基于数控纵切车床的细长杆件加工工艺改进

许雅勿，颜 德，窦鑫红，施军良，杨广新

(西安北方光电科技防务有限公司，陕西 西安 710043)

细长杆件虽然结构简单，但机械加工难度非常大，该类零件的加工精度问题多年来难以有效解决。随着数控技术的不断发展和普及应用，利用数控车床加工轴类零件已成为最佳选择。然而，一般的数控车床大多受空间限制，不便于加工超出行程范围的细长杆件；因此在很多情况下，大部分细长杆件的加工必须依赖于普通车床。在此情况下，本文提出了一种利用新型数控纵切车床加工细长杆件的新思路，以供同行参考借鉴。

1 细长杆件车床加工现状及存在问题

1.1 加工现状

所谓的细长杆件是指杆的长度L与直径d之比(L/d)≥20。目前，细长杆件主要是采用普通车床加工，因而装夹方式对细长杆件的加工具有重要意义。目前常用的装夹方式有如下3种。

1)卡盘和顶尖夹持。该种装夹方式适用于单件小批量的细长杆件加工。

2)卡盘、顶尖和跟刀架夹持。该种装夹方式可加工较长的细长杆，但对于较细的细长杆件，调节困难。

3)卡盘和拉力尾座夹持。该种装夹方式需要拉力尾座和特殊夹头，多由较大的加工企业自己进行技术革新，自行设计尾座和夹头，满足大批量细长杆件生产的需要。

1.2 存在问题

普通车床加工细长杆件的生产效率不高，但废品率却较高。主要原因是由于细长杆件的长径比大，刚度小，在加工时受切削力、装夹力和切削热等因素影响，极易导致弯曲变形，致使细长杆件在加工后出现波纹、锥度、多棱、竹节、圆柱度差和弯曲等加工缺陷；同时细长杆件的弯曲变形还会引起工艺系统的振动，进而降低工件的加工精度和表面粗糙度，在某些严重情况下还会造成打刀，导致最终无法加工。此外与加工者的操作水平也有很大关系。

2 普通车床加工变形原因分析

用普通车床加工细长杆件，产生加工变形的原因很多，最主要的原因是加工过程中产生的受力变形和受热变形。

2.1 受力变形[1]

图1 细长杆件车削受力分析

2.2 受热变形

在车削时细长杆件热扩散性差，由于车床主轴卡盘和尾架顶尖之间的距离固定不变，当工件的热伸长量达到一定值时，会产生弯曲变形。细长杆件热变形伸长量ΔL的计算公式为：

ΔL=aLΔt

式中，a是杆件线膨胀系数，单位为1/℃；L是杆件的总长，单位为mm；Δt是杆件升高的温度，单位为℃。

由此可见，工艺系统的热变形和受力变形是影响细长杆件加工精度的两大主要原因，可以通过调整机床，应用加工辅具，选用合适刀具和控制切削用量等措施对其进行控制。

3 减小细长杆件加工变形的工艺新方法

为了解决上述受力及受热的变形问题，本文着重介绍了一种利用新型数控纵切车床来完成该类零件加工的技术，下述就加工中几个主要因素进行分析说明。

3.1 加工设备的选择

为了有效减小普通车床及一般数控车床在加工细长杆件的过程中，由于刀具的切削径向力PY而导致的零件弯曲变形，在径向切削力一定的条件下，最主要的就是考虑如何减小工件切削部位与工件夹持部位之间的距离，以增大零件刚度[2]。为此，笔者创新性地选择了利用新型数控纵切车床来进行该类零件的加工，开拓了该类零件加工的新思路和工艺新方法。

该数控纵切车床加工原理如图2所示。该设备最大的特点就是同时具备主、副轴及滑动式浮动导套。其中主轴的作用：一是夹持杆件材料毛坯；二是在加工过程中同时完成自动送料任务。副轴的作用：一是为主轴起辅助支承作用，夹持已加工细长杆件的左端，起到固定已加工部位的作用，保证切削过程的平稳，防止细长杆件已加工部位在后续切削过程中因离心力的作用而引起的甩动，避免工件在加工过程中直线度的变化；二是起到夹持零件的作用，以完成右端面钻孔攻螺纹等加工内容。滑动式浮动导套是该车床的关键组成部分，它的作用是支承扶持工件的刀具切削部位，并可以随着刀具沿轴向同步移动，使刀具与工件夹持部位一直保持最小距离，这样增加了杆件刚度，避免了由于径向切削力PY所引起的工件弯曲变形，是保证细长杆件加工精度的根本要素，这一特点是该设备最大的亮点，也是该设备与其他数控车床及普通车床之间最大的区别。该设备的另一特点是，所有外圆及端面孔等尺寸特性一次加工到位，不用分粗、精加工过程，可以极大地提高细长杆件的加工效率，缩短加工周期。

