性及良好的綜合機械性能，要求在車削之前對其進行調質熱處理，且調質處理能使工件的剛性大大加強，有利于切削加工。加工中傳動主軸的熱處理工藝確定為：850℃油淬+520℃高溫回火。由于調質處理影響傳動主軸的直線度，故在車削加工前對調質后圓跳動較大的傳動主軸進行校直處理。

表1    40Cr化學元素含量（%）

C	Si	Mn	Cr	其他
0.37~0.44	0.17~0.37	0.50~0.80	0.80~1.10	—

 

 

 

圖1 傳動主軸成品外形

成品傳動主軸的主要技術要求如下：

1.外徑尺寸：φ40H8；

2.表面粗糙度：Ra≤1.6。

3.全長徑跳：徑跳＜0.02mm；

 

3 細長軸車削加工工藝研究

3.1合理選擇定位基準

切削中定位基準的選擇是十分重要的，定位基準選擇不當會產生較大的定位誤差，進而產生較大的加工誤差。所以裝夾工件時要合理選擇定位基準，軸類零件的定位基準，最常用的為兩頂尖孔。因為細長軸類零件外圓表面、錐孔、螺紋表面的同軸度，以及端面對軸線的垂直度是其相互位置精度的主要項目，而這些表面的設計基準一般都是軸的中心線，如果用兩頂尖孔定位，就能符合基準重合的原則，而且能夠最大限度地在一次安裝中加工出多個外圓和端面，符合基準統一原則。當不能用兩頂尖孔定位時，可采用軸的外圓表面作為定位基準，或以外圓表面和頂尖孔共同作為定位基準[3]。

根據本廠的實際情況，為了在簡化加工工藝的基礎上提高細長軸的加工精度，實際加工中采用了一夾一頂的裝夾方式。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。

3.2 切削加工過程

細長軸類零件的粗加工和半精加工通常采用車削。在車削加工過程中，工藝系統在切削力、夾緊力、重力、傳動力、慣性力的作用下會產生不同程度的變形，使刀具與工件之間的相對位置發生變化，從而造成加工誤差，機床、夾具、刀具的受力變形較小可以忽略不計，則工藝系統的變形將完全取決于工件的變形，因此增加細長軸類零件的的剛性尤為重要[3]。為了改善細長軸類零件的切削加工效果，采取了以下工藝優化：

3.2.1 掌握三個關鍵技術

車削加工中的三個關鍵技術即中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長以及合理選擇車刀幾何形狀。

3.2.1.1 使用跟刀架支承細長軸

跟刀架是車削細長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，抵消加工時徑向切削分力的影響，從而減少切削振動和工件變形，但必須注意仔細調整，保證跟刀架的支撐爪和工件表面保持良好的接觸，跟刀架的中心與機床頂尖中心保持一致^[3]。從跟刀架的設計原理來看，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支承爪上。但是實際使用時，工件本身有一個向下重力，以及工件不可避免的彎曲，因此，車削時工件往往因離心力瞬時離開支承爪、接觸支承爪而產生振動。故需根據實際情況采用合適的跟刀架。使用時先把跟刀架用螺釘固定在大滑板上，跟在車刀后面，隨車刀進給移動，以抵消背向力，增加工件的剛性，減小變形，從而提高細長軸的形狀精度，并減小表面粗糙度^[4]。

3.2.1.2 減少工件熱變形伸長

車削時，由于切削熱的影響，使工件隨溫度升高而逐漸伸長變形，這就叫“熱變形”。在車削一般軸類時可不考慮熱變形伸長問題，但是車削細長軸時，因為工件長，總伸長量長，所以一定要考慮到熱變形的影響。故在實際加工細長軸時必須從以下三方面來解決細長軸熱變形伸長問題。

（1）使用彈性回轉頂尖。用彈性回轉頂尖加工細長軸，可有較地補償工件的熱變形伸長，工件不易彎曲，車削可順利進行。
    （2）加注充分的切削液。車削細長軸時，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，從而減少發熱。

3.2.1.3 合理選擇車刀幾何形狀

車削細長軸時，由于工件剛性差，車刀的幾何形狀對工件的振動有明顯的影響。

（1）由于細長軸剛性差，為減少細長軸彎曲，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，在不影響刀具強度情況下，應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，應該選擇較大的前角，取r_o=15°～30°。

（3）車刀前面應該磨有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，并要經常保持鋒利。

（6）為了減少徑向切削力，應選擇較小的刀尖圓弧半徑（r_e<0.3mm）。倒棱的寬度也應選得較小，取倒棱寬br1=0.5f。

綜合考慮以上三要素，對于紡織機械傳動主軸，在實際加工過程中采用兩爪跟刀架，彈性頂尖及YT15硬質合金車刀，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，進給量及切削速度三要素。

3.2.2.1 切削深度α_p

由于傳動主軸為光圓，沒有臺階面，車削時分三刀進行。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進給量f

進給量主要應根據工件表面質量要求而定，一般情況可選0.15 mm/r～0.16 mm/r。粗加工時選大些，精加工時可選小些^[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，但振動會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，工件的長徑比及材料韌性大時Vc選小值，進給量大時V要降低，反之，要提高^[2]。

傳動軸車加工工藝如下：

粗車：轉速n =450～500r/min；切削深度α_p =1.5～2mm；進給量f=0.3～0.4mm/r。

半精車：轉速n = 450～500r/min；切削深度α_p =1～1.5mm；進給量f=0.15～0.2mm/r。

精車：轉速n = 500～550r/min；切削深度α_p =0.5～1mm；進給量f=0.1～0.15mm/r。

 

4 細長軸磨加工工藝探討

細長軸類零件的精加工通常采用磨削，磨削時采用兩頂尖裝夾。根據材料本身的特點（易彎曲、韌性高），選擇合適的砂輪，進給量及冷卻液。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，留一個砂輪寬度，精磨后調頭粗精磨另一頭。

 

5 結論

在影響細長軸加工精度的各種因素中，車加工是最主要的因素，而細長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。

車削和磨削細長軸的難度較大，但它也有一定的規律性。在車削加工時，主要抓住中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長以及合理選擇車刀幾何形狀等三個關鍵技術，控制好切削深度、走刀量、切削速度這三要素，問題就迎刃而解了。根據優化的車削及磨削工藝，成品主軸達到了要求的技術條件，即傳動主軸的外徑尺寸為φ40H8，表面粗造度Ra達到1.6以上，全長徑跳均保持在0.02mm以下。

發布時間：2016-01-18