□陳立新

廣東省技師學(xué)院 工業(yè)設(shè)計與制造系　廣東惠州　516100

軸端凹球面車削技術(shù)的研究與應(yīng)用

□陳立新

廣東省技師學(xué)院 工業(yè)設(shè)計與制造系廣東惠州516100

提出了在普通車床上快速車削軸端凹球面的加工思路和工藝方案，通過切削試驗(yàn)，測試了工藝參數(shù)（球面半徑R）、結(jié)構(gòu)參數(shù)（中心軸至尾套端面距離L）、切削參數(shù)（鋼絲進(jìn)給速度v）對球面輪廓度t和表面粗糙度Ra的影響。依據(jù)工藝方案和測試結(jié)果，設(shè)計制作了車削球面中心位置及半徑可調(diào)的工藝方案。經(jīng)多次切削加工后得出結(jié)論：該工藝方案在普通車床上車削軸端凹球面時，球面輪廓度t、表面粗糙度Ra的平均值分別為25 μm、3.2 μm。方案填補(bǔ)了普通車床快速、精確加工球面的技術(shù)空白。

目前，軸類或盤類零件的外圓及端部的球面車削只能在數(shù)控車床上完成，這樣可以保證球面的加工精度和表面質(zhì)量。若利用數(shù)控車床加工單一的球面，則浪費(fèi)了寶貴的設(shè)備資源，而在普通車床上由人工雙手操控幾乎不可能加工出合格的球面。因此，設(shè)計和制作在普通車床上能夠車削合格球面的工藝裝備是機(jī)械加工的一個重要課題，筆者從軸端凹球面著手，探索普通車床加工球面的加工思路和工藝方案。

1　普通車床球面車削加工思路與工藝方案

1.1加工思路

由數(shù)控理論可知，數(shù)控車床屬于2軸控制，通過直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能能夠在軸類或盤類零件的圓柱面和端面上，加工出圓弧曲面和錐面，通過宏程序還能夠加工橢圓、拋物線、雙曲線等復(fù)雜曲面［1］。而普通車床屬于單軸控制，刀具不能同時沿縱向和橫向運(yùn)動，所以只能加工圓柱面、端面或?qū)⑿⊥习逍D(zhuǎn)相應(yīng)的角度加工簡單的錐面。若要在普通車床上加工球面或其它非圓曲面，也必須由人工雙手操控，但即使是技術(shù)嫻熟的操作者，也很難加工出尺寸精度、形狀位置精度及表面質(zhì)量符合要求的曲面。因此，要在普通車床上加工尺寸精度、位置精度、形狀精度、表面質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求的外圓或端部球面，其工藝方案必須滿足以下條件：

（1）球面半徑必須連續(xù)可調(diào)、可控；（2）進(jìn)給速度必須連續(xù)可調(diào)、可控；

（3）切削速度和背吃刀量能夠可調(diào)、可控，以實(shí)現(xiàn)粗、精加工的轉(zhuǎn)換。

1.2工藝方案

根據(jù)上述思路，提出了以拖板、尾座、回轉(zhuǎn)刀盤為運(yùn)動主體的工藝方案，其工作原理如圖1所示。工件裝夾在普通車床上，尾座固定在機(jī)床適當(dāng)位置，刀具由壓緊螺栓固定在回轉(zhuǎn)刀盤上。鋼絲一端通過固定座和螺栓壓緊在回轉(zhuǎn)刀盤周邊圓弧槽上，另一端通過鋼絲架與拖板連接?；剞D(zhuǎn)刀盤通過中心軸安裝在支架上，支架通過其尾端錐柄固定在尾座錐套中。阻尼彈簧一端固定在回轉(zhuǎn)刀盤上，另一端固定在支架上。啟動機(jī)床，旋轉(zhuǎn)拖板橫向手柄，通過鋼絲架、鋼絲帶動旋轉(zhuǎn)刀盤和刀具至適當(dāng)位置；旋轉(zhuǎn)尾座手柄，調(diào)整刀具縱向位置，使刀具處于準(zhǔn)備切削位置。再旋轉(zhuǎn)拖板橫向手柄，使拖板向后運(yùn)動，并通過鋼絲架、鋼絲帶動回轉(zhuǎn)刀盤順時針運(yùn)動，開始切削凹球面，當(dāng)?shù)都獾竭_(dá)或超過中心位置時，本次切削完畢。反向旋轉(zhuǎn)尾座手柄，使刀具縱向退刀，反向旋轉(zhuǎn)拖板橫向手柄，回轉(zhuǎn)刀盤在鋼絲、阻尼彈簧的共同作用下，帶動刀具逆時針旋轉(zhuǎn)至切削準(zhǔn)備位置，根據(jù)設(shè)定或選擇的背吃刀量、切削速度，旋轉(zhuǎn)尾座手柄，調(diào)整刀具縱向位置，再進(jìn)行下一輪切削。最后根據(jù)設(shè)計要求和對刀位置進(jìn)行精加工，從而完成端部凹球面的加工。

