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細(xì)長軸切削加工工藝方案分析

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細(xì)長軸切削加工工藝方案分析

摘要:針對長徑比大,加工時易變形,尺寸精度難以保證等問題,提出了減小加工裝夾時長徑比的工藝方案。保證中心孔的位置和精度,采用一夾一頂裝夾方式和卡爪內(nèi)側(cè)墊開口鋼絲圈,采用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)相結(jié)合的插補(bǔ)方式和軟爪夾持已加工表面,整個切削過程中充分冷卻。在西門子BRT5085型數(shù)控車床上進(jìn)行加工驗(yàn)證,結(jié)果表明該工藝方案能有效保證加工精度,提高細(xì)長軸的加工效率,降低廢品率。

關(guān)鍵詞:細(xì)長軸;工藝規(guī)劃;裝夾方式;插補(bǔ);冷卻液

引言

在機(jī)械加工中,一般將長度與直徑之比(L/D)大于20的軸類零件稱為細(xì)長軸[1]。由于細(xì)長軸剛性差,在加工過程中由于切削力和切削熱的作用,容易產(chǎn)生彎曲變形,改變規(guī)劃的刀具和零件相對運(yùn)動軌跡,加工后也常常會出現(xiàn)竹節(jié)、凸肚、錐形等加工缺陷[2],使工件尺寸精度和表面粗糙度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,廢品率高,效率低。為解決上述問題,國內(nèi)外眾多學(xué)者做了多方面研究,提出了一系列解決方案。劉旭[3]在研究細(xì)長軸加工時將尾座頂尖換成彈性回轉(zhuǎn)頂尖,有效避免尾座頂尖卡死現(xiàn)象。黃小東等[4]為了解決細(xì)長軸加工中振動較大,對心不準(zhǔn),表面質(zhì)量差的問題,設(shè)計(jì)了一種雙頭帶錐度車削專用機(jī)床,大大提高了生產(chǎn)效率。馬伏波等[5]建立了正向走刀和反向走刀車削細(xì)長軸誤差計(jì)算數(shù)學(xué)公式,為提高加工精度提供了理論依據(jù)。王小翠等[6]分析了裝夾方式對工件撓曲變形的影響,提出了切削用量優(yōu)化及加工變形誤差補(bǔ)償方案,實(shí)現(xiàn)柔性工件的高效精密數(shù)控加工。胡月明[7]提出了采用數(shù)控隨動支架控制細(xì)長軸的撓度變形,保證了背吃刀量在切削過程中的穩(wěn)定性,進(jìn)而保證加工精度。韓榮第等[8]設(shè)計(jì)了專用的跟刀架,使工件的加工精度和表面粗糙度得到大幅度提高。Shawky等[9]設(shè)計(jì)了傳感器實(shí)時監(jiān)測細(xì)長軸的壁厚,對車刀的切削位置進(jìn)行閉環(huán)控制,來提高細(xì)長軸的加工質(zhì)量。Choudhury等[10]設(shè)計(jì)了刀具在線振動檢測及減振系統(tǒng),通過光纖傳感器,將測量的刀具相對于工件的變化位移傳遞給振動控制組件,振動控制組件產(chǎn)生力來減小這種變化以此減少振動。學(xué)者的研究成果在一定程度上解決了細(xì)長軸加工中的一些問題,但某公司在做“分揀工作站”項(xiàng)目時,需要細(xì)長軸,現(xiàn)有方案要么條件不具備,要么方案不可行。因此,在加工該軸時,減小加工裝夾時的長徑比,加工另一端時配合軟爪,在零件出現(xiàn)尺寸超差時靈活運(yùn)用圓弧插補(bǔ)和直線插補(bǔ)相結(jié)合的插補(bǔ)方式進(jìn)行編程。利用現(xiàn)有機(jī)床設(shè)備,該工藝方案可加工出符合設(shè)計(jì)要求的細(xì)長軸。

