提高细长轴上薄壁内腔加工精度的工艺实践

提高细长轴上薄壁内腔加工精度的工艺实践*

谭洪1，杨嵩2，史昊天2

(1.苏州大学 工程训练中心，江苏 苏州215021；2.北华航天工业学院 工程技术训练中心,河北 廊坊065000)

摘要：通过分析薄壁内腔细长轴零件的加工工艺，找出加工过程中震颤、刚性差、易弯曲变形等问题，采用改变刀具几何角度、控制切削用量、增加辅助夹具加强细长轴刚性的工艺措施，实践中解决了在细长轴上加工薄壁内腔时刚性差的难加工问题。在实际生产中应用此法保证了细长轴薄壁内腔加工精度和表面质量，同时还大大提高了加工效率。

关键词：薄壁；内腔；细长轴；辅助夹具

文章编号：1001-2265(2015)09-0132-02

收稿日期：2014-11-27；修回日期：2015-01-13

基金项目：*江苏省高校自然科学研究项目(11KJB460008)；江苏省高校自然科学研研项目(12KJB510029)；苏州大学2013年教改课题(5731503213)

作者简介：谭洪 (1977—)，男，辽宁阜新人，苏州大学实验师，硕士，主要从事现代制造技术教学与应用，(E-mail)tan9803@163.com。

中图分类号：TH162;TG506

The Technical Practice of Improving Machining Accuracy of Slender Shaft Upper Thin Wall Intracavity

TAN Hong1，YANG Song2，SHI Hao-tian2

(1.Engineering Training Center，Soochow University,Suzhou Jiangsu 215021,China;2.Tranining Center of Engineering and Techniques,North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang Hebei 065000,China)

Abstract：Through the analysis of processing technology of thin wall intracavity slender shaft parts,find out the problems of tremor,poor rigidity,easy bending deformation in the machining,Use these technological measures,such as changing the tool geometry angles,control of cutting parameters,adding auxiliary fixture to strengthen the rigidity of slender shaft,In practice,the problem of poor rigidity in the machining of shaft slender thin wall intracavity can be solved.In the actual production,with this method can ensure the slender shaft thin wall intracavity machining accuracy and surface quality,at the same time, also greatly improves the processing efficiency.

Key words： thin wall;intracavity;slender shaft;auxiliary fixture

0引言

薄壁内腔细长轴零件是指轴的长度与直径之比大于25(L/D>25)并在轴上进行如切削键槽，螺纹孔等加工项目的零件。它是机器上的重要零件之一，连接机器上的传动零件，使传动零件具有相对确定的位置并传递运动和扭矩，如机床上细长传动轴、车床上的丝杠、光杠等都属于这一类零件。薄壁内腔细长轴零件通常加工比较困难，存在加工余量大、刚度不足、在切削加工过程中极易产生振动、弯曲变形的加工难度，造成尺寸和形状位置误差增大从而影响到加工精度，且降低了加工效率[1-2]。研究表明，影响薄壁内腔细长轴零件加工变形的主要因素是毛坯材料、细长轴结构形状、加工工艺方法、加工条件等[3]，其中研究工艺方法是解决加工变形的重点。控制切削热和切削振动是防止细长轴薄壁零件加工变形，提高加工精度的重要途径[4]。文中主要论述了在切削过程中减小振动的工艺措施，在研究加工刀具的切削角度和切削用量的基础上，设计并增加了细长轴专用辅助夹具，这些工艺措施能否提高薄壁内腔细长轴零件的刚性，是否能起到减小切削震颤的作用，能否提高加工精度都给出了实践结论。

1确定薄壁内腔细长轴的加工工艺

如图1所示的薄壁内腔细长轴零件，零件材料选用2A12[5]，加工直径22mm，总长600mm，键槽长×宽为520mm×20mm。如图2零件的剖面视图所示零件最薄位置仅厚1.2mm，零件的长径比600mm/22mm≈27.3，属于典型的薄壁内腔细长轴类零件，在加工的过程中由于刚性不足，会产生剧烈的震颤，容易使细长轴产生弯曲变形，同轴度和直线度误差变大，严重影响了加工质量。在加工此类薄壁细长轴零件的过程中，采用合理的装夹方法是关键[6]。首先是粗车，采用一夹一顶的装夹方法在数控车床上粗车细长轴[7]，粗车留至2mm的加工余量并切断；然后将细长轴一夹一顶装在分度头上，在数控铣床上加工一侧键槽内腔，旋转180°后采用相同的切削深度加工另一侧键槽内腔，就这样采用均匀分层、反复旋转、对称去除余量的加工方法，完成两侧键槽的粗加工，对称加工能防止加工内应力集中引起细长轴弯曲变形，两个键槽加工面单边留有1mm的加工余量。完成粗加工以后，紧接着对细长轴进行低温或是常温时效处理，完全释放应力，消除内应力对加工精度的影响，防止精加工过程中产生过大的应力变形[8]。接着在数控车床上进行精加工，保证长度和各直径尺寸，最后在数控铣床上进行键槽的精加工，最终保证加工完成的零件符合图纸设计要求。

图1　薄壁内腔细长轴零件

图2　零件剖面视图

2保证薄壁内腔细长轴加工质量的具体措施

零件精加工是保证加工质量的关键，针对细长轴结构上薄壁的特点会导致本身刚度不足，造成加工时的颤抖，因此先从刀具和机床角度考虑尽可能控制产生最小的切削力，而且还要考虑采用辅助夹具增加细长轴中部位置的支持点，来承受切削力，提高细长轴自身的刚度，防止切削振动。具体加工时就从合理控制刀具几何参数和加工切削用量、增加辅助夹具体等方面进行了工艺实践。

