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2014年2月第42卷第4期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSFeb2014Vol42No4DOI:10.3969/jissn1001-3881201404009收稿日期:2013-01-29作者简介:刘旭(1985—),男,学士,教师,技师,主要从事机械加工及数控技术的研究工作。E-mail:liuxu818@163com。38CrMoAl细长棘爪杆零件车削加工研究刘旭1,何玲2(1苏州市职业大学机电工程学院,江苏苏州215104;2硅湖职业技术学院,江苏苏州215332)摘要:针对38CrMoAl细长棘爪杆零件长径比大、刚性差、难以加工的特点,对车削加工工艺、装夹方案、刀具、切削用量、冷却液等5个方面进行研究,目的在于减小车削振动和弯曲变形,提高零件表面质量。合理的装夹方式能有效减小细长零件在车削加工中的弯曲变形;运用正交试验法和单因素法选择刀具和切削用量,能显著提高刀具耐用度和38CrMoAl细长零件的表面质量。关键词:38CrMoAl;细长棘爪杆;车削加工中图分类号:TG76 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(2014)4-026-3Studyof38CrMoAlSlenderPawlRodinTurningProcessLIUXu1,HELing2(1CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,SuzhouVocationalUniversity,SuzhouJiangsu215104,China;2SiliconLakeCollege,SuzhouJiangsu215332,China) Abstract:Aimingatthecharacteristicsofbiglengthtodiameterratio,beinglackofrigidityanddifficulttocutof38CrMoAlslenderpawlrod,forthepurposeofreducingthecuttingvibrationandbendingdeformation,improvethesurfacequalityofparts,thestudyoffiveaspects:turningprocess,clampingscheme,cutter,cuttingdosageandthecoolingliquidwasconducted.Bendingdeformationoftheslenderpartsinturningprocesscouldbeeffectivelyreducedbythereasonableclampingmethods.Byusingthemethodoforthogonalexperimentandsinglefactormethodtoselectcuttingdosageandtools,thedurabilityofthetoolandthesurfacequalityof38CrMoAlslenderpartscanbesignificantlyimproved.Keywords:38CrMoAl;Slenderpawlrod;Turningprocess 近年来,随着汽车、航空、模具等行业的快速发展,许多新型装备都对整体工作性能和各项综合技术指标提出了越来越高的要求,为了满足产品的特殊要求,许多新型材料都具备了很高的强度和硬度,这也对机械加工提出了新的的挑战。38CrMoAl属于高级氮化钢(材料化学成分见表1),具有高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,并具有良好的耐热性及腐蚀性,主要用于制作高耐磨性、高疲劳强度,处理后尺寸精度高的氮化零件,如仿模、气缸套、齿轮、高压阀门、镗杆、蜗杆、磨床主轴等。