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中细长轴类工件的车削加工

在机械加工中,许多零件的长度与直径之比大于20~25(L/D≥20~25),如车床光杆、丝杆、材料力学试验台(本中心的主推产品)中的吊杆(见图1)等,这类零件统称为细长轴。细长轴零件刚性差、抗弯能力弱,在车削过程中因受到切削力、重力及切削热等因素的影响而易发生弯曲变形,使零件形成锥度、腰鼓形、水波纹及竹节纹等状况,不仅导致加工表面质量严重恶化,还缩短了机床和刀具寿命。

材力架吊杆

1.细长轴车削时产生变形的原因分析

在加工中,车削细长轴弯曲变形原因主要有:

(1)切削力导致变形。在车削过程中产生的切削力可分解为:轴向切削力Ff、径向切削力Fp和主切削力Fz。不同的切削力对细长轴产生的弯曲变形影响是不一样的。

轴向切削力Ff影响。轴向切削力是平行作用在细长轴轴线方向的力,当轴向切削力超过一定数值时,就会把细长轴压弯,从而使工件发生纵向弯曲变形(一般短轴类加工可忽略,它对工件弯曲变形的影响不是十分大)。

径向切削力Fp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。

(2)切削热产生的影响。车削时,由于切削热的影响,工件随温度升高而逐渐伸长变形,这种现象叫热变形。

工件长度热伸长量公式为:ΔL=α×Δt×L

式中,ΔL为工件长度热伸长量(mm);α为材料线性膨胀系数(可从有关书中查阅),如铸铁:1×10-5/℃,钢:1.17×10-5/℃,黄铜:1.7×10-5/℃;L为工件总长(mm);Δt为工件升高温度(Δt=工件加工时温度-未加工时工件温度)。

例如吊杆加工:长度L=760mm,直径14mm,材料45钢,切削热影响使工件升温30℃,则加工时细长轴热变形量ΔL=1.17×10-5×30×760=0.267mm

通过上式可看出,工件吊杆在加工时会伸长0.267mm。而在车削时,卡盘和尾架顶尖是固定的,这样两者之间的距离也是不变的,由于细长轴受热后伸长量受到限制,从而导致细长轴受到挤压产生弯曲变形。因此,提高细长轴的加工精度,要解决工艺系统的受力和受热变形。

2.解决细长轴车削过程中变形的工艺方法

单位的教学产品材料力学多功能试验台中有一根吊杆长760mm、直径14mm,是一个比较典型的细长轴零件。在最初的加工过程中由于加工工艺的不合理,车出的工件很难达到图样的要求,使零件产生锥度、水波纹及竹节纹等(见图4)缺陷。通过改进装夹方式、调整切削用量、改变切削方式等加工工艺的变化,最终加工出合格零件。

材力架吊杆加工中产生的缺陷

(1)采用一夹一顶方式。如果用普通顶尖,受切削热影响,工件肯定受到轴向挤压而产生弯曲变形,所以顶尖采用弹性活顶尖,使细长轴受热后可以自由伸长,提高加工精度。同时在卡盘卡爪与细长轴之间垫入一个约3~5mm的开口钢圈,减小卡爪与细长轴的轴向接触长度,消除装夹时的过定位,从而减小弯曲变形。

采用滚珠接触的跟刀架。生产中我们用跟刀架辅助支撑,以增加工件刚性和稳定性。普通跟刀架两爪支承,但由于工件本身的向下重力和工件校直不理想,车削时瞬时离开支承爪,接触支承爪时就产生振动,易形成水波纹。最终选择用滚珠接触的三爪跟刀架,使工件上下左右移动受限制,只能绕轴线旋转,减小车削振动和工件变形,而且滚珠接触的跟刀架将滑动摩擦变为滚动摩擦,可减小摩擦阻力。

