| 對充當(dāng)徑向軸密封環(huán)座的軸表面加工纬凤，其工藝要求一向很高厘沉，以往常采用切入式磨削工藝加工這種軸表面炉展。本文介紹一種加工這種軸表面的創(chuàng)新性工藝方法——切向車削，它可以獲得極高的表面質(zhì)量葵嗦，與硬車削結(jié)合陆拐，還可減少此種軸類工件的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和降低制造成本取铃。 |
1. 簡介
用于驅(qū)動技術(shù)的工件和軸上密封元件的支承面必須不能有任何的方向扭曲英品，因?yàn)楸梦?yīng)會導(dǎo)致徑向軸密封環(huán)和工件表面系統(tǒng)之間產(chǎn)生泄漏。這種軸表面的典型要求是：粗糙度值Rz=1-5μm族壳；Ra=0.2-0.8μm憔辫；Rmax=6.3μm 以及表面無扭曲和表面完好無劃痕和凹槽。軸表面通常要經(jīng)硬化處理到HRC 55 或更高硬度來保證足夠高的耐磨性能仿荆。經(jīng)過精加工的軸直徑必須達(dá)到H11的公差精度贰您，圓度公差不能超過IT8級。
軸表面的常規(guī)加工方式是采用切入式磨削拢操，這是一項(xiàng)有多年成熟經(jīng)驗(yàn)的工藝锦亦。實(shí)際上，這種工藝產(chǎn)生的表面結(jié)構(gòu)取決于砂輪的修整狀態(tài)令境、無火花磨削時(shí)間和規(guī)定的維修杠园，以及加工過程中恒定的工藝參數(shù)等。這表明只采用切入式磨削這種制造方法并不能總保證表面結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生扭曲舔庶。
而且抛蚁，磨削軸表面還有一些不利之處，例如增加了額外的投資成本和需要對冷卻劑潤滑劑進(jìn)行處理等惕橙。
與上述工藝相比瞧甩，新開發(fā)的切向車削工藝方法提供了一種非常經(jīng)濟(jì)的替代性的制造方法，并具有明顯的優(yōu)勢告岸。
1.軸 1a. 已加工表面 2.刀夾 2a.切削刃 3 沿Y軸方向進(jìn)給α傾斜角
圖2 切向車削——運(yùn)動學(xué)原理
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2 切向車削的工藝過程
不同于磨削湖弱，這是一種使用具有規(guī)定幾何形狀切削刃的工藝。其特點(diǎn)在于切削刃相對于進(jìn)給方向設(shè)定了一個(gè)傾斜角α指模。切削刃被固定在車床轉(zhuǎn)塔中的刀夾上祖修。刀夾被調(diào)整到具有一切削深度ap，并在y軸方向上沿切線在工件上橫向走刀。刀具接觸點(diǎn)在整個(gè)切削刃寬度上連續(xù)移動斯荒。在每次切削過程中卤索，這可以使加工載荷分布到整個(gè)切削刃寬度。
和常規(guī)的車削相比較挨狡，常規(guī)車削的切削刃在切削時(shí)保持在同一區(qū)域斯泥，而切向車削涉及到的特殊的運(yùn)動形式減少了刀具磨損，使刀具壽命顯著提高迫赞。這項(xiàng)工藝的特殊運(yùn)動形式同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)幾乎無扭曲的表面啼阵，而沒有車削工藝通常產(chǎn)生的“螺旋形結(jié)構(gòu)”。本工藝的其余特性也滿足了前述的軸表面的要求扑轮，例如可以測量的表面質(zhì)量Ra 和 Rz 以及直徑公差撤奸。
切向車削刀具安裝了一個(gè)CBN(立方氮化硼)刀片。CBN刀具材料本身具有極高的硬度喊括，良好的高溫強(qiáng)度和優(yōu)異的抗磨損能力胧瓜，并具有很好的韌性，通常在連續(xù)性和間斷性切削中被用作通過規(guī)定切削刃加工硬金屬的切削材料郑什。切削刃必須被加工到很高精度和達(dá)到極高質(zhì)量府喳，并被倒圓到μm范圍內(nèi)和進(jìn)行拋光處理。這些要求對于保證軸的加工表面得到最高的表面質(zhì)量是非常必要的蘑拯。
圖3 由切向車削完成的軸表面加工
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圖4 由切入式磨削完成的軸表面加工 |
圖3和圖4顯示的是兩個(gè)加工后的軸表面(已淬硬)的形貌和輪廓切削在軸向的三維視圖钝满。圖3中的軸表面由切向車削工藝完成，圖3中的軸表面由常規(guī)的切入式磨削工藝完成申窘。
對比顯示出由切向車削產(chǎn)生的可以測量的粗糙度和表面結(jié)構(gòu)至少相當(dāng)于切入式磨削的水平(切入式磨削Rz=2.10μm弯蚜，切向車削Rz=1.94μm)，而其結(jié)構(gòu)的均勻性要顯著優(yōu)于切入式磨削的常規(guī)加工表面剃法。
由切向車削加工的軸表面的系統(tǒng)密封包括徑向密封環(huán)和反轉(zhuǎn)表面碎捺，已經(jīng)由研究機(jī)構(gòu)Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik e.V. [機(jī)床及加工技術(shù)協(xié)會] 在 FWF 0172 "硬加工軸密封表面的制造和評估"的研究和另一項(xiàng) (FWF 0172/1) 超過1000小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間的長期研究中得到了證實(shí)。
