异型截面零件的切削加工技术

2018-07-20 46

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随着科技和生产的发展，机械设计与制造中具有特殊用途的异型截面零件越来越多，如多棱轴、凸轮轴、多边形轴、曲轴等，为了达到这些零件所需的性能要求，其加工精度和表面质量要求也越来越高。本文从异型截面零件加工方法及特点的分析入手，重点介绍异型截面零件的精密车削和砂带磨削加工技术。

1 异型截面零件的加工方法

异型截面零件的加工通常有三种途径：①直接成形法，如铸、锻、冲压等；②切削运动合成法，如车、铣、刨、磨等；③特种加工法，如线切割、电火花、激光加工等。其中，直接成形法是异型截面零件的主要成形方法，但由于其制造精度较低，表面粗糙度值较大，不能满足异型截面零件的精加工要求。特种加工法因效率低、成本高且不能加工轴向截面形状复杂的非圆截面零件而使其应用受到一定限制。因此，运动合成法切削加工是获得高精度异型截面零件的主要途径。

车、铣、刨、磨等是最常见的运动合成切削加工方法，均能加工出不同的复杂形状零件。在这些方法中，铣削和刨削目前尚难以获得很高的加工精度。磨削是常用的精密加工方法，且具有较高的生产效率，但普通磨削加工由于砂轮磨粒负前角较大、切削厚度小、磨粒易钝化、切屑易堵塞砂轮、磨削温度高、磨削力大、难以胜任磨削曲率变化大的工件等原因，其应用受到一定限制。精密车削是近年来发展较快的精密加工技术，尤其随着数控机床和金刚石刀具的广泛应用，使精密车削的加工精度和加工效率大大提高。

2 异形截面零件的车削加工

异型截面零件的车削加工方法主要有：①机械运动合成法，即通过机构的多方向运动合成产生异型截面的车削运动轨迹；②靠模仿形加工法，即利用靠模来控制车刀与工件的相对运动轨迹，形成所需工件形状；③数控车削法，即在数控车床上利用程序指令对机床进行控制，使机床自动完成规定的加工过程。其中，数控车削法生产效率和加工精度高，质量稳定，加工范围广，可用于各种异型截面零件的自动车削。当加工对象变化时，仅需调整数控程序，即可完成加工作业，特别适合多品种小批量的自动化生产。

3 异型截面零件车削加工的刀具角度分析

由于切削加工异型截面零件时刀具的工作角度是变化的，车削时可能出现较大的负前角或负后角。当出现负后角时，车刀与工件表面严重挤压、摩擦，使工件表面质量变差，甚至难以切除工件材料。因此加工异型截面零件时必须防止出现负后角，保证车刀具有正常的工作角度。

在车削异型截面零件时，刀具的工作角度不仅与进给运动和安装位置有关，还与工件的截面形状有关。刀具的前后角将随工件形状的变化而变化。下面以加工凸轮轴为例分析刀具工作角度的变化。
(a) (b) (c) 图1 车削凸轮轴时刀具角度的变化

如图1a所示，当切削凸轮轴圆柱部分时，不考虑进给运动和刀尖安装高低的影响，刀具的前角和后角等于刀具的标注角度；当切削凸轮轴升程部分时，由于工件形状的关系，刀具的工作前角减小，工作后角增大，如图1b所示。即 g_oe=g_o-h
a_oe=a_o+h

角度的变化值为h，h角的大小取决于工件截面形状。由数学关系知，曲线上任意点M的切线与该点矢量半径的夹角为y，h为y的余角，故有
tgh=tg( p -y)=ctgy 2

所以有
tgh= dr rdq

当切削凸轮轴回程部分时，工作前角增大，工作后角减小，即 g_oe=g_o+h
a_oe=a_o-h

当h>a时，刀具的工作后角为负值，而负后角车刀会严重挤压、摩擦工件表面，甚至无法切除工件材料。为保证刀具切削时工作角度不变，刀具应随工件旋转的位置摆动，如图2所示。

图2 车削凸轮轴时刀具摆动示意图

4 异形曲面零件的磨削加工

在异型截面零件的磨削加工中，砂带磨削是一种高效、高精度的加工方法，尤其对于异型曲面零件的加工效果更为理想。异型曲面零件一般磨削难度较大，而砂带的柔软性恰好能适应这类零件的加工特点。砂带磨削的接触轮、压磨板(块)和接触衬带均可按零件的曲面形状随意改变，使其在磨削过程中能很好地与曲面吻合，获得较好的成型效果。砂带磨削还具有加工温度低、粗糙度值低等特点，可使被加工零件获得良好的表面质量，克服砂轮曲面磨削中很难避免的磨削烧伤现象。此外，由于砂带制造技术及砂带质量的不断提高，砂带磨削在高精度曲面零件加工中已达到甚至超过了其它加工方法的水平，目前已可磨制摆线齿轮、罗茨轮、大模数渐开线齿轮、汽轮机叶片等。对于一般精度曲面零件的加工，砂带磨削的应用更为普遍。目前砂带磨削已成为异型曲面零件的一种高效精密加工方法。

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