喻紅中

（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550023）

1 引言

在機(jī)械行業(yè)中，細(xì)長(zhǎng)桿件經(jīng)常作為設(shè)備的重要部件應(yīng)用于各行各業(yè)中。根據(jù)使用條件的不同，細(xì)長(zhǎng)桿件在表面質(zhì)量、直線度、圓柱度與尺寸精度等方面都有不同的要求。綜合來(lái)說(shuō)，整體要求較高。因此在切削加工方面，由于桿件較長(zhǎng)、剛性較差等原因的存在，其加工方法稍有選擇不當(dāng)，則都很難得到理想的加工質(zhì)量。文章將通過(guò)以空心細(xì)長(zhǎng)活塞桿件為研究對(duì)象，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐，尋找到行之有效的切削加工方法。

2 空心細(xì)長(zhǎng)活塞桿件

2.1 結(jié)構(gòu)分析

該細(xì)長(zhǎng)桿為某型號(hào)大型數(shù)控設(shè)備上的空心細(xì)長(zhǎng)活塞桿件，如圖1所示。工件材質(zhì)為45#鋼，外圓直徑為φ40mm，空心細(xì)長(zhǎng)桿件長(zhǎng)2800mm，長(zhǎng)度與外徑之比為70∶1，空心桿件壁厚為9mm。

圖1 空心細(xì)長(zhǎng)活塞桿件

（1）長(zhǎng)徑之比較大。該零件長(zhǎng)徑之比為70∶1，由于長(zhǎng)徑之比大，所以工件剛性不足，切削加工時(shí)變形大；切削加工不平穩(wěn)，容易產(chǎn)生振動(dòng)；大量的切削熱容易導(dǎo)致工件產(chǎn)生變形，難以保證工件質(zhì)量；

（2）零件公差要求高。工件的圓柱度與圓度誤差要求較高，其中工件全長(zhǎng)圓柱度誤差為0.05mm，圓度誤差為0.01mm，外徑精度要求較高。

（3）表面質(zhì)量要求高。工件外圓柱面表面粗糙度要求為Ra3.2，切削加工方法選擇不對(duì)，或切削保障措施不當(dāng)，都很難滿足零件的表面質(zhì)量要求。

2.2 車削工藝分析

（1）剛性較差。零件裝夾不恰當(dāng)，在加工過(guò)程中，受切削力與重力的共同作用，容易發(fā)生彎曲變形。特別是中空管更容易產(chǎn)生振動(dòng)，以致影響加工精度和表面粗糙度。

（2）熱擴(kuò)散性較差。在切削熱的作用下會(huì)產(chǎn)生非常大的熱膨脹。如果細(xì)長(zhǎng)桿件的兩端都是固定支承，則工件將受熱伸長(zhǎng)，導(dǎo)致其被頂彎曲。

（3）幾何精度難保證。由于桿比較長(zhǎng)，一次切削加工走刀時(shí)間較長(zhǎng)，刀具磨損大，影響零件的幾何精度。

（4）加工輪廓形狀不穩(wěn)定。切削加工時(shí)，輔助工裝的調(diào)整配合不恰當(dāng)，將導(dǎo)致零件加工表面缺陷類型不同。

2.3 常見加工缺陷及原因分析

（1）柱體截面為多棱形。切削加工過(guò)程中，為提高工件剛性，常采用跟刀架用作輔助支撐，以提高工件剛性，以減小工件的彈性變形。但由于在調(diào)整跟刀架三個(gè)支撐與工件之間的加持力時(shí)，難以控制夾持力的大小，多會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，所以在切削加工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)柱體截面為多棱形狀，影響工件表面質(zhì)量。為更好地解決多棱形狀現(xiàn)象的產(chǎn)生，可適當(dāng)調(diào)整跟刀架支撐爪與工件之間的夾持力。調(diào)整順序依次為：先調(diào)整工件下方支撐爪，再調(diào)整刀具對(duì)面的支撐爪，最后調(diào)整工件上方的支撐爪，并確保每個(gè)支撐爪與工件表面的松緊程度合適。

