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纺 织机械细长轴加工工艺研究

1 细长轴加工工艺特点

细 长轴类零件的加工是一项工艺性较强的综合技术[2]。由 于细长轴本身刚性差(L/d值愈大,刚性愈差),在 车削和磨削过程中会出现较多的问题。

(1)刚性差。工件受切削、磨削力,自 重和旋转时离心力的作用,会产生弯曲、振动,严 重影响其圆柱度和表面粗糙度。

(2)热变形大。在切削过程中,工 件受热伸长使刚度进一步降低,加 剧工件产生弯曲变形,工 件受热产生弯曲变形,车 削和磨削就很难进行,严 重时会使工件在顶尖间卡住。

(3)废品率高。采用跟刀架,中 心架等辅助工夹具使操作技能要求提高,从而使机床、工 夹刀具等多方面的协调困难,增加了许多震动因素,这 都对加工精度产生诸多不良影响,使工件容易出现翘曲、振纹、锥度大、竹节等疵病而报废[2]

车 削和磨削细长轴的难度较大,但 它也有一定的规律性,主 要抓住中心架和跟刀架的使用、解 决工件热变形伸长以及合 理选择车刀几何形状等三个关键技术,控制好切削深度、走刀量、机床转速三要素,问题就迎刃而解了。

 

2 材料准备

本 文采用纺织机械传动主轴,材料为40Cr,外形尺寸为φ45mm×1265mm,加 工后成品外形尺寸要求为φ40mm×1260mm,如图1所示,其化学成分如表1所示。

由 于传动主轴要求有较高的强度,韧 性及良好的综合机械性能,要 求在车削之前对其进行调质热处理,且 调质处理能使工件的刚性大大加强,有利于切削加工。加 工中传动主轴的热处理工艺确定为:850℃油淬+520℃高温回火。由 于调质处理影响传动主轴的直线度,故 在车削加工前对调质后圆跳动较大的传动主轴进行校直处理。

表1    40Cr化学元素含量(%)

C

Si

Mn

Cr

其他

0.37~0.44

0.17~0.37

0.50~0.80

0.80~1.10

 

 

 

图1 传动主轴成品外形

成 品传动主轴的主要技术要求如下:

1.外径尺寸:φ40H8;

2.表面粗糙度:Ra≤1.6。

3.全长径跳:径跳<0.02mm;

 

3 细 长轴车削加工工艺研究

3.1合理选择定位基准

切 削中定位基准的选择是十分重要的,定 位基准选择不当会产生较大的定位误差,进 而产生较大的加工误差。所 以装夹工件时要合理选择定位基准,轴类零件的定位基准,最常用的为两顶尖孔。因 为细长轴类零件外圆表面、锥孔、螺纹表面的同轴度,以 及端面对轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目,而 这些表面的设计基准一般都是轴的中心线,如果用两顶尖孔定位,就 能符合基准重合的原则,而 且能够最大限度地在一次安装中加工出多个外圆和端面,符合基准统一原则。当 不能用两顶尖孔定位时,可 采用轴的外圆表面作为定位基准,或 以外圆表面和顶尖孔共同作为定位基准[3]。

根据本厂的实际情况,为 了在简化加工工艺的基础上提高细长轴的加工精度,实 际加工中采用了一夹一顶的装夹方式。即 一端采用卡盘而另一端采用顶尖装夹,尾 座顶尖采用弹性顶尖,可 以使工件在轴向自由伸长。

3.2 切削加工过程

细 长轴类零件的粗加工和半精加工通常采用车削。在车削加工过程中,工艺系统在切削力、夹紧力、重力、传动力、惯 性力的作用下会产生不同程度的变形,使 刀具与工件之间的相对位置发生变化,从而造成加工误差,机床、夹具、刀 具的受力变形较小可以忽略不计,则 工艺系统的变形将完全取决于工件的变形,因 此增加细长轴类零件的的刚性尤为重要[3]。为 了改善细长轴类零件的切削加工效果,采取了以下工艺优化:

3.2.1 掌握三个关键技术

车 削加工中的三个关键技术即中心架和跟刀架的使用、解 决工件热变形伸长以及合 理选择车刀几何形状。

3.2.1.1 使 用跟刀架支承细长轴

跟 刀架是车削细长轴类零件极其重要的附件。采 用跟刀架能提高工件的刚性,防止工件弯曲变形,抵 消加工时径向切削分力的影响,从 而减少切削振动和工件变形,但必须注意仔细调整,保 证跟刀架的支撑爪和工件表面保持良好的接触,跟 刀架的中心与机床顶尖中心保持一致[3]。从 跟刀架的设计原理来看,只 需两只支承爪就可以了,因 车刀给工件的切削抗力使工件贴在跟刀架的两个支承爪上。但是实际使用时,工 件本身有一个向下重力,以 及工件不可避免的弯曲,因此,车 削时工件往往因离心力瞬时离开支承爪、接 触支承爪而产生振动。故 需根据实际情况采用合适的跟刀架。使 用时先把跟刀架用螺钉固定在大滑板上,跟在车刀后面,随车刀进给移动,以抵消背向力,增加工件的刚性,减小变形,从 而提高细长轴的形状精度,并减小表面粗糙度[4]