1工藝規(guī)劃方案

1.1找中心位置,鉆中心孔

在細(xì)長軸類零件的切削加工中,中心孔屬于精基準(zhǔn),是其他工序的一個基本保障。因此中心孔關(guān)乎到軸類零件加工中的工序余量、頂尖的使用、零件的不平衡量、以及由此影響的零件精度。通過精準(zhǔn)調(diào)整機(jī)床的夾具定位和機(jī)床主軸的位置關(guān)系,以保證零件與刀具的正確位置,找出細(xì)長軸類零件支撐軸徑的幾何中心,并在此位置上加工出中心孔。三爪卡盤夾持細(xì)長軸毛坯件時,要避開卡爪夾持到毛坯件上的毛刺毛邊,造成毛坯件的幾何中心線和機(jī)床主軸中心線不重合。毛坯件要避免伸出主軸太長,車刀平毛坯端面時刀具沿直徑方向切削,若毛坯件伸出過長,毛坯件的震動就會很大,容易振斷刀尖,刀具磨損發(fā)熱也比較厲害,影響刀具壽命,而且加工出來的端面粗糙度大;平端面完成后,用尾座上裝夾的中心鉆鉆削中心孔,也會因?yàn)槊骷斐鲞^長,致使中心鉆在鉆削時容易折斷。毛坯件一般伸出主軸頭5~10mm即可,只要能將端面加工好,鉆出中心孔,伸出的長度越短越穩(wěn)定。

1.2一夾一頂

在切削加工中,常見的裝夾方式如圖1所示。三爪卡盤夾緊、一端用三爪卡盤,另一端用彈性頂尖、兩端都用彈性頂尖。分別建立刀尖接觸工件處的撓度方程,即式(1)~(3),根據(jù)撓度方程繪制撓度曲線如圖2所示。由圖2可以看出,選用一夾一頂?shù)难b夾方式具有最好的裝夾效果。

1.3使用開口鋼絲圈

在毛坯件的外圓套上一直徑為4~5mm的開口鋼絲圈,充當(dāng)墊片。開口鋼絲圈在卡爪內(nèi)側(cè)的凹槽中,以防止滑脫,如圖3所示。使用開口鋼絲圈,可以防止因工件輕微彎曲,卡盤夾緊,尾座頂尖頂緊,在卡爪處和尾座頂尖處產(chǎn)生附加彎矩。

1.4軟爪夾持已加工表面

在數(shù)控車床上采用三爪卡盤夾持工件,會夾傷已加工零件表面、產(chǎn)生不規(guī)則變形、定位精度不高、零件的同軸度難以保證等問題。將原有三爪卡盤中的硬爪更換成軟爪,如圖4所示,并對軟爪的夾持面進(jìn)行修整。軟爪的材質(zhì)硬度低于夾持工件的硬度,不易夾傷工件表面,同時可以根據(jù)不同零件設(shè)計(jì)、加工成不同裝夾直徑和形狀,減小卡爪對零件表面的局部壓強(qiáng),使得零件不易產(chǎn)生變形,很大程度上提高了零件的裝夾穩(wěn)定性與定位精度。在部分零件一次裝夾不能完成加工,需要二次裝夾加工時,軟爪可以有效地解決二次裝夾時形位公差的問題,節(jié)省了反復(fù)校正的輔助時間,提高加工效率。

1.5巧用圓弧插補(bǔ)和直線插補(bǔ)

