東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心 （遼寧 沈陽 110004） 張立君 張樹軍 劉春城 劉 悅 張國斌

細(xì)長軸零件的數(shù)控車削技術(shù)

東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心 （遼寧 沈陽 110004） 張立君 張樹軍 劉春城 劉 悅 張國斌

如圖1所示拉伸試件零件，其長度L與直徑d之比大于或等于25時，稱為細(xì)長軸，由于細(xì)長軸零件本身剛性差（L/d值越大，剛性越差），歷來是車削加工中的難題，在數(shù)控車床上車削過程中也會出現(xiàn)更多的問題：①切削時極易產(chǎn)生彎曲變形、振動，影響加工質(zhì)量和刀具壽命。②在加工脆性金屬材料的細(xì)長軸時，由于不便使用切削液，熱伸長使零件產(chǎn)生彎曲變形，嚴(yán)重時在刀具徑向切削力的作用會使零件在頂尖之間卡住或折斷，造成事故。③使用增加剛性的支承附件（中心架、跟刀架）時，支承爪與工件接觸壓力過大時，零件出現(xiàn)竹節(jié)形；接觸壓力過小時，支承附件起不到支承作用，零件出現(xiàn)多棱形。④刀具斷屑不理想時，長的切屑會纏繞在零件、刀具、支承附件上，影響表面質(zhì)量和切削的順利進行，也會損壞刀具。⑤尾座上的頂尖與主軸軸線有很細(xì)微的不重合時，零件就會形成圓錐輪廓，使直徑尺寸和圓柱度超差，也會影響跟刀架的接觸程度。⑥在加工特細(xì)小軸類零件時，受毛坯尺寸和零件形狀限制，無法使用增加剛性的裝置，零件會出現(xiàn)腰鼓形和振動，零件的表面質(zhì)量受到影響。⑦走刀路線長，刀具易磨損，使零件的圓柱度精度、尺寸精度、表面粗糙度難以保證，并使跟刀架的接觸程度發(fā)生變化，進而使零件出現(xiàn)錐度、竹節(jié)、多棱形的缺陷。⑧在數(shù)控車床上車削塑性細(xì)長軸零件，由于防護罩和切削液的使用，使用手動的支承附件，調(diào)整比較困難。刀具的切削過程不便觀察，不易掌握加工過程出現(xiàn)的問題。

圖1

針對細(xì)長軸零件剛性差，在加工時易出現(xiàn)振動和變形所導(dǎo)致的一系列問題，根據(jù)細(xì)長軸零件的結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量要求、數(shù)控加工的現(xiàn)場條件和安全可靠性等問題，需要研究合理的數(shù)控車削技術(shù)，其技術(shù)包括：合理制定加工方案；提高工藝系統(tǒng)（零件及裝夾方法、刀具的安裝、機床、夾具）剛性；確定合理的切削用量；合理選擇車刀材料及幾何形狀；減少零件的熱伸長；充分利用數(shù)控機床的指令編程技巧。以上是在數(shù)控車床上加工細(xì)長軸六個關(guān)鍵技術(shù)。

1.合理制定加工方案

（1）零件精度 對于精度較高的表面，應(yīng)考慮粗加工時因夾緊力、切削熱、切削力、內(nèi)應(yīng)力所引起零件變形和松動對加工精度的影響。需要實行粗精加工分開，能夠合理選擇機床，可以根據(jù)生產(chǎn)條件和機床狀況，使用精度低、剛性好、動力大的機床進行粗加工。選擇精度好的機床進行精加工。

零件同軸度精度不高或加工條件允許時，可以粗精加工分開，兩次裝夾使用接刀車削方法，每次各裝夾略小于零件的一半，第二次裝夾使用夾簧或自制對開夾套，能夠有效解決因零件剛性差所出現(xiàn)的問題。

（2）走刀路線 為了減少或消除切削時振動和變形，采用一夾一頂+支承附件方式裝夾時，粗車時應(yīng)從床頭向尾座方向低轉(zhuǎn)速大進給量的反向走刀車削，使縱向切削力沿零件軸線趨向尾座方向，由于軸向力拉緊零件，相當(dāng)于增加了零件的實際剛度，并且能夠避免零件軸向移位。如果使用一夾一拉+支承附件方式裝夾，正向和反向車削法均可使用。加工臺階軸時，實施先近后遠(yuǎn)，不僅使加工路線短，減少空走刀時間，更主要的是能夠保證零件的剛度，并減少跟刀架與頂尖刮碰的可能。