使用跟刀架时注意:①主轴转速不能过高,给支撑爪上润滑油,防止过度磨损。②各爪支撑力要调整合理,过松不能支撑,过紧影响工件形状精度,容易出现竹节形而影响加工质量。

采用一夹一顶方式,方法简洁,不需过多的辅助工具和其他辅助加工。

(2)采用反向切削法车削细长轴。切削时车刀由卡盘向尾架方向进给,称为反向切削法。这时在加工中产生的轴向切削力使细长轴承受拉力,消除轴向切削力引起的变形。

反向切削法在加工时,需预先加工出一段过度轴,但不能保证其与加工轴同轴,所以决定不采用。

(3)采用双刀车削。双刀车削是采用前后两把车刀同时进行车削。两把车刀径向相对,前刀正装,后刀反装。车削时两把刀产生的径向切削力相互抵消,因此工件受力变形、振动都很小,加工的精度好。但需要改装车床中滑板,增加后置刀架,所以成本变高,只适用于专业大批量生产。


(4)合理选择切削用量。切削速度(v)的选择。图9所示为切削速度与振动强度及稳定性的关系曲线。

车削时v一般在30~70m/min的速度范围内,容易产生振动,此时相应的振幅值较大;高于或低于这个范围,振动呈现减弱趋势。所以当加工直径<15mm时,取v≤30m/min;当加工直径>15mm时,取v≥70m/min。

进给量f的选择。在机床功率刚性许可情况下选大进给量。根据经验,粗车时取f=0.15mm/r, 半精车时f=0.1mm/r,精车f=0.06mm/r。

背吃刀量ap(切削深度)的选择。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,因此在细长轴加工时,应尽量减少切削深度。根据经验,

粗车时ap=1mm,半精车ap=0.5mm,精车时ap=0.25mm。

(5)合理选择刀具角度。刀具几何角度中前角、主偏角和刃倾角对切削力的影响最大。

前角ro。前角大小直接影响切削力、切削温度。增大前角可使被切削金属层的切削变形减小,通过试验可知,当前角ro增加10°,径向分力Fp可减小30%。实际加工前角一般取ro=15°~30°,车刀前刀面磨断屑槽,宽2~4mm,使得出屑流畅,卷屑性能好。

主偏角Kr。主偏角增大,径向切削力减小,主偏角Kr= 75°~90°(装刀时装成85°~88°),

刃倾角。影响车削过程中切削流向,刃倾角增大,径向切削力减小,一般在-10°~ +10°范围内。细长轴加工时,采用+3°~+10°,使切削流向待加工表面,从而保护已加工面。

(6)细长轴螺纹的加工。细长轴螺纹(M12以下)在机床上难以加工,通常采取的方式是用板牙直接套出来。

1.工装套 2.未加工细长轴 3.定位孔4.紧固螺钉 5.板牙 6.已加工好的螺纹 7.板牙架 8.刀台

加工时用普通板牙装置套螺纹,发现容易产生半边切削,造成牙尖损坏、质量差、效率低和废品率高的现象。现改装普通板牙套如图10所示,以弥补存在的不足,提高细长轴螺纹的加工精度。

超长螺杆套丝夹具包括工装套、板牙架和紧固顶丝。工装套前面有保证超长螺杆加工精度的圆孔(圆孔主要起导向作用)和用来联接圆孔的保持架,后面有固定板牙圆套,圆套上有两个螺纹孔(一个用来联接支撑杆,另一个用来旋转紧固螺钉,使板牙固定在圆套上)。在加工超长螺杆时,将棒料一端夹紧,另一端放在定位圆孔内(棒料直径比圆孔直径小0.05~0.15mm),棒料旋转,超长螺杆套丝夹具向前走,棒料经过超长螺杆套丝夹具内板牙的加工,可加工出高精度的超长螺杆。

(7)材力架吊杆的车削方法。通过上述试验分析,决定采用以下方法解决生产中出现的问题。

首先对机床进行了两方面的调整:①车床主轴的调整:车床主轴过松,很容易造成在车削过程中的振动,因此要把机床主轴适当调紧,从而防止机床跳动和窜动对零件加工的不利影响。②尾座的调整:如果尾座的中心线和主轴的中心线不在一条水平线上,产生同轴度误差,车出的工件一定会出现锥度。

其次对零件的加工工艺进行分析,确定了加工工艺(见附表)。

经过上述办法可解决吊杆生产中出现的问题,使产品合格

3.结语

通过对车削加工中影响细长轴加工质量因素进行分析,将刚性差、抗弯能力弱及受热弯曲变形等问题,用调整机床的精度、改善装卡方式、正确刃磨刀具角度和选择合理切削用量等方法加以解决,从而有效地提高细长轴的加工质量,确保其加工精度。


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