（2）柱面呈竹節(jié)狀。切削加工時(shí)，由于切削熱的存在，作用于工件的熱量較多，此時(shí)工件因“熱脹冷縮”原因，作用在尾座頂尖上的作用力會(huì)增加，從而導(dǎo)致工件產(chǎn)生變形。通過(guò)調(diào)整尾座頂尖與工件之間的松緊程度，可很好的解決柱面呈竹節(jié)狀現(xiàn)象[1]。

（3）柱面帶錐度。通常加工細(xì)長(zhǎng)桿件時(shí)，都會(huì)選擇跟刀架作為輔助支撐，以提高工件的剛性，保證切削工件的表面質(zhì)量。但在選擇跟刀架支撐爪材料時(shí)，若選擇不合理，則隨著切削加工的進(jìn)行，支撐爪磨損加劇，工件直徑逐漸變大，柱面呈一定錐度。此時(shí)可以將支撐爪上的材料更換為硬質(zhì)合金材料。

（4）其它缺陷。當(dāng)?shù)毒咔敖?、刃傾角選擇較小，負(fù)倒菱選擇較大時(shí)，切削工件柱面有波紋狀花紋，此時(shí)可以通過(guò)綜合分析刀具幾何角度的合理選擇來(lái)防止缺陷的產(chǎn)生。

4 制定工藝方案

4.1 加工工藝準(zhǔn)備

（1）安裝工藝準(zhǔn)備。由于工件較長(zhǎng)，剛性較差，所以初次安裝定位時(shí)，采用一夾一頂方式將零件進(jìn)行定位。重點(diǎn)切削加工零件右端面和外圓面，以便安裝跟蹤刀架。

（2）制作輔助工藝裝備。粗車工件右端，并鉆內(nèi)孔，鉆削內(nèi)孔直徑為24mm、深度為50mm。隨后安裝堵頭，再在安裝好的堵頭外端面打中心孔。

（3）裝夾與定位。在工件左端套上直徑為5mm的鋼絲，鋼絲與工件左端面的就離為10～20mm。將工件左端（連同鋼絲一起）裝入三爪自定心卡盤內(nèi)，使鋼絲與三爪自定心卡盤端面之間的距離為15～20mm。如圖2所示。裝夾要求：安裝工件時(shí)，為達(dá)到良好的切削效果，確保工件與卡爪之間的接觸形式為線接觸；在尾座裝置彈性活動(dòng)頂針，當(dāng)工件在切削熱的影響下發(fā)生彎曲變形或受熱膨脹時(shí)，確保頂尖能作一定距離的軸向位移，減小變形。

圖2 細(xì)長(zhǎng)桿件的裝夾方式

（4）走刀方式的選擇。為減小軸向向左的切削應(yīng)力大小，達(dá)到切削加工效果，工件的切削加工采用反向走刀方式進(jìn)行。在切削力的作用下，可以使工件受力伸長(zhǎng)后，能向彈性頂尖處伸縮，減小工件變形。

圖3 反向走刀車削

4.2 確定工藝順序

通過(guò)對(duì)零件結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行工藝分析，空心細(xì)長(zhǎng)活塞桿件的切削加工采用多次粗車、半精車和矯形等方式交叉進(jìn)行，最后再進(jìn)行精車和砂帶磨削加工工藝。

零件加工工序具體劃分為：粗車—矯形—半粗車—校形—半精車—校形—精車—砂帶磨削。

另外，零件車削加工輔助工裝夾具為：三支承塊跟蹤刀架、裝夾工具彈性活動(dòng)頂針、墊塊、跟刀架支承等。

車削加工中還應(yīng)采用反向進(jìn)給車削方式和合理選擇刀具幾何參數(shù)、切削用量，以及專用冷卻液等一系列行之有效的措施，提高細(xì)長(zhǎng)活塞桿的剛性，滿足加工要求，并且提高生產(chǎn)效率。

4.3 確定工藝參數(shù)

4.3.1 刀具幾何參數(shù)選擇

為有效控制工件變形，提高工件表面質(zhì)量，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐證明，切削加工時(shí)，當(dāng)采用反向走刀方式進(jìn)行，刀具選擇為左偏刀、其主偏角選擇為75°時(shí)，所車削零件所獲得的表面質(zhì)量最好。

