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细长轴车削加工工艺
摘要
针对影响加工细长轴零件精度不高等因素,分析了如何提细长轴零件的加工精度,给出解决问题的具体方法。
关键词:
细长轴变形装夹 精度
前言
通常轴的长度与之直径比大于20~25(即L/d≥20~25)的轴称之为细长轴。
这类零件一般在车床上进行加工。
在车削过程中,由于其刚性差,在切削力和切削热的作用下,细长轴很容易产生弯曲变形,这样就破坏了刀具和零件相对运动的准确性,使加工出来的细长轴产生中间粗、两头细的形状,严重影响零件的加工精度.同时细长轴产生弯曲变形后,还会引起工艺系统振动,影响零件的粗糙度。
目录
摘要及关键词…………………………………………………………1
前言………………………………………………………………2
一.细长轴车削的工艺特点……………………………………………3
二、引起细长轴弯曲变形的原因……………………………………4
2.1切削力导致变形…………………………………………………5
2.2切削热产生的影响……………………………………………6
三.提高细长轴加工精度的措施……………………………………7
3.1选择合适的装夹方法………………………………………8
3.2减少细长轴受力变形……………………………………………9
3.3.采用反向切削法车削细长轴…………………………………10
四.合理地控制切削用量……………………………………………11
五.选择合理的刀具角度…………………………………………12
六.结论…………………………………………………………13
一.细长轴车削的工艺特点:
①细长轴刚性很差,车削时装夹不当,很容易因切削力及重力的作用而发生弯曲变形,产生振动,从而影响加工精度和表面粗糙度。
②细长轴的热扩散性能差,在切削热作用下,会产生相当大的线膨胀。
如果轴的两端为固定支承,则工件会因伸长而顶弯。
③由于轴较长,一次走刀时间长,刀具磨损大,从而影响零件的几何形状精度。
④车细长轴时由于使用跟刀架,若支承工件的两个支承块对零件压力不适当,会影响加工精度。
若压力过小或不接触,就不起作用,不能提高零件的刚度:
若压力过大,零件被压向车刀,切削深度增加,车出的直径就小,当跟刀架继续移动后,支承块支承在小直径外圆处,支承块与工件脱离,切削力使工件向外让开,切削深度减小,车出的直径变大,以后跟刀架又跟到大直径圆上,又把工件压向车刀,使车出的直径变小,这样连续有规律的变化,就会把细长的工件车成“竹节”形。
造成机床、工件、刀具工艺系统的刚性不良给切削加工带来困难,不易获得良好的表面粗糙度和几何精度。
二.引起细长轴产生弯曲变形的原因
在车床上车削细长轴采用的传统装夹方式主要有两种:
一种方式是细长轴的一端用卡盘夹紧,另一端用车床尾架顶尖支承(一夹一顶);另一种方式是细长轴的两端均由顶尖支撑(双顶尖)。
主要分析一夹一顶的装夹方式.其力学模型如图1所示。
图1一夹一顶装夹方式及力学模型
通过分析研究,车削引起细长轴弯曲变形的原因主要有:
1.切削力导致变形
在车削过程中,产生的切削力可以分解为轴向切削力PX、径向切削力PZ。
不同的切削力对车削细长轴时产生弯曲变形的影响是不同的。
径向切削力PZ的影响
径向切削力是垂直作用在通过细长轴轴线水平平面内的,由于细长轴的刚性较差,径向力将会把细长轴顶弯,使其在水平面内发生弯曲变形.径向切削力对细长轴弯曲变形的影响,见图1。
轴向切削力PX的影响
轴向切削力是平行作用在细长轴轴线方向上的,它对工件形成一个弯矩。
对于一般的车削加工,轴向切削力对工件弯曲变形的影响并不大,可以忽略。
但是由于细长轴的刚性较差,其稳定性也较差,当轴向切削力超过一定数值时,将会把细长轴压弯而发生纵向弯曲变形。
如图2所示。
图2轴向切削力的影响及力学模型
2.切削热产生的影响
车削加工产生的切削热,会引起工件热伸长。
由于在车削过程中,卡盘和尾架顶尖都是固定不动的,因此两者之间的距离也是固定不变的。
这样细长轴受热后的轴向伸长量受到限制,导致细长轴受到轴向挤压而产生弯曲变形。
因此可以看出,提高细长轴的加工精度问题,实质上就是控制工艺系统的受力及受热变形的问题。
三.提高细长轴加工精度的措施
在细长轴加工过程中,为提高其加工精度,要根据不同的生产条件,采取不同的措施,以提高细长轴的加工精度。
1.选择合适的装夹方法
在车床上车削细长轴采用的两种传统装夹方式中,采用双顶尖装夹,工件定位准确,容易保证同轴度。
但用该方法装夹细长轴,其刚性较差,细长轴弯曲变形较大,而且容易产生振动.因此只适宜于安装长径比不大、加工余量较小、同轴度要求较高的工件。
加工细长轴通常采用一夹一顶的装夹方式。
但是在该装夹方式中,如果顶尖顶得太紧,除了可能将细长轴顶弯外,还能阻碍车削时细长轴的受热伸长,导致细长轴受到轴向挤压而产生弯曲变形。
