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论文细长轴的加工技术方法
车工技师论文
车工职业文章
文章类型:
技师论文
文章题目:
细长轴的加工技术方法
姓名:
杨强
职业:
不落轮镟床工
准考证号:
工作单位:
长沙市轨道交通运营有限公司
2015年9月8日
细长轴的加工技术方法
长沙市轨道交通运营有限公司杨强
摘要:
由于细长轴在加工中刚性差,在切削时受切削力、重力、切削热等因素影响产生弯曲变形,产生震动、锥度、腰鼓形和竹节形等缺陷,难以保证加工精度。
通过分析细长轴加工各关键技术问题对细长轴加工的影响,找到改进方法,从而提高细长轴加工的精度,保证合格率。
关键字:
细长轴技术问题加工方法精度
引言
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。
在车削加工过程中,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,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。
在切削力、重力和顶尖顶紧力的作用下,横置的细长轴很容易弯曲甚至失稳,因此,车削细长轴时必须改善细长轴的受力问题。
加工方法:
采用反向进给车削,选用合理的刀具几何参数、切削用量、拉紧装置和轴套式跟刀架等一系列有效措施。
一、提出问题
细长轴是机器上的重要零件之一.用来支配机器中的传动零件,使传动零件有确定的工作位置,并且传递运动和转矩。
当轴的长度与直径之比L/D>25时,轴称为细长轴。
“车工怕杆。
钳工怕眼’’是人们熟悉的口头语。
也就是说,由于细长轴的加工精度要求高,但细长轴本身的结构特点使之刚性差、振动大,所以加工起来存在一定的难度。
其加工特点如下:
1、细长轴刚性很差。
在车削加工时,如果装夹不当,很容易因切削力及重力的作用而产生弯曲变形,从而引起振动,降低加工精度和表面粗糙度。
2、细长轴的散热性差。
在切削热的作用下。
工件轴向尺寸会变热伸长,如果轴的两端为固定支承,则会因变挤而产生弯曲变形,甚至会使工件卡死在顶尖间而无法加工。
3、工件高速旋转时,在离心力作用下,加剧工件弯曲与振动。
4、细长轴轴向尺寸较长,加工时一次给所需时间长。
刀具磨损大,从而影响零件的几何形状精度。
二、分析细长轴车削加工时受力变形的主要原因
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)。
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。
(1)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)。
图1一夹一顶装夹方式及力学模型
(2)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)。
图2径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
1、机床的调整
细长轴的加工过程需要使用床身导轨的全部或大部分,因此机床本身的精度对加工效率、质量有着相当重要的影响。
由于机床导轨面磨损程度不同,因此首先要对机床做适当的调整。
使主轴中心和尾座顶尖中心线与导轨全长平行。
2、棒料的校直
对于精度要求高的零件要采用热校直法校直棒料,不宜冷校直,忌锤击。
3、选择合适的装夹方法
(1)两顶尖装央定位准确,容易保证工件轴度要求。
但该方法车削刚性较差,要求顶紧力适当,否则弯曲变形大,而且极易产生振动。
只适宜于长度与直径比不很大,加工余量小,需要多次以两顶尖孔定位来保证同轴度要求的工件加工。
(2)一端用卡盘夹紧,另一端用顶尖顶紧顶尖顶得太紧,工件切削时变热伸长变阻,将引起轴变形弯曲;顶尖顶得太松,则稳定性差,另外,顶尖孔与装夹基面往往不同轴,会形成装夹的过定位而使工件弯曲。
此时.可在三爪卡盘与工件问垫入—个开口钢丝圈,使工件与卡爪成线接触,使细长轴在自由状态下定位夹紧,不会产生内应力。
此外,后顶尖还可以采用弹性活顶尖,使工件变热伸长时不变阻,以减少弯曲变形
(3)一夹一拉装夹细长轴在车削过程中工件始终受到轴向拉力,因切削热而产生的轴向伸长量,可用后尾座手轮进行调整,这是加工细长轴比较理想的一种装夹方法
4、增加细长轴的刚性,减小车削时的振动,使用中心架和跟刀架来解决
使用跟刀架或中心架的加工特点:
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。
(1)当工件可分段车削时,中心架直接支承在工件中间。
采用这种支承,长度与直径之比可以减少一半,相当于减少了轴与支承跨距,细长轴的刚度可以增加几倍,能有效防止轴加工时的绕曲变形(见图3-1)。
图3-1中心架的装夹方法
(2)跟刀架固定在床鞍上,一般有两个或三个支承爪,跟刀架可以跟随车刀移动,抵消径向切削时可以增加工件的刚度,减少变形。
从而提高细长轴的形状精度和减小表面粗糙度。
跟刀架是加工细长轴及其重要的附件。
跟刀架的形式很多,但不管是哪种,其中心都必须与卡盘、尾座顶尖处于同一中心上(如图3-2)。
