轴端凹球面车削技术的研究与应用

□陈立新

广东省技师学院 工业设计与制造系　广东惠州　516100

轴端凹球面车削技术的研究与应用

□陈立新

广东省技师学院 工业设计与制造系广东惠州516100

提出了在普通车床上快速车削轴端凹球面的加工思路和工艺方案，通过切削试验，测试了工艺参数（球面半径R）、结构参数（中心轴至尾套端面距离L）、切削参数（钢丝进给速度v）对球面轮廓度t和表面粗糙度Ra的影响。依据工艺方案和测试结果，设计制作了车削球面中心位置及半径可调的工艺方案。经多次切削加工后得出结论：该工艺方案在普通车床上车削轴端凹球面时，球面轮廓度t、表面粗糙度Ra的平均值分别为25 μm、3.2 μm。方案填补了普通车床快速、精确加工球面的技术空白。

目前，轴类或盘类零件的外圆及端部的球面车削只能在数控车床上完成，这样可以保证球面的加工精度和表面质量。若利用数控车床加工单一的球面，则浪费了宝贵的设备资源，而在普通车床上由人工双手操控几乎不可能加工出合格的球面。因此，设计和制作在普通车床上能够车削合格球面的工艺装备是机械加工的一个重要课题，笔者从轴端凹球面着手，探索普通车床加工球面的加工思路和工艺方案。

1　普通车床球面车削加工思路与工艺方案

1.1加工思路

由数控理论可知，数控车床属于2轴控制，通过直线插补、圆弧插补功能能够在轴类或盘类零件的圆柱面和端面上，加工出圆弧曲面和锥面，通过宏程序还能够加工椭圆、抛物线、双曲线等复杂曲面［1］。而普通车床属于单轴控制，刀具不能同时沿纵向和横向运动，所以只能加工圆柱面、端面或将小拖板旋转相应的角度加工简单的锥面。若要在普通车床上加工球面或其它非圆曲面，也必须由人工双手操控，但即使是技术娴熟的操作者，也很难加工出尺寸精度、形状位置精度及表面质量符合要求的曲面。因此，要在普通车床上加工尺寸精度、位置精度、形状精度、表面质量达到设计要求的外圆或端部球面，其工艺方案必须满足以下条件：

（1）球面半径必须连续可调、可控；（2）进给速度必须连续可调、可控；

（3）切削速度和背吃刀量能够可调、可控，以实现粗、精加工的转换。

1.2工艺方案

根据上述思路，提出了以拖板、尾座、回转刀盘为运动主体的工艺方案，其工作原理如图1所示。工件装夹在普通车床上，尾座固定在机床适当位置，刀具由压紧螺栓固定在回转刀盘上。钢丝一端通过固定座和螺栓压紧在回转刀盘周边圆弧槽上，另一端通过钢丝架与拖板连接。回转刀盘通过中心轴安装在支架上，支架通过其尾端锥柄固定在尾座锥套中。阻尼弹簧一端固定在回转刀盘上，另一端固定在支架上。启动机床，旋转拖板横向手柄，通过钢丝架、钢丝带动旋转刀盘和刀具至适当位置；旋转尾座手柄，调整刀具纵向位置，使刀具处于准备切削位置。再旋转拖板横向手柄，使拖板向后运动，并通过钢丝架、钢丝带动回转刀盘顺时针运动，开始切削凹球面，当刀尖到达或超过中心位置时，本次切削完毕。反向旋转尾座手柄，使刀具纵向退刀，反向旋转拖板横向手柄，回转刀盘在钢丝、阻尼弹簧的共同作用下，带动刀具逆时针旋转至切削准备位置，根据设定或选择的背吃刀量、切削速度，旋转尾座手柄，调整刀具纵向位置，再进行下一轮切削。最后根据设计要求和对刀位置进行精加工，从而完成端部凹球面的加工。