2.1刀具几何参数

刀具几何角度对于细长轴的精加工来说，只要在刀具耐磨性和使用寿命允许范围内就应该最大限度地保证刀具切削刃的锋利程度，经过多次加工实践验证选取合理的刀具几何角度是前角:γ0=15°～18°，后角:α0=18°～22°,主偏角:kr=85°～90°，副偏角:Ψr=10°～12°，刃倾角λs=10°～15°，通过不断修正刀具这些几何角度能很好的降低颤振，改善切削条件，提高加工质量，但这些角度中有的还互相制约，影响因素较多，不太容易同时控制达到最好效果。

2.2控制加工切削用量

切削用量是在机床调整前必须确定的重要参数，它对切削力、刀具的耐用度、加工精度和表面质量均有影响，细长轴类零件精加工时更加明显[9]。精车的主轴转速不能太高，以免细长轴中部受到过大离心力出现轴弯曲变形的情况[10]。在细长轴上铣削薄壁内腔键槽时，切削用量的选取要既能保证最高的切削加工效率，又能达到最好的切削加工质量，不能采用过大的切削用量防止细长轴上远离装夹点部位出现局部塑性变形，因此选用适当的切削用量至关重要。经过反复实践验证精铣键槽选取的最优切削用量数值是主轴转速n≤1000r/min，进给量fz=0.1mm/齿，背吃刀量ap=0.2mm，切削速度V=70m/min，保证把颤振效果降低到最理想状态，得到键槽加工表面质量最好的结果。

2.3利用辅助夹具

在实际生产过程中常常会遇到零件刚性不足的问题，就需要增加辅助夹具来解决[11]。细长轴零件只在精加工过程考虑刚性问题，在粗加工过程中一般不会存在。精车阶段只要控制住主轴转速并保证刀具锋利的前提下所产生的切削力就相对较小，刚性可以满足切削要求。这里仅讨论精铣键槽过程中是如何利用辅助夹具来消除颤振，保证键槽部位加工质量的具体做法。

细长轴总长600mm，一端采用分度头三爪卡盘夹紧，另一端使用活动顶尖进行定位夹紧的装夹方法。这种一夹一顶的装夹方法虽然保证细长轴的完全定位和可靠夹紧，可是由于细长轴中部位置没有支撑，远离装夹点，所以刚性太差，切削加工时不能抵抗切削力，容易出现加工颤振，加工面波纹，铣刀崩刃，零件松动撅起等的情况，为防止上述危险情况的发生采取了在细长轴中间增加了辅助夹具的方法来解决。如图3辅助虎钳提高刚度在细长轴上的应用所示，辅助虎钳是通过改造通用精密虎钳得到，改造过的辅助虎钳与通用精密虎钳的主要区别在于辅助虎钳的活动钳口做成“V”型铁形式，且增加了螺旋机构和锁紧机构可以调节活动钳口的高低来改变“V”型铁中心高并能方便实现锁紧。使用辅助虎钳要注意以下几点：①外圆尺寸φ22精车后尺寸精度要保持一致，为使用辅助虎钳提供前提条件；②采用分度头和活顶尖一夹一顶将细长轴装夹找正定位后，反复更换细长轴经过多次测量，准确得到细长轴安装定位后的中心高，调节辅助虎钳V型铁中心高与其等高，误差要求在0.01mm以内，防止形成过定位，影响加工精度；③一夹一顶将细长轴完全定位后，使用压表法将辅助虎钳固定钳口轻轻贴合细长轴，固定辅助虎钳的过程要观察表针不能有任何的变化，同时用0.01mm的塞尺检测固定钳口和细长轴之间的缝隙，既能保证接触面紧密贴合，又能保证细长轴转动自如，这样既能避免过定位，又不会影响整个细长轴定位精度；④每次装夹细长轴都要用压表法，保证使用辅助虎钳以后对细长轴定位没有任何影响，只能起到增强细长轴刚度的作用；⑤利用分度头旋转细长轴时，必须先松开辅助虎钳，使得“V”型铁与细长轴两者间隙在2mm以上，必须清除干净辅助虎钳固定钳口与细长轴之间的切屑，必须注意细长轴沿着固定钳口自下向上方向旋转，这样就可以避免切屑或毛刺在旋转的过程中不会挤伤或划伤细长轴表面。

图3　辅助虎钳提高刚度在细长轴上的应用

在其它条件相同的情况下，在数

表1　是否使用辅助虎钳对细长轴对称键槽加工的影响

从实验可得出使用辅助虎钳的加工方法可以增强细长轴刚性，改善加工切削条件，改变细长轴固有共振频率，避免细长轴弯曲变形、延长刀具的使用寿命，降低震颤和噪音，保证了细长轴对称键槽的加工质量同时提高了加工效率。

3结束语

细长轴在加工过程中要注意安排合理的加工工艺，通过控制刀具几何参数、选取科学的切削用量和增加辅助夹具的措施保证细长轴上薄壁内腔的加工精度。尤其对于细长轴上加工对称键槽时刚性不足的情况下，使用辅助虎钳能解决刚性问题，消除震颤，大大提高细长轴类零件整体的机械切削加工性能，而且操作简单方便，在实际生产中辅助虎钳很容易由普通虎钳改造得到，可操作性和可行性很高，具有广泛的指导借鉴作用。

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[11] 杨嵩，刘宵钰.消除薄壁零件车削颤振的加工实践[J].工具技术,2014(4):62-64.

(编辑李秀敏)