吳雁玲， 董　春， 任玉紅， 符代橋， 楊振業(yè)， 李嘉璐

（中國北方發(fā)動機研究所　機械制造廠， 山西　大同　037036）

引言

某型號柴油機的發(fā)動機機油泵由一層壓油泵和兩層回油泵串聯(lián)組成，主要零件包括前、中、后泵體，主、被動軸和主、被動齒輪，每層泵內有兩個主動齒輪和兩個被動齒輪，組成人字形。主、被動齒輪分別共用一根主動軸和一根被動軸，齒輪驅動主動軸，主動軸通過平座鍵驅動主動齒輪，帶動被動齒輪在被動軸上旋轉。前、中、后泵體通過四條長螺栓定位連接而成，分別為兩條緊固螺栓和兩條精密螺栓[1]。由于機油泵的裝配要求精密螺栓有精準的定位作用，且在發(fā)動機工作時，會隨發(fā)動機產生振動，工作條件非常惡劣，如果加工存在問題，會在使用中斷裂，因此螺栓的加工非常關鍵。

圖1　機油泵

圖2　機油泵縱剖面

圖3　精密螺栓示意圖（單位：mm）

1　問題提出

某批機油泵精密螺栓共加工126件，由于彎曲變形嚴重，其中55件精車后磨外圓沒有磨量，經測量發(fā)現外圓直線度大于0.3 mm，成品率只有56%，因此造成大量報廢。

2　變形原因分析

機油泵精密螺栓的加工工藝如下：下料—粗車成形—熱處理（調質）—精車成形—磨外圓—滾制螺紋—銑扁—最后檢查—氧化處理。查找變形原因，發(fā)現其主要因素為車削時切削力的影響和加工過程中產生的切削熱導致螺栓彎曲變形，具體分析如下。

2.1　切削力導致變形

我們采用的是一夾一頂的裝卡方式，在車削過程中，產生的切削力可分解為軸向切削力PX、徑向切削力PY及切向切削力PZ。其中主要的影響是徑向切削力PY。徑向切削力是垂直作用在通過細長軸軸線水平平面內的，由于細長軸的剛性較差，徑向切削力將會把細長軸頂彎，使其在水平面內發(fā)生彎曲變形，如下頁圖4所示。

2.2　切削熱產生的影響

我們在CA6140車床上加工精密螺栓，車削過程中工件會產生切削熱，引起工件熱變形伸長，精密螺栓的熱變形伸長量按下式計算：

式中：a為材料線膨脹系數，1/℃；L為工件的總長，mm；△t為工件升高的溫度，℃。通過實際測量得知加工時工件由原來的21℃上升到61℃，則△t=61℃-21℃=40℃;由機械手冊查得，40Cr的線膨脹系數a=11×10-61/℃，代入公式得△L=0.165 mm，由此可知，車削精密螺栓的變形伸長量為0.165 mm。

由于工件一端夾住，另一端用頂尖頂住，卡盤和尾架頂尖都是固定不動的，因此兩者之間的距離也固定不變，零件軸向伸長量受到限制，導致細長軸受到軸向擠壓產生彎曲變形，一旦產生彎曲，車削就很難進行，零件的工藝要求也難以保證。

由此可以看出，提高細長軸的加工精度問題，實質上就是控制工藝系統(tǒng)的受力及受熱變形問題。

圖4　徑向切削力PY引起零件變形

3　工藝改進措施

3.1　熱處理變形干預

熱處理變形是細長軸類零件變形的源頭，必須加以干預。在調質入爐時，要求零件需順序擺放，不得搭放。在出爐冷卻時要垂直入冷卻油，減少變形。

3.2　熱處理后校直

熱處理后校直也是減小零件變形量的關鍵。經過現場測量可以看到即使在熱處理操作過程中進行了控制，其變形量仍非常大。通過工藝試驗，我們發(fā)現如果零件的變形在0.8 mm以上，則粗車后，零件仍有0.5 mm以上的變形，很難在進行精車工序修正。因此，我們采用了壓力機校直，為了去應力，再進行回火處理，此道工序將零件的直線度控制在0.5 mm以內。