图2 数控纵切车床加工原理图

该设备加工细长杆件的加工过程如下：首先是主轴夹持工件材料毛坯，在车削一定长度的外圆时(已加工外圆部分未发生甩动)，启用副轴夹持工件已加工外圆端部，副轴与主轴以相同的速度同方向旋转。这时，可以一次性连续完成后续所有外圆及端面的加工。在整个加工过程中，伴随着大量的冷却液对刀具及工件切削部位进行充分地冷却。

应用该设备加工细长杆件的优点如下：1)由于该设备中浮动式导套对工件切削部位的扶持支承作用，使刀具加工部位与工件夹持部位在整个加工过程中一直保持最小距离，极大地增大了杆件的刚度，这样，可以最大程度地减小由于径向切削力PY所引起的工件弯曲变形；2)副轴对细长杆件已加工左端部的夹持，可以有效防止工件已加工部位在后续切削过程中因离心力的作用而引起的甩动，也就避免了工件在加工过程中直线度的变化；3)大量的冷却液对刀具及加工部位进行充分冷却，一方面减小了工件的温升而引起的热变形，另一方面还可以提高刀具的使用寿命和工件的表面质量。

3.2 加工前的毛坯棒料选择

该数控纵切车床的主、副轴采用的是收管式夹紧材料毛坯的方式，因此，对杆件材料毛坯的外圆直径精度要求较高。在选择杆件毛坯材料时，应尽量选择磨光料或者拉直料。对于毛坯材料大小，尽量选择与收管大小相匹配，以便于收管方便地夹紧工件毛坯。

（2）选择3000光伏发电系统电池组件。在测得所有参数，布局安装位置、倾斜角度等之后，有必要合理选择发电系统电池组件。在当前，电池组件主要有3种：

3.3 切削用量的合理选择

切削用量主要包括切削深度、进给量和切削速度，其大小不仅影响加工效率，更会对切削力和切削热产生重大影响。在普通车床车削细长杆时，要保持工艺系统的刚度不变，切削深度与切削力、切削热成正比，要想减小力变形和热变形，一般选择较小的切削深度。然而，对于该数控纵切车床，无需考虑切削深度的大小，该设备可以实现一次达到工件所需的外圆尺寸切深要求，无需反复粗、精加工，与传统的加工方法相比较，可以极大地提高细长杆件的加工效率。应用该设备，主要考虑选择适宜的进给量与切削速度即可。

4 改进前、后效果对比

以西安北方光电科技防务有限公司典型钛合金细长杆件(某产品的锁紧杆，如图3所示)为例，对其加工工艺方案改进前、后效果进行分析对比。

图3 典型钛合金细长杆件

该零件的长径比为37.5，为典型的细长杆类零件。改进前的工艺方案安排在普通车床完成加工，零件加工工艺流程为：棒料毛坯→各外圆及端面粗加工→热处理去除应力→各外圆及端面半精加工→热处理去除应力→各外圆及端面精加工→完工。

为此，笔者针对该问题进行了工艺攻关，对原工艺方案进行了优化改进。改进后工艺方案是采用新型数控纵切车床来完成该零件各外圆及端面的加工，改进后零件加工工艺流程为：棒料毛坯→一次装夹，利用主副轴完成零件各处外圆及端面加工→完工。

图4 改进加工工艺方法后所加工零件实物图

5 结语

本文通过分析目前细长杆件在普通车床加工产生变形的原因，创新性地提出了一种采用新型数控纵切车床加工该类零件的新思路和新方法。从该数控车床的加工原理，以及对该类零件进行加工试验验证的结果可以看出，该新型数控车床在加工细长杆件方面具有普通车床无可比拟的优点，不但零件精度可以得到稳定保证，还极大地提高了生产效率，降低了加工成本，为目前细长杆件的加工难题提供了一种有效的解决方案。

[1] 王寿斌.基于质量控制的细长杆类零件车加工工艺优化[J].机械工程与自动化，2012(5):117-119.

[2] 刘敏，陈瑾.多锥度细长杆加工工艺改进[J].新技术新工艺，2014(10)：14-15.