設(shè)計(jì)一種新型頂針裝置來加工小直徑細(xì)長軸，可實(shí)現(xiàn)將尾座巧變中心架，變尾座的軸向頂緊為徑向夾緊，從而消除細(xì)長軸在加工過程中因受力、受切削熱而導(dǎo)致的變形和熱伸長量，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
PART 1序言
小直徑細(xì)長軸在核電、內(nèi)燃機(jī)、火電汽輪機(jī)以及航空航天制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。細(xì)長軸車削技術(shù)一直是車削加工的難點(diǎn)，經(jīng)過長期的實(shí)踐積淀，目前針對(duì)細(xì)長軸類零件的加工方案越來越豐富。常見方法為采用專用設(shè)備，例如拉桿車床、雙刀塔車銑復(fù)合（上下刀塔同時(shí)車削）；或者采用先進(jìn)工藝，例如輔助支撐、分段車削、多道車削及振動(dòng)控制等，根據(jù)細(xì)長軸零件的形狀、材料及加工精度要求來選擇合適的方案[1]。但是在實(shí)際加工中，有時(shí)受制于生產(chǎn)條件，需要根據(jù)現(xiàn)有條件來制定加工方案。下面介紹的就是一種受制于現(xiàn)有生產(chǎn)條件的加工方法，基于一種新型頂尖裝置，將尾座巧變中心架，變尾座的軸向頂緊力為徑向夾緊力，消除細(xì)長軸的軸向受力，消除其因受力、受切削熱而導(dǎo)致的變形和熱伸長量，從而更好地保證產(chǎn)品質(zhì)量。
PART 2工藝難點(diǎn)
某新型閥桿結(jié)構(gòu)如圖1所示，為公司長徑比最大閥桿，其試制能否成功關(guān)系到未來閥桿改型升級(jí)方向，以及公司超超臨界汽輪機(jī)[2]660MW等級(jí)市場使用率。閥桿長度808.8mm，平均直徑約20mm，長徑比為40，同軸度0.025mm。閥桿為超細(xì)長軸[3]，材質(zhì)為高溫鎳基合金[4]，車削難度極大，極易彎曲變形，需氮化，且高溫環(huán)境會(huì)加大閥桿彎曲變形程度。因工件加工幾何精度要求高，故制造難度較大。
圖1 閥桿結(jié)構(gòu)
PART 3細(xì)長軸加工變形的原因
在細(xì)長軸加工過程中，存在多種因素導(dǎo)致工件變形，主要包括以下幾方面。
（1）裝夾方式及工裝使用的影響 由于細(xì)長軸零件的剛性通常較差，因此裝夾方式的選擇和工裝的使用至關(guān)重要。若裝夾不當(dāng)、定位基準(zhǔn)選擇錯(cuò)誤以及夾緊力不適當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致工件的過定位和變形，同時(shí)，不正確使用工裝夾具也可能引發(fā)各種形式的變形，如“竹節(jié)形”、“馬鞍形”和“菱形”等，這些問題均可能導(dǎo)致工件報(bào)廢。
（2）材料特性及內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響 細(xì)長軸零件的加工難易程度很大程度上受材料特性的影響。由于超細(xì)長軸在加工中需要去除大量材料，毛坯材料被去除時(shí)釋放殘余應(yīng)力，破壞工件的組織平衡狀態(tài)，因此導(dǎo)致顯著的加工變形。
（3）加工工藝方法及加工過程中的受力影響 由于細(xì)長軸零件的結(jié)構(gòu)和形狀多樣，因此采用的加工方法各異。然而，這些零件在加工過程中都面臨著共性問題，即不合理的工藝方法可能導(dǎo)致切削力增大，進(jìn)而引發(fā)工件振動(dòng)[5]和彎曲變形。此外，由于零件在離心力的作用下可能發(fā)生自振動(dòng)，切削力也會(huì)導(dǎo)致彎曲變形和振動(dòng)，因此確定合理的加工工藝方法以減小受力和振動(dòng)是提高車削質(zhì)量的關(guān)鍵。
PART 4細(xì)長軸加工變形的控制措施
為了控制細(xì)長軸加工過程中的變形，常采取以下措施。
（1）利用工裝改進(jìn)工件的裝夾方式 選擇合適的裝夾方式非常重要，如雙頂尖配合雞心夾頭裝夾、一夾一頂、一夾一頂一托、一夾一托以及一夾多托等。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)和形狀特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)难b夾方式，以提高工件的剛性，減小工件受力，消除振動(dòng)，盡可能減小和避免工件裝夾引起的變形，從而確保工件加工質(zhì)量。