（1）粗車刀。粗車加工時(shí)，需考慮的是如何提高加工效率、減小殘余應(yīng)力、工件表面加工硬化等情況，以提高工件表面質(zhì)量。粗車加工刀具幾何參數(shù)的選擇應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：①為了減少切削震動(dòng)和彎曲變形，粗車刀具選擇時(shí)，可以適當(dāng)增大主偏角Kr，以減小徑向力Fr，增大軸向力Fa，工件徑向變形小。②增大前角γo，減小被切削金屬的變形，此時(shí)刀具與切屑間的摩擦力和正應(yīng)力也相應(yīng)下降，因此切削力減小，工件變形減小[2]。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，刀具前角ro選擇為15～20°，要求切削輕快。③為了能獲得較好的卷屑效果，刀具斷屑槽半徑選擇為2.5～4mm。綜上所述，刀具選擇為焊接式硬質(zhì)合金車刀，刀片牌號(hào)為YT15，刀桿材料為45號(hào)鋼，刀桿尺寸為25mm×25mm，調(diào)質(zhì) HB220～250。

（2）精車刀。精車加工時(shí)，主要考慮的是保證工件的表面質(zhì)量，同時(shí)控制零件變形。在對(duì)刀具幾何參數(shù)選擇時(shí)，著重考慮如何降低工件表面粗糙度，保證零件圓度誤差和圓柱度誤差在可控范圍之內(nèi)。具體內(nèi)容如下：①增大刃傾角λs，以減小徑向力Fr和增大軸向力Fa，從而減小工件的徑向變形量。故刃傾角選擇范圍為1.5～2°。②合理選擇負(fù)倒棱。前刀面上的負(fù)倒棱可以提高刃區(qū)的強(qiáng)度，但會(huì)增大工件的切削變形，所以精加工刀具的負(fù)倒棱越小，對(duì)精加工工件越有利。③刀刃必須研磨平直，刀具前刀面研磨光整，表面粗糙度達(dá)Ra0.8以上。因此，精加工刀具材料選擇為：刀片牌號(hào)W18Cr4V，熱處理HRC63～66；刀桿為彈性刀排。

4.3.2 切削用量選擇

切削用量選擇如表1所示。

表1 切削用量參數(shù)選擇

4.4 其它保障措施

（1）切削熱的控制。切削液的選擇依據(jù)以降低工件切削區(qū)域切削熱為主，通過(guò)降低切削熱以減小工件的熱變形量。所以選擇水溶性切削液，切削液牌號(hào)為ROCOL ULTRACUT 370。該種切削液適合高速切削加工，冷卻效果好。

（2）切削力的控制。通過(guò)對(duì)加工狀態(tài)下工件的受力分析，得出正向進(jìn)刀使工件處于正壓力狀態(tài)，從而導(dǎo)致了細(xì)長(zhǎng)工件變形嚴(yán)重。為此改變進(jìn)刀方式，由正向進(jìn)刀變?yōu)榉聪蜻M(jìn)刀車削，如圖3所示。工件處于拉應(yīng)力狀態(tài)，在車床上進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)效果明顯，從而解決了活塞桿的變形問(wèn)題。合理控制尾座頂尖在加工中的松緊程度。在實(shí)際加工中，采用了浮動(dòng)頂尖頂緊工件。在裝夾工件后，尾座頂尖的松緊可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)控制，判定的標(biāo)準(zhǔn)為：開車后，手捏住浮動(dòng)頂尖能制動(dòng)，則頂尖頂緊工件的力度合適。

（3）工件表面質(zhì)量保證。為提高零件表面質(zhì)量，通常在精加工之后，采用在刀架上安裝砂帶磨削機(jī)對(duì)零件表面進(jìn)行干式磨削。通過(guò)磨削工件外圓柱面來(lái)提高工件表面質(zhì)量。

5 結(jié) 論

總體來(lái)說(shuō)細(xì)長(zhǎng)活塞桿零件加工工序較多，切削條件比較嚴(yán)苛。但為了有效保證零件的加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，綜合分析得出；通過(guò)增設(shè)輔助工裝夾具、合理選擇刀具幾何角度、采取反向走刀方式與合理匹配切削參數(shù)的前提下，提高切削速度可大大提高生產(chǎn)效率，保證工件質(zhì)量。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速可選擇為300～400r/min，切削速度為30～50m/min。