許雅勿，顏 德，竇鑫紅，施軍良，楊廣新

(西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西 西安 710043)

細(xì)長桿件雖然結(jié)構(gòu)簡單，但機械加工難度非常大，該類零件的加工精度問題多年來難以有效解決。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和普及應(yīng)用，利用數(shù)控車床加工軸類零件已成為最佳選擇。然而，一般的數(shù)控車床大多受空間限制，不便于加工超出行程范圍的細(xì)長桿件；因此在很多情況下，大部分細(xì)長桿件的加工必須依賴于普通車床。在此情況下，本文提出了一種利用新型數(shù)控縱切車床加工細(xì)長桿件的新思路，以供同行參考借鑒。

1 細(xì)長桿件車床加工現(xiàn)狀及存在問題

1.1 加工現(xiàn)狀

所謂的細(xì)長桿件是指桿的長度L與直徑d之比(L/d)≥20。目前，細(xì)長桿件主要是采用普通車床加工，因而裝夾方式對細(xì)長桿件的加工具有重要意義。目前常用的裝夾方式有如下3種。

1)卡盤和頂尖夾持。該種裝夾方式適用于單件小批量的細(xì)長桿件加工。

2)卡盤、頂尖和跟刀架夾持。該種裝夾方式可加工較長的細(xì)長桿，但對于較細(xì)的細(xì)長桿件，調(diào)節(jié)困難。

3)卡盤和拉力尾座夾持。該種裝夾方式需要拉力尾座和特殊夾頭，多由較大的加工企業(yè)自己進行技術(shù)革新，自行設(shè)計尾座和夾頭，滿足大批量細(xì)長桿件生產(chǎn)的需要。

1.2 存在問題

普通車床加工細(xì)長桿件的生產(chǎn)效率不高，但廢品率卻較高。主要原因是由于細(xì)長桿件的長徑比大，剛度小，在加工時受切削力、裝夾力和切削熱等因素影響，極易導(dǎo)致彎曲變形，致使細(xì)長桿件在加工后出現(xiàn)波紋、錐度、多棱、竹節(jié)、圓柱度差和彎曲等加工缺陷；同時細(xì)長桿件的彎曲變形還會引起工藝系統(tǒng)的振動，進而降低工件的加工精度和表面粗糙度，在某些嚴(yán)重情況下還會造成打刀，導(dǎo)致最終無法加工。此外與加工者的操作水平也有很大關(guān)系。

2 普通車床加工變形原因分析

用普通車床加工細(xì)長桿件，產(chǎn)生加工變形的原因很多，最主要的原因是加工過程中產(chǎn)生的受力變形和受熱變形。

2.1 受力變形[1]

圖1 細(xì)長桿件車削受力分析

2.2 受熱變形

在車削時細(xì)長桿件熱擴散性差，由于車床主軸卡盤和尾架頂尖之間的距離固定不變，當(dāng)工件的熱伸長量達到一定值時，會產(chǎn)生彎曲變形。細(xì)長桿件熱變形伸長量ΔL的計算公式為：

ΔL=aLΔt

式中，a是桿件線膨脹系數(shù)，單位為1/℃；L是桿件的總長，單位為mm；Δt是桿件升高的溫度，單位為℃。

由此可見，工藝系統(tǒng)的熱變形和受力變形是影響細(xì)長桿件加工精度的兩大主要原因，可以通過調(diào)整機床，應(yīng)用加工輔具，選用合適刀具和控制切削用量等措施對其進行控制。

3 減小細(xì)長桿件加工變形的工藝新方法

為了解決上述受力及受熱的變形問題，本文著重介紹了一種利用新型數(shù)控縱切車床來完成該類零件加工的技術(shù)，下述就加工中幾個主要因素進行分析說明。

3.1 加工設(shè)備的選擇

為了有效減小普通車床及一般數(shù)控車床在加工細(xì)長桿件的過程中，由于刀具的切削徑向力PY而導(dǎo)致的零件彎曲變形，在徑向切削力一定的條件下，最主要的就是考慮如何減小工件切削部位與工件夾持部位之間的距離，以增大零件剛度[2]。為此，筆者創(chuàng)新性地選擇了利用新型數(shù)控縱切車床來進行該類零件的加工，開拓了該類零件加工的新思路和工藝新方法。

該數(shù)控縱切車床加工原理如圖2所示。該設(shè)備最大的特點就是同時具備主、副軸及滑動式浮動導(dǎo)套。其中主軸的作用：一是夾持桿件材料毛坯；二是在加工過程中同時完成自動送料任務(wù)。副軸的作用：一是為主軸起輔助支承作用，夾持已加工細(xì)長桿件的左端，起到固定已加工部位的作用，保證切削過程的平穩(wěn)，防止細(xì)長桿件已加工部位在后續(xù)切削過程中因離心力的作用而引起的甩動，避免工件在加工過程中直線度的變化；二是起到夾持零件的作用，以完成右端面鉆孔攻螺紋等加工內(nèi)容?；瑒邮礁訉?dǎo)套是該車床的關(guān)鍵組成部分，它的作用是支承扶持工件的刀具切削部位，并可以隨著刀具沿軸向同步移動，使刀具與工件夾持部位一直保持最小距離，這樣增加了桿件剛度，避免了由于徑向切削力PY所引起的工件彎曲變形，是保證細(xì)長桿件加工精度的根本要素，這一特點是該設(shè)備最大的亮點，也是該設(shè)備與其他數(shù)控車床及普通車床之間最大的區(qū)別。該設(shè)備的另一特點是，所有外圓及端面孔等尺寸特性一次加工到位，不用分粗、精加工過程，可以極大地提高細(xì)長桿件的加工效率，縮短加工周期。