文中以38CrMoAl细长棘爪杆零件为例,对其车削加工过程进行了较为全面的研究,通过反复车削加工试验,为合理选择车削加工装夹方案、刀具、切削用量、冷却液等提供可靠依据,也为加工生产提供借鉴。1 车削加工工艺分析图1所示为某一双向液压千斤顶中38CrMoAl棘爪杆零件,毛坯为30mm×250mm,零件长度L为176mm,最小处径向尺寸为8mm,允许圆柱度误差为005mm,长径比L/d=20,属于细长轴类零件。图1 棘爪杆零件图细长轴零件由于本身长径比大、刚性差,高速旋转时受切削力和离心力的影响,极易产生弯曲变形。由于零件的材料是具有很高硬度的38CrMoAl,加工过程中切削力大、切削温度高,有黏刀现象,刀具极易损坏。特别是当零件接近尺寸要求时,零件直径变小,径向切削力变大,车削时振动变大,容易产生弯曲和变形,表面质量精度难以保证。通过以上分析可知,由于38CrMoAl细长棘爪杆零件自身的特点,在车削过程中首先要选择合理的装夹方案,将车削过程的弯曲变形降到最小;其次要以切削理论为依据运用正交试验和单因素法,综合研究各种因素对于切削加工难加工材料的影响,通过研究选择合适的切削用量、刀具以及切削液,达到降低切削力和切削热、提高刀具耐用度的目的,为生产加工同类材料的零件提供参考。表1 38CrMoAl氮化钢化学成分牌号化学成分的质量百分比/%38CrMoAl碳(C)硅(Si)锰(Mn)铬(Cr)铝(Al)钼(Mo)硫、磷镍、铜0.35~0.420.20~0.450.30~0.601.35~1.650.70~1.100.15~0.25余量2 车削加工装夹方案传统的一夹一顶的装夹方式热散性较差,容易产生线膨胀,弯曲变形较大,加工起来有一定难度。针对38CrMoAl的材料特点,经过反复的车削加工试验,作者总结出如图2所示的装夹方案,将细长零件的弯曲变形和车削振动降到最小,车削效果较好。图2 装夹方式工件装夹时在卡盘的卡爪面加入一开口垫圈1,以减少卡爪和毛坯的轴向接触长度,消除安装时的过定位现象,减小弯曲变形程度。尾座顶尖将传统的死顶尖换成弹性回转顶尖3,使棘爪杆在车削加工时由于切削热的影响可以自由伸缩,有效避免了由切削热引起的弯曲变形。车削时刀具的进刀方向采用反向车削法进刀2,消除轴向切削力引起的弯曲变形,提高加工精度。另外在车削加工刚性差的细长轴类零件时,还可采用跟刀架车削法增加零件的刚度,减小径向切削力的影响。3 刀具选择目前机械加工中,硬质合金刀具占车削加工60%左右,其中YT15刀具应用最为广泛。YT15(P20)刀具的最高承受线速度为100~120m/min,而一般数控车床最高转速为2500r/min左右,车削直径为50mm的工件就高达400m/min左右,如果再用来加工高强度、高硬度的38CrMoAl,这类刀具的高温硬度、耐磨性、耐用度已不能满足要求。因此选择合理的新型刀具是解决问题的关键。作者选用株洲硬质合金厂生产的YN05、TN20、YW1+TiC(涂层)、YT30+TaC、YT15刀片进行了车削磨损试验。表2为在相同切削时间5种刀片在正交试验下车削加工38CrMoAl细长棘爪杆零件的参数对比。可以看出:涂层合金YW1+TiC刀片的耐磨性最好,TiC基硬质合金YN05和YT30次之,TN20又次之,普通硬质合金YT15耐磨性最差。另外除了以上试验的合金刀具外,金刚石和立方氮化硼涂层正在逐渐得到广泛应用。特别是金刚石涂层硬度极高,导热率高,耐磨不黏刀,特别适合车削加工38CrMoAl类高硬度材料,不过这两种刀具价格颇高,经济成本较大,建议使用涂层合金YW1+TiC刀片。表2 不同刀具在相同切削时间的刀具磨损量刀具材料切削用量vc/(m·min-1)ap/mmf/(mm·r-1)切削时间t/min刀具后刀面磨损量vB/mmYN0512010.2600.23TN2012010.2600.30YW1+TiC12010.2600.08YT30+TaC12010.2600.25YT1512010.2600.554 切削用量选择选择合理的切削用量对于保证零件加工质量和提高刀具耐用度具有重要的意义。