必要时可将圆柱铰刀或圆柱铣刀支持在三爪卡盘上,对跟刀架支撑头进行修正。
加工细长轴时最好采用三支柱的跟刀架,支柱的材料为普通铸铁,因为这种材料的磨损较小能保证加工精度,而且不会研伤工件表面,能提高工件表面的光洁度。
跟刀架爪与工件表面要接触良好,其压力大小是由操作者手感控制,不得过紧或过松。
过紧,工件随着走刀,会产生竹节形误差,表面粗糙度加大;过松,工件容易跳动产生椭圆形、三菱形、竹节形等误差,表面粗糙度也会增大。
图3-2跟刀架
5、减小热变形伸长影响
车削时,因切削热传导给工件,使工件温度升高,工件就开始变形伸长,其热变形伸长量为
式中:
1为材料的线膨胀系数;
L为工件总长;
t为工件升高的温度。
如前所述,车削细长轴时,一般用两顶尖或一端夹紧,另一端顶紧的方法加工,其轴向位置是固定的,如果工件变热伸长了dL,工件就受挤压弯曲,一旦产生弯曲后,细长轴就很难进行加工,因此,加工细长轴时,需采取措施以减小热变形的影响:
(1)使用弹性回转顶尖来补偿热变形伸长实践证明,用弹性回转顶尖加工细长轴,可有效的补偿工件的热变形伸长,工件不易弯曲,车削可顺利进行。
(2)采用反向进给车削反向进给是指刀具从床头到床尾方向作切削运动。
常规的切削方向使尾架的顶紧轴向力与切削轴向力B方向一致,加剧了细长轴工件的弯曲。
若反向进给,其轴向分力只对工件产生的拉力,使工件已加工部分轴向拉伸,与工件变热伸长方向一致,共同向弹性顶尖压缩。
为取得最佳效果,反向进给和弹性顶尖一般配合使用。
(3)加注充分的切削液车削细长轴时.无论是低速切削还是高速切削,使用切削液进行冷却,能有效地抑制工件温度上升,从而控制热变形。
(4)刀具应经常保持锐利状态,以减小刀具与工件的摩擦发热。
6、采用适当的车削方法
(1)一夹一顶上中心架,或两顶尖上中心架,正装车刀车削,适用于允许调头接刀车削的工件。
(2)一夹一顶上跟刀架,正装车刀车削,适用于不允许调头接刀车削的工件。
两爪跟刀架不适用于高速切削,三爪跟刀架适用于高速切削。
(3)一夹一顶或一夹一拉,卡盘央紧面用开口钢丝圈,上跟刀架,反向进给,适用于精车长径比大于50倍的轴(见图3-3)。
图3-3
(4)双刀切削法。
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。
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(见图3-4)。
图3-4双刀车削细长轴
(5)双顶尖法装夹法。
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.因此只适宜于长径比不大、加工余量较小、同轴度要求较高、多台阶轴类零件的加工。
(6)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。
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
7、适当的控制切削用量。
加工时,冷却液的浇淋要充分。
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。
8、选择合理的刀具角度
选择合理的刀具角度是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。
细长轴车刀必须保证如下要求:
切削力小,减少径向分力,切削温度低,刀刃锋利,排屑流畅,刀具寿命长。
从车削钢料时得知:
:
当前角γ0增加10°,径向分力Fr可以减少30%;主偏角Kr增大10°,径向分力Fr可以减少10%以上;刃倾角λs取负值时,径向分力Fr也有所减少(见图3-5)。
图3-5刀具切削几何角度
(1)前角(γ0)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γ0=150。
车刀前刀面应磨有断屑槽,屑槽宽B=~4mm,配磨br1=~,γ01=-25°的负倒棱,使径向分力减少,出屑流畅,卷屑性能好,切削温度低,因此能减轻和防止细长轴弯曲变形和振动。
(2)主偏角(kr)车刀主偏角Kr是影响径向力的主要因素,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,在不影响刀具强度的情况下应尽量增大主偏角。
主偏角Kr=90°(装刀时装成85°~88°),配磨副偏角Kr′=8°~100°。
刀尖圆弧半径γS=~,有利于减少径向分力。
(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。
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。
(4)后角较小a0=a01=4°~60°,起防振作用。
通过上述措施,车削细长轴时,只要做到采用合理的装夹方法和加工方法,正确选择刀具的几何角度及切削用量,恰当的冷却润滑,就可以保证细长轴的加工精度,避免返修,报废情况的发生,提高工作效率,节约生产成本。
四、参考文献
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