2.提高工藝系統(tǒng)剛性

（1）提高零件的剛性 數(shù)控車削塑性細(xì)長軸零件時，生產(chǎn)及工藝條件允許時，塑性材料的毛坯備料，應(yīng)多采用冷軋或熱軋棒料，并且先安排調(diào)質(zhì)熱處理工藝，后進行毛坯校直，使粗加工余量均勻，減少切削力變化對零件形狀精度的影響，這樣不僅減少加工工序，調(diào)質(zhì)熱處理也能夠提高零件的剛性。

（2）選擇合適的裝夾方法 要選擇正確的裝夾方法以保證加工質(zhì)量和安全，以外圓為定位基準(zhǔn)和裝夾表面不僅裝夾快速可靠，也能保持零件一定的剛性，所以加工細(xì)長軸多以外圓定位，采用卡盤裝夾。水平床身機床可以使用支承附件增加剛性。傾斜床身機床可以加裝可編程液壓自動定心中心架。零件長徑比較小時，選擇使用一夾（自定心卡盤或單動卡盤）一頂（彈性活動頂尖）+支承附件方式裝夾，長徑比較大時，毛坯備料時，要留有足夠的裝夾長度，以能夠使用一夾一拉+跟刀架（中心架）方式裝夾。為了避免零件夾緊后，和后頂尖的中心線不同心，使零件產(chǎn)生彎曲，卡爪夾持部分應(yīng)較短，以避免產(chǎn)生過定位。粗加工采用正向切削時，零件可能產(chǎn)生軸向移位，需要使用軸向限位裝置。

使用兩頂尖裝夾雖然易保證同軸度精度，但是剛性差，彎曲變形較大，而且容易產(chǎn)生振動。因此只適宜于安裝長徑比不大、加工余量較小、同軸度要求較高的工件。條件允許時，在粗加工工序，最好選用浮動卡盤，以浮動卡盤+雙頂尖裝夾，使用這種浮動夾緊的方式可以讓卡爪在夾緊過程中自動適應(yīng)不規(guī)則的軸頸外圓或毛坯面，從而避免過定位，同時也使夾緊牢固可靠。使用雙頂尖裝夾，兩端中心孔的長度尺寸要求控制準(zhǔn)確，否則在數(shù)控加工時，會造成工件的軸向尺寸超差，甚至出現(xiàn)撞刀事故。

（3）提高刀具的剛性 刀具安裝時，可以手動刀架觀察刀具在頂尖、尾座、卡盤、支承附件的極限位置，在其他刀具不產(chǎn)生干涉的基礎(chǔ)上，使刀具伸出的長度盡量短；使用剛性較好的刀桿，如采用切向剛度較高的彈性刀桿，不使用刀墊或只用一片刀墊。

（4）提高機床的剛性 主軸的跳動精度盡量小，條件允許可以使用傳動部件磨損小，主軸剛度高的機床，也可以調(diào)整主軸軸承軸向和徑向間隙，使其間隙盡量小，減少切削時的跳動。

（5）提高夾具的剛性 使用精度高、剛性好的刀架，同時刀架的底面接觸要良好；支承附件的支承爪應(yīng)施力均勻，使松緊適度、接觸良好；使用自定心卡盤跟刀架；卡盤爪的跳動盡量?。皇褂镁雀叩幕顒禹敿?；頂尖體表面接觸良好、跳動小。

（6）減振 在加工過程中，采用適宜的減振裝置。

3.切削用量的合理選擇

切削用量的選擇，在保證表面粗糙度和加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)該考慮如何減少和避免振動、變形為切削用量的第一考慮因素。

（1）切削速度ν 由試驗證明：車削時，ν在20～60m/min范圍內(nèi)易產(chǎn)生自振，且振幅最大，ν低于或高于此范圍，振動減弱，為此，車削細(xì)長軸的切削速度應(yīng)在低速（＜5m/min）或高速（＞80 m/min）之間選擇。此外，還可以通過周期性小幅改變主軸轉(zhuǎn)速來消除再生自振。

（2）進給量f 通過試驗，車削時隨著進給量的增大，振動減弱；在進給量較小時，振動增大。所以，切削用量的三個指標(biāo)中，首先應(yīng)該選取較大的進給量，不僅減少走刀時間，更能減少振動，提高刀具耐用度。

（3）背吃刀量ap選取較大的背吃刀量，雖然能夠使刀具避開毛坯硬皮，減少走刀時間。但相應(yīng)使切削力增大，大的切削力在零件剛性差時，振動不可避免會發(fā)生。且車削時背吃刀量愈大，振動和變形也相應(yīng)增大。所以，在考慮加工效率時，應(yīng)該通過選取較大的進給量來彌補減少背吃刀量而增加的走刀次數(shù)。

4.刀具的選擇

（1）刀具的材料 針對數(shù)控車削細(xì)長軸零件走刀時間長、不宜使用較高的切削速度、能夠連續(xù)充分使用切削液、切削時易振動、刀具需要具有鋒利切削刃等情況，綜合性能、價格、刀具壽命幾方面因素，應(yīng)該選擇耐磨性好、抗彎強度高的材料加工細(xì)長軸零件。