（2）分步降低材料殘余應(yīng)力 殘余應(yīng)力在整個(gè)加工過程中都會(huì)影響工件的變形?？梢圆捎梅植郊庸さ姆绞剑ù旨庸?、半精加工和精加工，以逐步降低材料的殘余應(yīng)力。此外，還可以通過熱處理和時(shí)效等方式，減少應(yīng)力釋放引起的加工變形[6]。
（3）優(yōu)化加工工藝 降低受力是減小細(xì)長軸工件加工變形的關(guān)鍵。為此，需要采用合理的加工工藝方法，包括合理安排加工工序、選擇合適的刀具幾何角度、設(shè)定合適的切削參數(shù)以及設(shè)計(jì)有利于減小變形的刀具路徑。這些措施可以保證工件較少受切削力的影響，避免加工過程中的振動(dòng)。
PART 5工藝方案
根據(jù)超細(xì)長桿產(chǎn)品特點(diǎn)，在機(jī)床、刀具及切削參數(shù)一定的情況下，因影響車削質(zhì)量最重要的因素為裝夾方式，故從裝夾方式方面提出如下解決方案。根據(jù)公司現(xiàn)有設(shè)備情況，選擇Mazak QTN200帶尾座和單一中心架全功能數(shù)控車床，借鑒傳統(tǒng)細(xì)長桿加工方法，采用“一夾一托一頂”方式加工（見圖2）。
圖2 “一夾一托一頂”方式加工示意
通過試制，發(fā)現(xiàn)高精度細(xì)長軸要實(shí)現(xiàn)在通用設(shè)備上采用“夾、托、頂”方式加工，對(duì)操作人員的技能要求較高，其中對(duì)頂針的使用技巧相當(dāng)關(guān)鍵。因?yàn)榧?xì)長軸受軸向力極易變形，尺寸、幾何公差很難保證，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到如何消除細(xì)長軸的軸向受力變形上。
通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)有一種專業(yè)加工超細(xì)長軸的數(shù)控車床，此機(jī)床的特點(diǎn)為無尾座但附帶許多中心架，中心架只有徑向夾緊力而無軸向力。受此啟發(fā)，提出“一夾兩托”的方案（見圖3），將現(xiàn)有的尾座頂針轉(zhuǎn)換為中心架的功能。
圖3 “一夾兩托” 方式加工示意
經(jīng)過分析和實(shí)踐，設(shè)計(jì)出一種新型可調(diào)節(jié)尾座頂針裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，能夠?qū)崿F(xiàn)將尾座巧變中心架，變尾座的軸向頂緊為徑向夾緊，消除細(xì)長軸受力變形，通過對(duì)頂針夾緊力的控制，可以實(shí)現(xiàn)消除細(xì)長軸在加工過程中因受力、受切削熱而導(dǎo)致的熱伸長量，消除變形。
圖4 新型頂針裝置結(jié)構(gòu)
1—襯套 2—頂針主體 3—彈性夾套 4—內(nèi)六角平端緊定螺釘 5—鎖緊螺母
襯套用于對(duì)頂針尾部伸出部分零件進(jìn)行穩(wěn)固，可根據(jù)零件尺寸進(jìn)行更換；頂針主體用于與尾座內(nèi)錐配合[7]；彈性夾套外錐面用于與頂針主體內(nèi)錐配合，彈性夾套可根據(jù)產(chǎn)品尺寸進(jìn)行選擇更換；鎖緊螺母用于通過螺紋與頂針本體聯(lián)接實(shí)現(xiàn)軸向位移，導(dǎo)致彈性夾套變形，使得工件夾緊；內(nèi)六角平端緊定螺釘用于防止加工過程中鎖緊螺母松動(dòng)。
新型頂針裝置可實(shí)現(xiàn)徑向夾緊，同時(shí)涵蓋常規(guī)頂尖功能（見圖5）?？筛鼡Q頂尖用于利用中心孔或外圓頂緊加工產(chǎn)品的情況，等同于常規(guī)頂尖的功能。針對(duì)不同規(guī)格的零件，僅需更換彈性夾套或頂尖，提升了頂針的利用率，降低了產(chǎn)品制造成本。
圖5 新型頂針裝置等同常規(guī)頂尖功能示意
PART 6工藝方案的實(shí)施
將閥桿通過“一夾一托（中心架）”方式車削出φ21
mm的夾持基準(zhǔn)，選定內(nèi)孔尺寸為φ21mm的彈性夾套。按頂針裝置示意圖安裝各部件，結(jié)合中心架的移動(dòng)，按圖樣分別車削各外圓[8]。