以下分别讨论切削用量三要素在车削加工38CrMoAl时的影响。(1)切削速度vc切削速度直接影响到零件的表面质量和刀具的耐用度,在一定程度上提高切削速度可以提高加工零件的表面质量,但切削速度过高时,切削区域的温度会急剧上升造成刀具耐用度降低。以下是采用单因素试验法,在ap=1mm,f=02mm/r,vB=02mm的试·72·第4期刘旭等:38CrMoAl细长棘爪杆零件车削加工研究 验条件下,零件表面粗糙度和刀具耐用度随切削速度的变化曲线。由图3可以看出,当切削速度增加时,表面粗糙度值曲线呈下降趋势,在其他切削条件下改变切削速度时,也得到了同样变化趋势的粗糙度值曲线。可以看出,在切削速度vc<120m/min时,表面粗糙度值下降比较明显,在vc>120m/min时,表面粗糙度值下降趋势相对变缓。图3 粗糙度-切削速度变化曲线图4以看出,当切削速度vc大约在120m/min时,刀具的耐用度达到了最大值,相反切削速度过大或过小都不利于刀具正常使用。综合以上观点,建议粗加工时选择vc=90~100m/min,精加工时vc=110~120m/min。图4 刀具耐用度-切削速度变化曲线(2)背吃刀量ap背吃刀量ap是切削用量三要素中对切削力影响最大的要素。由于细长零件车削时在车削力的影响下容易弯曲变形,导致无法保证零件的加工精度。鉴于此,在车削38CrMoAl细长棘爪杆时,背吃刀量ap不宜选择过大,一般选择ap=1~2mm,但也不宜过小,因为背吃刀量过小容易引起车削振动,影响表面粗糙度,建议精加工时选择ap=02~03mm。(3)进给量f在车削加工中,适当增加进给量f值可以提高加工效率,并且在一定范围内增加进给量f值,切削力增大不明显,对零件的表面质量和刀具耐用度影响较小。一般粗加工时选择f=01~03mm/r,精加工时f=005~01mm/r。5 切削液选择 车削加工中,冷却液的主要作用是润滑、冷却、除锈、清洗;合理选用切削液,可以改善金属切削过程中的界面摩擦,减少刀具和切屑粘结,抑制积屑瘤和鳞刺生长,降低切削温度,减少工件热变形,提高刀具耐用度,从而保证和提高加工质量及生产效率具有重要意义。在长期的加工实践中发现,含氯化石蜡10%、石油磺酸铁25%、石油磺酸钠8%、三乙醇胺4%、7号机油8%的极压乳化液特别适合38CrMoAl的粗精加工。传统的切削液使用方法是浇注法,它是将低压切削液直接浇注在切削区域的切屑上,由于切削液流速慢(v<10m/s),压力低(p<005MPa),难于直接浸入到最高温度区。经过反复的试验,作者将CK6136i数控车床冷却装置改装成喷雾冷却法。喷雾冷却法是一种较好的使用切削液方法,特别适用于难加工材料的车削,车削时,切削液被03~06MPa的压缩空气通过喷雾装置雾化,从直径15~3mm的喷嘴高速喷射到切削区,在高温下迅速汽化,吸收大量热量,有效地降低切削温度,大大提高了零件的表面质量。6 结论通过以上38CrMoAl细长棘爪杆零件车削加工研究,得出以下结论:(1)在细长轴类零件车削加工中,如何将弯曲变形和车削振动降到最小是解决问题的关键。采用一夹(卡爪面安装开口垫圈)一顶(弹性回转顶尖)和反向车削法能有效减小弯曲变形和轴向切削力,车削效果良好。(2)根据38CrMoAl氮化钢的材料特点,以切削理论为依据,采用正交试验法和单因素法选择合理的刀具、切削用量等切削参数,能有效满足38CrMoAl的车削,同样适合其他类似材料。(3)切削液的种类和浇注方式的不同,对降低切削温度、减小切削力、提高零件表面质量影响很大。选择含氯极压切削液和喷雾冷却法浇注方式可提高切削速度30%左右,降低切削温度100~150℃,减少切削力10%~30%,延长刀具寿命1~2倍。参考文献:【1】尚翠平.细长轴车削技术的探讨[J].煤矿机械,2005(9):87-88.【2】李永祥.细长轴的加工方法[J].材料工艺,2005(11):56-57.【3】谢新伟.减缓车削加工时细长轴振
本文标题:38CrMoAl细长棘爪杆零件车削加工研究
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