3.3　對零件裝卡方式進行改進

通過現場工藝試驗發(fā)現，如尾座頂尖頂的過緊，零件變形就會很大，如果頂的較松，則會產生振動，這時我們采用調節(jié)尾座頂尖的方法進行改善，針對這個問題試驗得到：粗車后在外圓單邊余量留2 mm的情況下精車，可以分兩次走刀，第一刀頂尖的頂力稍大，壓緊螺栓，在第二刀車削時手搖尾座手輪將頂尖稍稍松開，使頂力減小，減小精車時的彎曲變形。

3.4　合適刀具的選擇

機油泵螺栓在CK6140普通車床上進行加工，材料為40Cr調質，我們使用的機卡式外圓車刀為硬質合金刀片，刀片型號為CNMG120404AH，因為這種刀片的形狀為菱形80°，不是很鋒利，在精車余量較小時很容易產生振動，因此我們改進的措施是粗車使用該種刀片，而精車時再增加一把T字頭精車刀，該刀片為菱形55°刀片，刀片后角是0°，有孔，雙面帶斷屑槽，切刃長度為12 mm，刀尖圓弧半徑為0.4 mm，加工時切削刃表面粗糙度控制在Ra0.4 μm以下，并經常保持鋒利?，F場加工時發(fā)現兩種刀片結合使用效果更好，有效地消除了因刀具因素產生振動而導致精密螺栓直線度超差，更好地保證了外圓的加工精度和粗糙度的要求。

3.5　切削深度、切削速度、進給量參數的合理選擇

理論上切削速度越快，越容易產生振動，但切削速度慢，不僅影響加工效率，而且表面粗糙度較差。由于每種刀具的槽型都有一個比較大的切深范圍，粗加工時，切深盡量加大，保證最大的余量去除率；精加工時，切深盡量小，保證工件的尺寸精度和表面質量，但切深不能超過槽型的切削范圍。如果切深過大，刀具無法承受切削力，導致刀具崩刃；如果切深過小，刀具只是在工件表面進行刮削和擠壓，導致后刀面嚴重磨損，從而降低刀具壽命及表面質量。進給量與工件變形區(qū)中的變形量直接有關。當進給量較小時，變形量也較小。

粗車和半粗車細長軸切削用量的實際選擇原則是：盡可能減少徑向切削分力，減少切削熱。車削細長軸時，一般在長徑比較大時選用較小的切削用量，即多走刀，切深小，以減少振動，增加剛性[3]。

切削深度：在工藝系統(tǒng)剛度確定的前提下，隨著切削深度的增大，車削時產生的切削力、切削熱隨之增大，引起細長軸的受力、受熱變形也增大。因此在車削細長軸時，應盡量減小切削深度。

進給量：進給量增大會使切削厚度增加，切削力增大。但切削力不是按正比增大，因此細長軸的受力變形系數有所下降。如果從提高切削效率的角度來看，增大進給量比增大切削深度有利。

切削速度：提高切削速度有利于降低切削力。隨著切削速度的增大，切削溫度提高，刀具與工件之間的摩擦力減小，細長軸的受力變形減小。但切削速度過高容易使細長軸在離心力作用下出現彎曲，破壞切削過程的平穩(wěn)性，所以切削速度應控制在一定范圍。對長徑比較大的工件，切削速度要適當降低。

通過多次工藝試驗分析可知：粗車時，切削速度取55 m/min，進給量取0.3 mm/r，切削深度取1.7 mm；精車時，切削速度取85 m/min，進給量取0.1 mm/r，切削深度取0.6 mm?？蓪⒕苈菟ǖ闹本€度控制在0.025 mm以內，滿足了工藝要求的0.03 mm。

通過以上五個方面的工藝改進措施，在后續(xù)的零件生產中沒有出現直線度超差的現象，零件合格，說明工藝改進是成功的。

4　結語

細長軸的加工一直是軸類零件加工的難點。通過零件變形原因的分析，我們從減小熱處理變形、熱處理后的校直、加工過程裝卡方式及刀具、切削量改進五個方面進行了工藝研究，并得到了合理的解決措施，保證了零件的加工質量，提高了成品率。

[1]楊叔子.機械加工工藝手冊：第3版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]郭建華，張春明.CA6140機床車削細長軸刀具角度淺析[J].制造業(yè)自動化，2012（22）：21-22.

[3]陳日曜.金屬切削原理：第2版[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.