圖1　軸端凹球面加工原理圖

1.3切削試驗(yàn)

上述工藝方案中，球面半徑、中心軸直徑、中心軸中心至尾套端面的距離等結(jié)構(gòu)或工藝參數(shù)，以及鋼絲的進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速等切削參數(shù)，對加工球面的尺寸精度、面輪廓度、表面粗糙度及球面至工件端面的位置度均有不同程度的影響。為確保軸端凹球面的加工質(zhì)量，必須對上述工藝方案進(jìn)行切削試驗(yàn)，以選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和切削參數(shù)?？紤]檢測手段和方法，分析結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)、加工質(zhì)量指標(biāo)的主次關(guān)系，將上述工藝方案簡化成如圖2所示的結(jié)構(gòu)，測試工藝參數(shù)——球面半徑R、結(jié)構(gòu)參數(shù)——中心軸至尾套端面距離L、切削參數(shù)——鋼絲進(jìn)給速度v對球面輪廓度t和表面粗糙度Ra的影響，其基本切削條件見表1，刀具基本參數(shù)見表2。

表1　工件基本切削條件

表2　刀具基本參數(shù)

1.3.1工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)對加工質(zhì)量的影響［2］

①工藝參數(shù)（球面半徑R）對加工質(zhì)量的影響。在表1、表2及中心軸至尾套端面距離L=85 mm、進(jìn)給速度v=0.25 mm/r的前提下，分別加工半徑R為 40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm的球面，測量球面輪廓度t、表面粗糙度Ra，并記錄，得出如圖3（a）所示的影響曲線。根據(jù)圖3（a）所示曲線，輪廓度t最大值為55 μm，最小值為19 μm，對應(yīng)的球面半徑R分別為100 mm、40 mm。表面粗糙度Ra最大值為6.3 μm，最小值為1.6 μm，對應(yīng)的球面半徑R分別為100 mm、60 mm。由曲線可知，球面輪廓度值t、表面粗糙度值Ra隨球面半徑R的增大而增大，基本呈線性關(guān)系，其原因主要是球面半徑R越大，刀具懸臂越長，剛性越差，系統(tǒng)穩(wěn)定性也越差，導(dǎo)致凹球面的輪廓度t、表面粗糙度Ra同樣越差。

②結(jié)構(gòu)參數(shù)（中心軸至尾套端面距離為L）對加工質(zhì)量的影響。在表1、表2及中心軸至尾套端面距離L分別為70 mm、75 mm、80 mm、85 mm、90 mm、95 mm、100 mm的前提下，加工半徑R=60 mm的球面，測量其輪廓度t、表面粗糙度Ra，并記錄，得出如圖3（b）所示的影響曲線。根據(jù)圖3（b）所示曲線，輪廓度t最大值為50 μm，最小值為16 μm，對應(yīng)的中心軸至尾套端面距離L分別為100 mm、70 mm。表面粗糙度Ra最大值為6.3 μm，最小值為1.6 μm，對應(yīng)的中心軸至尾套端面距離L分別為100 mm、60 mm。由曲線可知，球面輪廓度值t、表面粗糙度值Ra隨中心軸至尾套端面距離L的增大而增大，基本呈線性關(guān)系，其原因主要是中心軸至尾套端面距離越大，懸臂越長，剛性越差，振動越大，導(dǎo)致凹球面的輪廓度t、表面粗糙度Ra越差，但其對輪廓度t、粗糙度Ra的影響比球面半徑R要小。