數(shù)控車床在加工細(xì)長軸時常用的直線插補(bǔ)方式是“只沿Z向插補(bǔ)”方式,由于剛性差,在切削加工過程中,會使加工出的零件出現(xiàn)錐形和腰鼓形等形狀。解決的方法是,用圓弧插補(bǔ)或直線插補(bǔ)中“與X軸(或Z軸)有一定夾角插補(bǔ)”方式代替原來的“只沿Z軸插補(bǔ)”的直線插補(bǔ)方式。具體分兩種情況。(1)插補(bǔ)起點(diǎn)直徑到插補(bǔ)終點(diǎn)直徑一直在增大(或減?。?。如起點(diǎn)坐標(biāo)為X15Z0,直線插補(bǔ)指令G1X15Z-20,加工結(jié)束后,測得,插補(bǔ)起點(diǎn)直徑為15mm,插補(bǔ)終點(diǎn)直徑為15.05mm,此時可以將直線插補(bǔ)指令更換成G1X14.95Z-20后再次運(yùn)行程序。若起點(diǎn)坐標(biāo)為X15Z-150,直線插補(bǔ)指令G1X15Z-170,加工結(jié)束后,測得,插補(bǔ)起點(diǎn)直徑為15.05mm,插補(bǔ)終點(diǎn)直徑為15mm,此時可以將起始坐標(biāo)更換成X14.95Z-150后再次運(yùn)行程序。(2)插補(bǔ)起點(diǎn)直徑到插補(bǔ)終點(diǎn)直徑呈現(xiàn)先增大后減小,也就是腰鼓形。如起點(diǎn)坐標(biāo)為X15Z0,直線插補(bǔ)指令G1X15Z-20,加工結(jié)束后,測得,插補(bǔ)起點(diǎn)直徑為15mm,插補(bǔ)中間位置直徑為15.05mm,插補(bǔ)終點(diǎn)直徑為15mm,此時可以將直線插補(bǔ)指令更換成圓弧插補(bǔ)指令G2X15Z-20CR=1000.025后再次運(yùn)行程序。這里的CR=1000.025是圓弧插補(bǔ)的半徑值,如圖5所示。

1.6使用冷卻液

在加工過程中必須使用冷卻性能以及潤滑性能良好的冷卻液。要將開啟冷卻液的代碼指令放在最前邊,等冷卻系統(tǒng)正常噴出冷卻液冷卻時再按啟動按鈕切削加工。待加工結(jié)束時,冷卻液關(guān)閉的代碼指令也應(yīng)放在最后,確保工件充分冷卻。整個過程中冷卻液保持冷卻狀態(tài),既保證了較低的環(huán)境溫度,又對加工結(jié)束后的尺寸測量創(chuàng)造好的環(huán)境條件,避免因溫度的原因而導(dǎo)致的測量誤差。

2加工驗(yàn)證

零件如圖6所示,材料為304不銹鋼,表面粗糙度Ra3.2μm,同軸度0.025μm,零件全長為201mm,加工后去毛刺,銳角倒鈍。利用西門子BRT5085型數(shù)控車床加工該零件,加工前需要調(diào)整導(dǎo)軌平行以及頂尖與主軸同軸心。工序安排如下。(1)下料,ϕ22mm×205mm304不銹鋼。(2)安裝刀具,一號刀位粗車刀,二號刀位精車刀,如圖7所示。(3)找中心位置,鉆中心孔,如圖8所示。(4)粗加工外圓到ϕ21mm,如圖9所示。(5)修整中心孔。(6)三爪卡盤夾緊,頂尖頂緊,加工零件一端,如圖10所示。一端加工完成,如圖11所示。(7)軟爪夾持已加工工件表面,加工另一端。零件加工完成,如圖12所示。整個過程中使用冷卻性能以及潤滑性能良好的冷卻液,以帶走大量的切削熱,保證加工環(huán)境溫度和測量溫度。加工后,對零件進(jìn)行測量,如圖13、14所示。測量結(jié)果如圖15所示,可以看出零件達(dá)到設(shè)計(jì)要求,該工藝方案可行。

3結(jié)束語

(1)一夾一頂裝夾方式,裝夾操作簡單;軟爪夾持已加工工件表面,很大程度上提高了零件的裝夾穩(wěn)定性與定位精度,有效解決二次裝夾時形位公差的問題,節(jié)省輔助時間,提高了加工效率。(2)先粗加工一次毛坯外圓,消除了毛坯件在鑄造時外圓不圓和有毛刺的問題;在毛坯ϕ21mm外圓上套直徑為4~5mm的鋼絲圈;對中心孔進(jìn)行修整,這些措施保證零件外圓軸線與兩端中心孔軸線同軸心。(3)在整個過程中,采用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)相結(jié)合的插補(bǔ)方式對零件進(jìn)行編程加工,使零件尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求;充分澆注冷卻液,保證較低的加工環(huán)境溫度,以及為加工結(jié)束時的尺寸測量創(chuàng)造好的環(huán)境條件,避免因溫度的原因而導(dǎo)致的測量誤差。

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作者:梁滿營 吳鑫鑫 葛新鋒 單位:許昌學(xué)院