除了在實(shí)驗(yàn)室中對特定試驗(yàn)物進(jìn)行密封試驗(yàn)外玄窝，在現(xiàn)場也對實(shí)際的工件進(jìn)行了試驗(yàn)蒲龟。“軸表面—徑向密封環(huán)”系統(tǒng)也在這些試驗(yàn)中證明了其密封性讼崔。這表明“切向車削”工藝是加工徑向軸密封環(huán)座的合格制造工藝凌宫。這項(xiàng)工藝也從此在一系列的生產(chǎn)過程中得到應(yīng)用。
3 切向車削的實(shí)際應(yīng)用
磨床上去加工徑向軸密封環(huán)座。這使得工藝環(huán)節(jié)顯著縮短熔布。由于取消了磨床的需求辐椎，從而極大地減少了生產(chǎn)線的投資成本。工件在不同機(jī)床之間的處置和運(yùn)輸成本也被減少默徘，因此減少了總產(chǎn)出時(shí)間(生產(chǎn)周期)和制造時(shí)間恰岳，單位制造成本被最小化。要成功實(shí)現(xiàn)切向車削工藝并和硬加工工藝相結(jié)合赶熟，需要使用一臺適當(dāng)?shù)能嚧补逋＿@種機(jī)床要具有高度的剛性和優(yōu)異的減震性。機(jī)床要具有很高的刀具軌跡精度和插補(bǔ)精度钧大，以及很低的定位不確定度且位置變動范圍Ps<1μm翰撑，才能保證其良好的幾何精度罩旋。主軸和尾座頂尖必須保持很高的同軸度啊央。機(jī)床必須在諸如加工時(shí)間延長、生產(chǎn)過程中斷和環(huán)境溫度變化等情況的生產(chǎn)條件下達(dá)到高精度涨醋。產(chǎn)生熱量的切屑必須快速從機(jī)床上清除瓜饥，如果零件需要達(dá)到很高精度，則機(jī)床必須采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來防止機(jī)床內(nèi)部由于切屑的累積造成的局部過熱浴骂。由外界產(chǎn)生的振動影響必須降至最小快混，其負(fù)面影響必須通過振動的機(jī)器零部件來抵消。比如這也是為什么能航，電主軸比傳統(tǒng)的帶減速齒輪的電動機(jī)更適合作為驅(qū)動裝置的原因(消除了齒輪和傳動皮帶產(chǎn)生的振動)穿互。同時(shí)夾緊裝置或工件夾緊過程產(chǎn)生的誤差也必須降至最小，要防止或盡可能減小工件的不平衡挚蟹。
在一臺機(jī)床上用于一件零件的硬加工工藝和切向車削工藝的實(shí)際情況如下：
第一步對軸承座和端面進(jìn)行傳統(tǒng)的硬加工工藝峡徽。軸的這些部分可以按照圖紙規(guī)定的要求加工完成。工件上的公差等級可以達(dá)到IT 5級木影。同時(shí)绣首，在硬加工工藝階段采用相對高的進(jìn)給量對隨后的徑向軸密封環(huán)座的軸部分進(jìn)行預(yù)加工。根據(jù)工件的穩(wěn)定性和夾緊情況璃淤，在“預(yù)車削”過程中選擇的切削深度使工件尺寸留有0.10到0.20mm的余量施旱。在隨后的切向車削過程中，表面在以vc=150-250m/min的切削速度和y軸方向的進(jìn)給量達(dá)到fy=0.30mm的條件下加工而不產(chǎn)生扭曲。徑向軸密封環(huán)座最大可以加工的寬度目前約為30 mm 乌迎，由切削刃的寬度和其傾斜角α來確定泉扛。這一加工寬度對于標(biāo)準(zhǔn)的徑向軸密封環(huán)座已經(jīng)足夠了。切向車削能夠達(dá)到的表面質(zhì)量在Ra=0.2-0.6μm 和Rz=1-3μm的范圍內(nèi)区转。 可以毫無問題地達(dá)到H11的標(biāo)準(zhǔn)的直徑公差要求唯袄，在一些情況下，可以達(dá)到H7 的公差級別蜗帜。
圖 5 表示的是一根驅(qū)動軸在數(shù)控車床上完成硬加工工藝(所有直徑恋拷，部分處于斷續(xù)切削狀態(tài))后，在加工軸密封座時(shí)采用切向車削工藝的實(shí)際應(yīng)用情況厅缺。
4 結(jié)論
采用新開發(fā)的切向車削工藝進(jìn)行的軸表面加工實(shí)際上不產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象蔬顾。軸表面作為用于徑向軸密封環(huán)的接觸表面的表面質(zhì)量和直徑公差都得到了滿足。系統(tǒng)的密封在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際現(xiàn)場的測試中已經(jīng)得到了證實(shí)湘捎。切向車削為用戶提供了生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)方面的顯著優(yōu)勢诀豁。與硬加工結(jié)合，本工藝可以極大地減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)窥妇，并大量節(jié)約加工時(shí)間舷胜、投資成本和單位制造成本。
5 公式符號及縮略語
- Rz 測量的波峰到波谷高度 μm
- Ra 平均粗糙度值 μm
- Rmax 最大的波峰到波谷高度 μm
- HRC 洛氏硬度值
- H11 軸的直徑公差
- IT8 特徵的ISO標(biāo)準(zhǔn)的公差級別
- H7 軸的直徑公差
- α 在x-y平面上測量的切削刃的傾斜角
- vc 切削速度 m/min
- ap 切削深度 mm
- f 進(jìn)給量 mm
- fy y軸方向進(jìn)給量 mm
- Ps 位置分布范圍 μm
(本文的原文和譯文均由德國Boehringer機(jī)床有限公司提供活翩，《中國
機(jī)械與金屬》登載時(shí)對譯文作了校對烹骨。)
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