另外卡爪夹紧面与顶尖孔可能不同轴,装夹后会产生过定位,也能导致细长轴产生弯曲变形.因此采用一夹一顶装夹方式时,顶尖应采用弹性活顶尖,使细长轴受热后可以自由伸长,减少其受热弯曲变形;同时可在卡爪与细长轴之间垫入一个开口钢丝圈,以减少卡爪与细长轴的轴向接触长度,消除安装时的过定位,减少弯曲变形。
如图3所示
。
图3一夹一顶装夹方式的改进
2直接减少细长轴受力变形
1)采用中心架和跟刀架
采用一夹一顶的装夹方式车削细长轴,为了减少径向切削力对细长轴弯曲变形的影响,传统上采用跟刀架和中心架,相当于在细长轴上增加了一个支撑,增加了细长轴的刚度,可有效地减少径向切削力对细长轴的影响。
a.用中心架支承车细长轴:
一般在车削细长轴时,用中心架来增加工件的刚性,当工件可以进行分段切削时,中心架支承在工件中间,如图5所示。
在工件装上中心架之前,必须在毛坯中部车出一段支承中心架支承爪的沟槽,其表面粗糙及圆柱误差要小,并在支承爪与工件接触处经常加润滑油。
为提高工件精度,车削前应将工件轴线调整到与机床主轴回转中心同轴。
如图5所示:
当车削支承中心架的沟槽比较困难或一些中段不需加工的细长轴时,可用过渡套筒,使支承爪与过渡套筒的外表面接触,如图6所示,过渡套筒的两端各装有四个螺钉,用这些螺钉夹住毛坯表面,并调整套筒外圆的轴线与主轴旋转轴线相重合。
b.用跟刀架支承车细长轴:
对不适宜调头车削的细长轴,不能用中心架支承,而要用跟刀架支承进行车削,以增加工件的刚性,如图6所示。
跟刀架固定在床鞍上,一般有两个支承爪,它可以跟随车刀移动,抵消径向切削力,提高车削细长轴的形状精度和减小表面粗糙度,如图6(a)所示为两爪跟刀架,因为车刀给工件的切削抗力F’r,使工件贴在跟刀架的两个支承爪上,但由于工件本身的向下重力,以及偶然的弯曲,车削时会瞬时离开支承爪、接触支承爪时产生振动。
所以比较理想的中心架需要用三爪中心架,如图6(b)所示。
此时,由三爪和车刀抵住工件,使之上下、左右都不能移动,车削时稳定,不易产生振动。
如图6所示:
2)垫块
除跟刀架装置外,还可根据工件长度,在工件下面垫放不等距的木块(在切削中随放随取,保证拖板正常进给),木块直接垫放在床身上其厚度以能轻微托牢工件为宜,木块制成半圆弧凹坑,运行时加机油润滑。
这种垫块还具有消振作用,如图7所示。
图7垫木
3.采用反向切削法车削细长轴
反向切削法是指在细长轴的车削过程中,车刀由主轴卡盘开始向尾架方向进给,如图9所示。
反向走刀车削
图9反向切削法加工及力学模型
这样在加工过程中产生的轴向切削力使细长轴受拉,消除了轴向切削力引起的弯曲变形。
同时,采用弹性的尾架顶尖,可以有效地补偿刀具至尾架一段的工件的受压变形和热伸长量,避免工件的压弯变形。
四.合理地控制切削用量
切削用量选择的是否合理,对切削过程中产生的切削力的大小、切削热的多少是不同的。
因此对车削细长轴时引起的变形也是不同的。
1.切削深度(t)
在工艺系统刚度确定的前提下,随着切削深度的增大,车削时产生的切削力、切削热随之增大,引起细长轴的受力、受热变形也增大。
因此在车削细长轴时,应尽量减少切削深度。
2.进给量(f)
进给量增大会使切削厚度增加,切削力增大。
但切削力不是按正比增大,因此细长轴的受力变形系数有所下降.如果从提高切削效率的角度来看,增大进给量比增大切削深度有利。
3.切削速度(v)
提高切削速度有利于降低切削力。
这是因为,随着切削速度的增大,切削温度提高,刀具与工件之间的摩擦力减小,细长轴的受力变形减小。
但切削速度过高容易使细长轴在离心力作用下出现弯曲,破坏切削过程的平稳性,所以切削速度应控制在一定范围。
对长径比较大的工件,切削速度要适当降低。
五。
选择合理的刀具角度
为了减小车削细长轴产生的弯曲变形,要求车削时产生的切削力越小越好,而在刀具的几何角度中,前角、主偏角和刃倾角对切削力的影响最大。
1.前角(γ)
其大小直接着影响切削力、切削温度和切削功率.增大前角,可以使被切削金属层的塑性变形程度减小,切削力明显减小。
增大前角可以降低切削力,所以在细长轴车削中,在保证车刀有足够强度前提下,尽量使刀具的前角增大,前角一般取γ=15°。
2.主偏角(kr)
其大小影响着3个切削分力的大小和比例关系。
随着主偏角的增大,径向切削力明显减小,切向切削力在60°~90°时却有所增大。
在60°~75°范围内,3个切削分力的比例关系比较合理。
在车削细长轴时,一般采用大于60°的主偏角。
刀具切削几何角度
3.刃倾角(λs)
倾角影响着车削过程中切屑的流向、刀尖的强度及3个切削分力的比例关系。
随着刃倾角的增大,径向切削力明显减小,但轴向切削力和切向切削力却有所增大。
六.结论
细长轴的车削加工是机械加工中比较常见的一种加工方式。
由于细长轴刚性差,车削时产生的受力、受热变形较大,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和先进的加工方法,选择合理的刀具角度和切削用量等措施,可以保证细长轴的加工质量要求