圖2 數(shù)控縱切車床加工原理圖

該設(shè)備加工細(xì)長桿件的加工過程如下：首先是主軸夾持工件材料毛坯，在車削一定長度的外圓時(已加工外圓部分未發(fā)生甩動)，啟用副軸夾持工件已加工外圓端部，副軸與主軸以相同的速度同方向旋轉(zhuǎn)。這時，可以一次性連續(xù)完成后續(xù)所有外圓及端面的加工。在整個加工過程中，伴隨著大量的冷卻液對刀具及工件切削部位進行充分地冷卻。

應(yīng)用該設(shè)備加工細(xì)長桿件的優(yōu)點如下：1)由于該設(shè)備中浮動式導(dǎo)套對工件切削部位的扶持支承作用，使刀具加工部位與工件夾持部位在整個加工過程中一直保持最小距離，極大地增大了桿件的剛度，這樣，可以最大程度地減小由于徑向切削力PY所引起的工件彎曲變形；2)副軸對細(xì)長桿件已加工左端部的夾持，可以有效防止工件已加工部位在后續(xù)切削過程中因離心力的作用而引起的甩動，也就避免了工件在加工過程中直線度的變化；3)大量的冷卻液對刀具及加工部位進行充分冷卻，一方面減小了工件的溫升而引起的熱變形，另一方面還可以提高刀具的使用壽命和工件的表面質(zhì)量。

3.2 加工前的毛坯棒料選擇

該數(shù)控縱切車床的主、副軸采用的是收管式夾緊材料毛坯的方式，因此，對桿件材料毛坯的外圓直徑精度要求較高。在選擇桿件毛坯材料時，應(yīng)盡量選擇磨光料或者拉直料。對于毛坯材料大小，盡量選擇與收管大小相匹配，以便于收管方便地夾緊工件毛坯。

（2）選擇3000光伏發(fā)電系統(tǒng)電池組件。在測得所有參數(shù)，布局安裝位置、傾斜角度等之后，有必要合理選擇發(fā)電系統(tǒng)電池組件。在當(dāng)前，電池組件主要有3種：

3.3 切削用量的合理選擇

切削用量主要包括切削深度、進給量和切削速度，其大小不僅影響加工效率，更會對切削力和切削熱產(chǎn)生重大影響。在普通車床車削細(xì)長桿時，要保持工藝系統(tǒng)的剛度不變，切削深度與切削力、切削熱成正比，要想減小力變形和熱變形，一般選擇較小的切削深度。然而，對于該數(shù)控縱切車床，無需考慮切削深度的大小，該設(shè)備可以實現(xiàn)一次達到工件所需的外圓尺寸切深要求，無需反復(fù)粗、精加工，與傳統(tǒng)的加工方法相比較，可以極大地提高細(xì)長桿件的加工效率。應(yīng)用該設(shè)備，主要考慮選擇適宜的進給量與切削速度即可。

4 改進前、后效果對比

以西安北方光電科技防務(wù)有限公司典型鈦合金細(xì)長桿件(某產(chǎn)品的鎖緊桿，如圖3所示)為例，對其加工工藝方案改進前、后效果進行分析對比。

圖3 典型鈦合金細(xì)長桿件

該零件的長徑比為37.5，為典型的細(xì)長桿類零件。改進前的工藝方案安排在普通車床完成加工，零件加工工藝流程為：棒料毛坯→各外圓及端面粗加工→熱處理去除應(yīng)力→各外圓及端面半精加工→熱處理去除應(yīng)力→各外圓及端面精加工→完工。

為此，筆者針對該問題進行了工藝攻關(guān)，對原工藝方案進行了優(yōu)化改進。改進后工藝方案是采用新型數(shù)控縱切車床來完成該零件各外圓及端面的加工，改進后零件加工工藝流程為：棒料毛坯→一次裝夾，利用主副軸完成零件各處外圓及端面加工→完工。

圖4 改進加工工藝方法后所加工零件實物圖

5 結(jié)語

本文通過分析目前細(xì)長桿件在普通車床加工產(chǎn)生變形的原因，創(chuàng)新性地提出了一種采用新型數(shù)控縱切車床加工該類零件的新思路和新方法。從該數(shù)控車床的加工原理，以及對該類零件進行加工試驗驗證的結(jié)果可以看出，該新型數(shù)控車床在加工細(xì)長桿件方面具有普通車床無可比擬的優(yōu)點，不但零件精度可以得到穩(wěn)定保證，還極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了加工成本，為目前細(xì)長桿件的加工難題提供了一種有效的解決方案。

[1] 王壽斌.基于質(zhì)量控制的細(xì)長桿類零件車加工工藝優(yōu)化[J].機械工程與自動化，2012(5):117-119.

[2] 劉敏，陳瑾.多錐度細(xì)長桿加工工藝改進[J].新技術(shù)新工藝，2014(10)：14-15.