頂針裝置的具體安裝步驟如下。
1）通過“一夾一托（中心架）”方式車削出φ21mm的夾持基準(zhǔn)。
2）根據(jù)車削出的φ21mm夾持基準(zhǔn)外圓選定內(nèi)孔尺寸為φ21mm的彈性夾套。
3）將頂針主體插入機(jī)床尾座錐孔內(nèi)，使其配合緊密。
4）參照頂針裝置結(jié)構(gòu)圖（見圖4），依次將彈性夾頭、鎖緊螺母、工件（通過尾座移動(dòng)調(diào)節(jié)位置）和內(nèi)六角平端緊定螺釘安裝到位，并使用扳手把緊鎖緊螺母，注意把緊力度。利用內(nèi)六角扳手鎖緊螺釘。
5）利用百分表校驗(yàn)頂針夾持位置工件跳動(dòng)情況，確保頂針安裝到位。
頂針在機(jī)床尾座的實(shí)際安裝情況如圖6所示。
圖6 頂針在機(jī)床尾座的實(shí)際安裝情況
新型閥桿車削加工工藝流程如下。
1）使用外圓車刀配合中心架移動(dòng)，從卡盤端向頂針端分3段車削出中心架夾持基準(zhǔn)外圓[9]，即通過從卡盤向尾座端車削中心架夾持基準(zhǔn)，夾持中心架后按同樣方式車削第2段中心架夾持基準(zhǔn)，通過車削基準(zhǔn)架中心架的方式，利用中心架的移動(dòng)完成所需位置中心架夾持基準(zhǔn)的車削。夾持基準(zhǔn)外圓留余量。
2）使用百分表對(duì)車削出的基準(zhǔn)外圓檢測跳動(dòng)。
3）移動(dòng)中心架至基準(zhǔn)外圓夾持工件，利用百分表校驗(yàn)中心架夾持位置跳動(dòng)，確保夾持前和夾持后百分表跳動(dòng)0.005mm內(nèi)。
4）使用外圓車刀以中心架為界半精車削閥桿的前后部分，復(fù)查中心架夾持部分跳動(dòng)有無變化，精車削閥桿前后部分至成品尺寸。
5）移動(dòng)中心架至已加工外圓，夾持已加工外圓車削基準(zhǔn)外圓至成品尺寸，復(fù)查尺寸。
配合新型可調(diào)尾座頂針，閥桿“一架兩托”加工方案如圖7所示，新型頂針實(shí)際試加工應(yīng)用如圖8所示。
圖7 “一夾兩托”利用新型頂針裝置加工閥桿示意
圖8 新型頂針實(shí)際試加工應(yīng)用
PART 7加工效果及優(yōu)點(diǎn)
利用該方案加工試制閥桿3件，通過自檢及專監(jiān)檢驗(yàn)圓柱度、同軸度和外圓表面粗糙度，3件全部合格，合格率為100%。同時(shí)該新型頂針裝置還具有以下優(yōu)點(diǎn)。
1）頂針通用性比較強(qiáng)，既能實(shí)現(xiàn)徑向夾緊，同時(shí)也具有常規(guī)頂尖軸向頂緊的功能，具有廣泛的通用性。
2）針對(duì)不同規(guī)格的零件，僅需更換彈性夾套或頂尖，提升了頂針的利用率和該裝置的適用性。
3）當(dāng)頂尖磨損之后，只需更換頂尖即可，而頂針主體等部件可重復(fù)使用，縮短了頂針制造周期，降低了成本。
4）實(shí)現(xiàn)了“頂針巧變中心架”，“一夾一托一頂”變?yōu)椤耙粖A兩托”，變軸向受力為徑向夾緊，消除細(xì)長軸軸向受力，以此消除細(xì)長軸受力變形，保證其尺寸、幾何精度。
5）通過對(duì)頂針夾緊力的控制，可以實(shí)現(xiàn)消除細(xì)長軸在加工過程中因受力、受切削熱而導(dǎo)致的熱伸長量，消除變形，保證質(zhì)量。
6）結(jié)構(gòu)精簡，方便、安全，可靠性高。
7）該加工方法可以推廣至小直徑細(xì)長軸類零件的車削加工中，頂針可以應(yīng)用到所有車床尾座上，具有一定的推廣潛力和經(jīng)濟(jì)效益。
PART 8結(jié)束語
基于新型頂針小直徑細(xì)長軸加工方法可實(shí)現(xiàn)將尾座巧變中心架，變尾座的軸向頂緊為徑向夾緊，應(yīng)用于細(xì)長軸加工時(shí)，通過對(duì)頂針夾緊力的控制，可以實(shí)現(xiàn)消除細(xì)長軸在加工過程中因受力、受切削熱而產(chǎn)生的熱伸長量，消除變形，為類似細(xì)長軸的加工找到了一種科學(xué)、合理的加工方案。新型頂針裝置涵蓋常規(guī)頂尖功能，針對(duì)不同規(guī)格的零件，僅需更換彈性夾套或自制頂尖頭，提升了頂針的利用率，降低了成本。通用機(jī)床尾座由軸向頂緊改為徑向夾持的新型尾座頂針裝置具有很好的通用性和推廣價(jià)值。