1.3.2切削參數(shù)對加工質(zhì)量的影響

在表1、表2及中心軸至尾套端面距離為L=85 mm的前提下，以0.1～0.4 mm/r的進(jìn)給速度v加工半徑R=60 mm的球面，測量球面輪廓度t、表面粗糙度Ra，并記錄，得出如圖4所示的影響曲線。根據(jù)圖4所示曲線，輪廓度t最大值為60 μm，最小值為10 μm，對應(yīng)的進(jìn)給速度v分別為0.4 mm/r、0.1 mm/r。表面粗糙度Ra最大值為12.5 μm，最小值為1.6 μm，對應(yīng)的進(jìn)給速度v分別為0.4 mm/r、0.1 mm/r。由曲線可知，球面輪廓度值t、表面粗糙度值Ra隨進(jìn)給速度v的加快而增大，基本呈線性關(guān)系，其原因主要是進(jìn)給速度v越快，切削力越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，車削印痕越粗，導(dǎo)致凹球面的輪廓度t、表面粗糙度值Ra越差。

圖2　工藝系統(tǒng)簡化圖

圖3　工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)對加工質(zhì)量影響曲線

圖4　切削參數(shù)對加工質(zhì)量影響曲線

圖5　工藝方案結(jié)構(gòu)示意圖

切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，為了保證軸端凹球面加工質(zhì)量，中心軸至尾套端面距離L必須小于85 mm，進(jìn)給速度v必須小于0.25 mm/r。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計及切削參數(shù)選擇

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

工藝方案結(jié)構(gòu)如圖5所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計如下。

2.1.1中心軸直徑d

根據(jù)結(jié)構(gòu)及受力分析，中心軸主要承受彎矩和剪力，其直徑越大，強(qiáng)度和剛性越好，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，加工質(zhì)量越好，但能加工的最小球面半徑Rmin會增大；直徑越小，強(qiáng)度和剛性越差，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，加工質(zhì)量越差，但能加工的最小球面半徑Rmin會減小。綜合考慮強(qiáng)度、剛性及最小球面半徑Rmin，結(jié)合切削試驗(yàn)，取d=12 mm。

2.1.2回轉(zhuǎn)刀盤直徑D

根據(jù)結(jié)構(gòu)及受力分析，回轉(zhuǎn)刀盤主要承受彎矩，其直徑越大，強(qiáng)度和剛性越差，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，加工質(zhì)量越差，但可加工的最大球面半徑Rmax會加大；直徑越小，強(qiáng)度和剛性越好，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，加工質(zhì)量越好，但可加工的最大球面半徑Rmax會減小。綜合考慮強(qiáng)度、剛性及最大球面半徑Rmax，結(jié)合切削試驗(yàn)，取D=30 mm。

2.1.3中心軸至尾套端面距離L

對圖1、圖2結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，其支架主要承受彎矩。中心軸至尾套端面距離L越大，強(qiáng)度和剛性越差，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，加工質(zhì)量越差，但可加工的最大球面半徑Rmax會加大；直徑越小，強(qiáng)度和剛性越好，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，加工質(zhì)量越好，但可加工的最大球面半徑Rmax會減小。綜合考慮強(qiáng)度、剛性、回轉(zhuǎn)刀盤直徑D，結(jié)合切削試驗(yàn)，取L=80 mm。

2.1.4最小球面半徑Rmin的計算和確定

由圖6和圖7所示，Rmin計算如下：

由式（1）、式（2）求得：

可確定刀具結(jié)構(gòu)尺寸中a=16～18 mm，取a=17mm。用表2中刀具基本參數(shù)的副偏角Kτ'=15°代入式（3），計算得Rmin=34 mm?？紤]回轉(zhuǎn)刀盤直徑D及刀具最小伸出量，取Rmin=40 mm。