由于車削細(xì)長軸的切削速度相對較低，使用各種陶瓷材料時，不僅不能發(fā)揮其適宜高速切削的優(yōu)勢，在低速切削時由于其韌性相對較差，反而易崩刃。涂層硬質(zhì)合金材料刀具刀尖有鈍化處理，切削刃不鋒利，會造成較大的徑向切削力和振動，所以不是高速切削時，不建議使用陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金材料。除在低速切削時，可以選擇耐磨性好的高速鋼材料外，一般選擇普通硬質(zhì)合金、細(xì)晶粒硬質(zhì)合金中等抗彎強度高的材料。鎢鈷鈦（YT）硬質(zhì)合金雖然適合加工塑性材料，但YT15、YT30等牌號抗彎強度低，在切削時，若有振動，則更易崩刃，會造成零件截面尺寸突然增大，使跟刀架的跟緊程度驟然變化，使切削變壞。所以不建議使用上述兩種牌號。

車削塑性材料時能夠連續(xù)使用切削液，使切削溫度較低，切削熱對刀具的影響較小，且在加工細(xì)長軸時，切削速度相對較低，所以鎢鈷（YG）、鎢鈦鉭（鈮）鈷（YW）兩類硬質(zhì)合金盡管耐磨性不如鎢鈷鈦材料，但在加工細(xì)長軸時，其韌性好、抗彎強度高的特點反而更有利于切削，且容易刃磨出鋒利的切削刃。實際生產(chǎn)時可以使用YG、YW兩類硬質(zhì)合金中的硬度高、耐磨性好的牌號，如YG6、YG3、YW1、YW2；成批生產(chǎn)時，也可使用細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金，如：YG3X、YG6A、YG6X、YD05、YM051、YS2等，以提高刀具的壽命。

（2）刀具的結(jié)構(gòu) 基于減少刀具磨損，提高刀具壽命度，保證加工精度，減少換刀時間的原則，最好選擇機夾可轉(zhuǎn)位車刀，刀尖的過渡刃和圓弧半徑盡量小。使用焊接式刀具時，應(yīng)該選擇耐磨性好、抗彎強度高的牌號，能夠刃磨出所需的形狀和切削角度，以減少刀具磨損、崩刃而導(dǎo)致的換刀時間。

對于粗車刀，為了減小車削細(xì)長軸產(chǎn)生的彎曲變形，要求車削時產(chǎn)生的切削力越小越好，而在刀具的幾何角度中，前角、主偏角和刃傾角對切削力的影響最大。前角的大小直接著影響切削力、切削溫度和切削功率。增大前角，可以使被切削金屬層的塑性變形程度減小，切削力明顯減小。所以在細(xì)長軸車削中，在保證車刀有足夠強度前提下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γo=15°～30°，不僅有效減少振動，有利于斷屑，也能保持刀具一定的剛度；后角適當(dāng)減少，有利于減振。一般后角αo取2°～3°為宜，能夠提高刀具的剛性，減少振動；選擇大的主偏角，使徑向切削力明顯減小，在車削細(xì)長軸時，一般采用大于80°的主偏角，使用中心架、跟刀架車削光軸時，主偏角κr選取在85°～90°；為了減少刀具副后刀面與已加工表面的摩擦而引起的振動；副偏角可以加大至20°～60°；刃傾角λS影響著車削過程中切屑的流向、刀尖的強度及3個切削分力的比例關(guān)系。隨著刃傾角的增大，徑向切削力明顯減小，在車削細(xì)長軸時，常采用正刃傾角λS=3°～10°，以使切屑流向待加工表面。

對于精車刀，高速車削特細(xì)長軸時，可以選用機夾可轉(zhuǎn)位精車刀，刀片材料為Ti（CN）金屬陶瓷，牌號為TN60，不僅硬度及耐磨性較高，其抗彎強度要高于其他金屬陶瓷材料。刀片為V形，前角γo=5°，后角αo=10°，λS=0°，刀尖角εr=35°，該刀尖帶有rε=0.3mm的圓弧修光刃。精車時，使加工表面穩(wěn)定達到Ra=0.4～0.8μm。低速精車時，可以使用寬刃細(xì)長軸精車刀，刀具材料：YG6。還可以是高速鋼和其他鎢鈷類、鎢鈦鉭（鈮）鈷兩類硬質(zhì)合金。刀桿最好使用彈性彈簧刀桿，以利于減振。

