粮油机械细长轴车削加工研究

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引言

在粮油机械的加工过程中，有很多零件的长径比l/d>20。例如：高方平筛的主转动轴、蝶片滚筒精选机的蝶片转动轴等。通常把这类零件称之为细长轴。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。

1 引起细长轴产生弯曲变形的因素

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)。作者主要分析一夹一顶的装夹方式.其力学模型如图1所示。

通过分析研究，车削引起细长轴弯曲变形的原因主要有：

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图1 一夹一顶装夹方式及力学模型

图2 轴向切削力的影响及力学模型

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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P_X、径向切削力P_Y及切向切削力P_Z。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。 4 R# ~( ?/ L5 Y9 v1 N; ~

   1. 径向切削力P_Y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。
   2. 轴向切削力P_X的影响 7 W3 ^& O( B, L' j3 `! u
      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。
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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。

2 提高细长轴加工精度的措施

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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。

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图3 一夹一顶装夹方式的改进

图4 轴向夹拉车削及力学模型

图5 反向切削法加工及力学模型

图6 双刀加工及力学模型

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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。 F, h5 v$ {; {( }1 Q2 |
   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。
2. 直接减少细长轴受力变形
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   1. 采用跟刀架和中心架
      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。
   2. 采用轴向拉夹法车削细长轴
      采用跟刀架和中心架，虽然能够增加工件的刚度，基本消除径向切削力对工件的影响。但还不能解决轴向切削力把工件压弯的问题，特别是对于长径比较大的细长轴，这种弯曲变形更为明显。因此可以采用轴向拉夹法车削细长轴。轴向夹拉车削是指在车削细长轴过程中，细长轴的一端由卡盘夹紧，另一端由专门设计的夹拉头夹紧，夹拉头给细长轴施加轴向拉力，如图4所示。 2 ^& p, t+ S+ [( q
      在车削过程中，细长轴始终受到轴向拉力，解决了轴向切削力把细长轴压弯的问题。同时在轴向拉力的作用下，会使细长轴由于径向切削力引起的弯曲变形程度减小；补偿了因切削热而产生的轴向伸长量，提高了细长轴的刚性和加工精度。
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   3. 采用反向切削法车削细长轴 . T) }/ d- @0 R5 E) Q
      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5所示。 ( n, T: f3 i& [5 Z- x) E) u& z$ d
      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。
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   4. 采用双刀车削细长轴改装车床中溜板，增加后刀架，采用前后两把车刀同时进行车削，如图6所示。
      两把车刀，径向相对，前车刀正装，后车刀反装。两把车刀车削时产生的径向切削力相互抵消。工件受力变形和振动小，加工精度高，适用于批量生产。
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   5. 采用磁力切削法车削细长轴
      磁力切削法的原理与反向切削法原理基本相同。在车削过程中，细长轴由于受到磁力拉伸的作用，可以减少细长轴加工时的弯曲变形，提高细长轴加工精度。
3. 合理地控制切削用量 5 R# h* ]" L4 \7 A$ C
   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。
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   2. 进给量(f) 2 E% i& z0 @0 O' S u% S% f/ p
      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。

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   图7 前角对切削力的影响

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4. 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(g) . k6 e7 V Z9 a
      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。前角对切削力的影响，见图7。
      从图7可以看出，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g=15°。
   2. 主偏角(k_r)
      其大小影响着3个切削分力的大小和比例关系。主偏角对切削力的影响，见图8。 % V) F' z# P, H! g. C$ o) _2 @& a
      从图8(略)可以看出，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。
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      图9 刃倾角对切削力的影响

   3. 刃倾角(l_s)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。刃倾角对切削力的影响，见图9。 ) Y5 \ X7 ^, s- s
      从图9可以看出，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。刃倾角在-10°～+10°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，常采用正刃倾角+3°～+10°，以使切屑流向待加工表面。

3 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。

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