3.2.1.2 减少工件热变形伸长

车削时,由于切削热的影响,使 工件随温度升高而逐渐伸长变形,这就叫“热变形”。在 车削一般轴类时可不考虑热变形伸长问题,但是车削细长轴时,因为工件长,总伸长量长,所 以一定要考虑到热变形的影响。故 在实际加工细长轴时必须从以下三方面来解决细长轴热变形伸长问题。

(1)使用弹性回转顶尖。用 弹性回转顶尖加工细长轴,可 有较地补偿工件的热变形伸长,工件不易弯曲,车削可顺利进行。
    (2)加注充分的切削液。车削细长轴时,不 论是低速切削还是高速切削,为 了减少工件的温升而引起热变形,必 须加注切液充分冷却。使 用切削液还可以防止跟刀架支承爪拉毛工件,提 高刀具的使用寿命和工件的加工质量。
    (3)刀具保持锐利。这 样可以减轻车刀与工件的摩擦,从而减少发热。

3.2.1.3 合 理选择车刀几何形状

车削细长轴时,由于工件刚性差,车 刀的几何形状对工件的振动有明显的影响。

(1)由于细长轴刚性差,为减少细长轴弯曲,要 求径向切削力越小越好,而 刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素,在 不影响刀具强度情况下,应 尽量增大车刀主偏角。车刀的主偏角一般取kr=80°~93°。

(2)为 减少切削力和切削热,应该选择较大的前角,取ro=15°~30°。

(3)车刀前面应该磨有R11.5~3的断屑槽,使切削顺利卷曲折断。

(4)选择正刃倾角,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,并要经常保持锋利。

(6)为了减少径向切削力,应 选择较小的刀尖圆弧半径(re<0.3mm)。倒 棱的宽度也应选得较小,取倒棱宽br1=0.5f。

综合考虑以上三要素,对 于纺织机械传动主轴,在 实际加工过程中采用两爪跟刀架,弹性顶尖及YT15硬质合金车刀,其主偏角90°、前角15°、刃倾角+3°、切 削刃的表面粗糙度在Ra0.4以上,保持锋利。

3.2.2 控制好车床三要素

车 床三要素即切削深度,进 给量及切削速度三要素。

3.2.2.1 切削深度αp

由于传动主轴为光圆,没有台阶面,车削时分三刀进行。第 一刀先粗车外圆尺寸到φ43mm,第 二刀半精车外圆尺寸到φ41.5mm,第 三道精车外圆尺寸到φ40.5mm。即 每次的切削深度变化为2mm-1.5mm-1mm。

3.2.2.2进给量f

进 给量主要应根据工件表面质量要求而定,一般情况可选0.15 mm/r~0.16 mm/r。粗加工时选大些,精加工时可选小些[2]

3.2.2.3切削速度V

提 高切削速度有利于降低切削力,减少切削变形,但 振动会随切削速度的增加而增大,所以,可选切削速度V=60 m/min~90 m/min,工 件的长径比及材料韧性大时Vc选小值,进给量大时V要降低,反之,要提高[2]

传 动轴车加工工艺如下:

粗车:转速n =450~500r/min;切削深度αp =1.5~2mm;进给量f=0.3~0.4mm/r。

半精车:转速n = 450~500r/min;切削深度αp =1~1.5mm;进给量f=0.15~0.2mm/r。

精车:转速n = 500~550r/min;切削深度αp =0.5~1mm;进给量f=0.1~0.15mm/r。

 

4 细 长轴磨加工工艺探讨

细 长轴类零件的精加工通常采用磨削,磨 削时采用两顶尖装夹。根据材料本身的特点(易弯曲、韧性高),选择合适的砂轮,进给量及冷却液。砂轮采用60#棕刚玉,粗 精磨每次磨削深度均在0.02-0.03mm左右。先 粗精磨一端且尽量接近总长,留一个砂轮宽度,精 磨后调头粗精磨另一头。

 

5 结论

在 影响细长轴加工精度的各种因素中,车 加工是最主要的因素,而 细长轴车加工精度的各种因素中,切削力是主要因素,为 减小切削力所引起的变形,就要选好跟刀架,以增强其刚性,减小变形,还 要选择合理的几何角度以减小改变走刀方向。

车 削和磨削细长轴的难度较大,但 它也有一定的规律性。在车削加工时,主 要抓住中心架和跟刀架的使用、解 决工件热变形伸长以及合 理选择车刀几何形状等三个关键技术,控制好切削深度、走刀量、切削速度这三要素,问题就迎刃而解了。根 据优化的车削及磨削工艺,成 品主轴达到了要求的技术条件,即 传动主轴的外径尺寸为φ40H8,表面粗造度Ra达到1.6以上,全长径跳均保持在0.02mm以下。

发布时间:2016-01-18
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