（3）刀具的安裝 安裝粗車刀時，刀尖應(yīng)高于零件中心0.3～0.8mm，使車刀后面與零件有輕微的接觸，增加了切削過程中的穩(wěn)定性；安裝寬刃精車刀時，刀刃應(yīng)低于零件中心0.2～0.5mm，使車刀的實際工作后角增大，減少對零件的摩擦，提高零件的表面質(zhì)量，也能防止刀刃啃入零件。使用機夾可轉(zhuǎn)位車刀加工光軸時，若有跟刀架支撐，刀頭安裝向右傾斜一定角度，使車刀的主偏角κr小于90°，在85°～90°，使刀具切削時有一定的徑向切削力使零件頂在跟刀架上，以避免零件跳動引起切削振動和扎刀。

5.減少零件的熱伸長

（1）合理使用切削液 由于防護罩的存在，為在數(shù)控機床上充分使用切削液提供了可靠的保證，在車削塑性材料時，一定要使用切削液，不僅有利于斷屑，并可以避免材料軟化形成積屑瘤，非常有效地減少零件熱伸長和變形，明顯降低零件表面粗糙度，提高刀具壽命，同時對中心架和跟刀架進行潤滑。由于細(xì)長軸零件剛性差，為了避免切削變形，即使粗加工時，其背吃刀量也不宜過大，切削速度較低，因此，無論是粗加工或精加工，均使用潤滑為主的切削液，如極壓切削油、較高濃度極壓乳化液等。使用時，宜采用大流量連續(xù)澆注的方法，以便同時對刀具和支承附件進行潤滑。

（2）使用彈性活動頂尖 采用一夾一頂方式裝夾零件時，最好使用彈性活動頂尖支承，能夠有效減少零件熱伸長所造成的強迫彎曲。在加工脆性細(xì)長軸類零件時，由于不便使用切削液，零件的熱伸長不可避免，所以，一定使用彈性活頂尖，以減少零件的熱伸長對零件形位精度的影響，保證切削的順利進行。

6.編程技巧的應(yīng)用

車削細(xì)長軸零件，走刀路線長，切屑極可能纏繞在零件、刀具、支承附件上，損壞刀具、劃傷已加工表面，影響切削的順利完成，車削時，除了以合理的切削用量和斷屑槽進行斷屑外，也可以使用“G04”暫停指令進行程序斷屑；使用機床操作面板上的“進給保持”功能在不停機狀態(tài)下，調(diào)整支承附件、頂尖的接觸程度；使用“M00” 暫停指令和“M01”選擇停指令進行尺寸檢查、調(diào)整卡盤夾緊力、支承附件、頂尖的支承程度；使用一臺數(shù)控車床成批加工脆性材料時，還可以使用“M00”暫停指令進行程序暫停，卸下粗加工后溫度較高的留有精加工余量的工件，重新裝夾已冷卻至室溫的工件進行精加工，以保證加工精度，減少等待時間。

受生產(chǎn)條件和零件結(jié)構(gòu)限制，不能使用增加剛性的支承附件時，零件經(jīng)常出現(xiàn)中間粗、兩頭細(xì)的腰鼓變形，使零件的尺寸和圓柱度超差。在實際加工時，可以通過測量零件中間和兩頭的尺寸，計算出其凸圓弧半徑r，在手工編程時，采用逆向加工。以加工凹圓的方法，使用G02圓弧插補指令，按G02X(A)Z(B)R(r)凹圓編程，彌補零件的腰鼓變形（走刀軌跡見圖2）。

圖2

尾座上的頂尖與主軸軸線有很細(xì)微的不重合時，細(xì)長軸零件就會形成圓錐輪廓，使細(xì)長軸零件的直徑尺寸和圓柱度超差。在實際加工時，手動調(diào)整尾座頂尖與主軸軸線的同軸度一絲不差較為困難，此時可以通過編程方法糾正軸線不重合。例如在加工圖1零件時，經(jīng)過首件加工，測量拉伸部分右端尺寸為φ16.00mm，左端尺寸為φ15.95mm，按圖樣尺寸公差要求，出現(xiàn)左小右大的倒錐輪廓，試件的尺寸超差。實際采取左大右小的正錐輪廓編程，以補償形狀誤差。其精車程序如下（使用DASEN-3i系統(tǒng)編程）：

…

G01 X16.Z50.F0,07；

G01X16.05 Z450.；（零件左端實際尺寸車成φ16.00mm）

…

走刀軌跡如圖3所示。

圖3

7.結(jié)語

在數(shù)控車床上加工細(xì)長軸雖然比較困難，但只要抓住車削特點，充分利用數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)勢，針對細(xì)長軸零件的尺寸、形位、表面粗糙度的要求、結(jié)構(gòu)以及毛坯情況，從數(shù)控車削細(xì)長軸的六個關(guān)鍵技術(shù)入手，加工細(xì)長軸就不再是一個難題了。

20121212）