2.1.5最大球面半徑Rmax的計算和確定

由圖1可知，最大球面半徑Rmax基本不受結(jié)構(gòu)限制，但根據(jù)圖3工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)對加工質(zhì)量影響曲線可知，球面半徑R越大，刀具懸臂越長，剛性越差，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，導(dǎo)致凹球面的輪廓度t、表面粗糙度Ra越差。綜合考慮球面加工質(zhì)量和加工范圍兩個因素，最大球面半徑Rmax取85mm。

圖6　刀具結(jié)構(gòu)示意圖

圖7　數(shù)學(xué)計算模型

2.2切削參數(shù)選擇

由圖4切削參數(shù)對加工質(zhì)量的影響曲線可知，球面輪廓度值t、表面粗糙度值Ra隨進(jìn)給速度v的增大而增大，基本呈線性關(guān)系，綜合考慮工藝系統(tǒng)剛度、加工質(zhì)量和加工效率等因素，進(jìn)給速度v選擇如下：

粗加工時，進(jìn)給速度v取0.3～0.4 mm/r；精加工時，進(jìn)給速度v取0.15～0.25 mm/r。

3　結(jié)束語

（1）提出了普通車床精確加工軸端凹球面的加工思路和工藝方案，根據(jù)工藝方案的結(jié)構(gòu)、原理和受力條件，在基本切削條件和刀具基本參數(shù)一定的前提下，以不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)及切削參數(shù)組合進(jìn)行切削試驗(yàn)，測試了工藝參數(shù)——球面半徑R、結(jié)構(gòu)參數(shù)——中心軸至尾套端面距離L、切削參數(shù)——鋼絲進(jìn)給速度v對球面輪廓度t和表面粗糙度Ra的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在球面半徑R=40～65 mm，中心軸至尾套端面距離L=70～85 mm，進(jìn)給速度v≤0.2 mm/r的條件下，凹球面加工質(zhì)量較為理想。

（2）對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，在綜合考慮工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性、加工質(zhì)量、加工效率等因素的前提下，對中心軸直徑d、回轉(zhuǎn)刀盤直徑D、中心軸至尾套端面距離L、刀具結(jié)構(gòu)尺寸、球面半徑最小值Rmin、球面半徑最大值Rmax、進(jìn)給速度v、背吃刀量等結(jié)構(gòu)參數(shù)和切削參數(shù)進(jìn)行了分析計算。

（3）根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計，制作了一套半徑R=40～85 mm的軸端凹球面加工系統(tǒng)，并在R=40～85mm的范圍內(nèi)加工了6個凹球面，其球面輪廓度t、表面粗糙度Ra的平均值分別為25 μm、3.2 μm，加工質(zhì)量良好，達(dá)到設(shè)計要求，R=55 mm凹球面實(shí)物如圖8所示。

圖8　凹球面加工實(shí)物圖

［1］余英良.數(shù)控加工編程及操作［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［2］吳宗澤.機(jī)械設(shè)計師手冊［M］.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Presented a technical idea and processing plan for quick-turning of concave spherical surface at shaft end on a plain lathe，bycuttingit had tested the influence ofprocess parameters（spherical radius R），structural parameters（the distance L from center axis to the end surface of tail cone）and cutting parameters（feed rate of steel wire v）to the spherical profile tolerance t and surface roughness Ra.Based on the processing plan and test results，a process system available to adjust the spherical center&radius had been designed and made. Repeated cutting demonstrates that when the process systemis introduced for turning of concave spherical surface at shaft end on a plain lathe the average profile tolerance t is 25 μmwhile the surface roughness Rais 3.2 μm.The technological gap involvingfast&accurate processingofspherical surface on the lathes is filled up.

軸端；凹球面；車削技術(shù)；研究與應(yīng)用

ShaftEnd；Concave SphericalSurface；Turning Technology；Research and Application

TH162

A

1672-0555（2016）01-012-05

2015年9月

陳立新（1967—），男，本科，高級技師，主要從事機(jī)械制造工作