图1　轴端凹球面加工原理图

1.3切削试验

上述工艺方案中，球面半径、中心轴直径、中心轴中心至尾套端面的距离等结构或工艺参数，以及钢丝的进给速度、主轴转速等切削参数，对加工球面的尺寸精度、面轮廓度、表面粗糙度及球面至工件端面的位置度均有不同程度的影响。为确保轴端凹球面的加工质量，必须对上述工艺方案进行切削试验，以选择合理的结构参数和切削参数。考虑检测手段和方法，分析结构和工艺参数、加工质量指标的主次关系，将上述工艺方案简化成如图2所示的结构，测试工艺参数——球面半径R、结构参数——中心轴至尾套端面距离L、切削参数——钢丝进给速度v对球面轮廓度t和表面粗糙度Ra的影响，其基本切削条件见表1，刀具基本参数见表2。

表1　工件基本切削条件

表2　刀具基本参数

1.3.1工艺和结构参数对加工质量的影响［2］

①工艺参数（球面半径R）对加工质量的影响。在表1、表2及中心轴至尾套端面距离L=85 mm、进给速度v=0.25 mm/r的前提下，分别加工半径R为 40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm的球面，测量球面轮廓度t、表面粗糙度Ra，并记录，得出如图3（a）所示的影响曲线。根据图3（a）所示曲线，轮廓度t最大值为55 μm，最小值为19 μm，对应的球面半径R分别为100 mm、40 mm。表面粗糙度Ra最大值为6.3 μm，最小值为1.6 μm，对应的球面半径R分别为100 mm、60 mm。由曲线可知，球面轮廓度值t、表面粗糙度值Ra随球面半径R的增大而增大，基本呈线性关系，其原因主要是球面半径R越大，刀具悬臂越长，刚性越差，系统稳定性也越差，导致凹球面的轮廓度t、表面粗糙度Ra同样越差。

②结构参数（中心轴至尾套端面距离为L）对加工质量的影响。在表1、表2及中心轴至尾套端面距离L分别为70 mm、75 mm、80 mm、85 mm、90 mm、95 mm、100 mm的前提下，加工半径R=60 mm的球面，测量其轮廓度t、表面粗糙度Ra，并记录，得出如图3（b）所示的影响曲线。根据图3（b）所示曲线，轮廓度t最大值为50 μm，最小值为16 μm，对应的中心轴至尾套端面距离L分别为100 mm、70 mm。表面粗糙度Ra最大值为6.3 μm，最小值为1.6 μm，对应的中心轴至尾套端面距离L分别为100 mm、60 mm。由曲线可知，球面轮廓度值t、表面粗糙度值Ra随中心轴至尾套端面距离L的增大而增大，基本呈线性关系，其原因主要是中心轴至尾套端面距离越大，悬臂越长，刚性越差，振动越大，导致凹球面的轮廓度t、表面粗糙度Ra越差，但其对轮廓度t、粗糙度Ra的影响比球面半径R要小。

1.3.2切削参数对加工质量的影响

在表1、表2及中心轴至尾套端面距离为L=85 mm的前提下，以0.1～0.4 mm/r的进给速度v加工半径R=60 mm的球面，测量球面轮廓度t、表面粗糙度Ra，并记录，得出如图4所示的影响曲线。根据图4所示曲线，轮廓度t最大值为60 μm，最小值为10 μm，对应的进给速度v分别为0.4 mm/r、0.1 mm/r。表面粗糙度Ra最大值为12.5 μm，最小值为1.6 μm，对应的进给速度v分别为0.4 mm/r、0.1 mm/r。由曲线可知，球面轮廓度值t、表面粗糙度值Ra随进给速度v的加快而增大，基本呈线性关系，其原因主要是进给速度v越快，切削力越大，系统稳定性差，车削印痕越粗，导致凹球面的轮廓度t、表面粗糙度值Ra越差。

图2　工艺系统简化图

图3　工艺和结构参数对加工质量影响曲线

图4　切削参数对加工质量影响曲线

图5　工艺方案结构示意图

切削试验数据表明，为了保证轴端凹球面加工质量，中心轴至尾套端面距离L必须小于85 mm，进给速度v必须小于0.25 mm/r。

2　结构设计及切削参数选择

2.1结构设计

工艺方案结构如图5所示，结构设计如下。

2.1.1中心轴直径d

根据结构及受力分析，中心轴主要承受弯矩和剪力，其直径越大，强度和刚性越好，系统稳定性越好，加工质量越好，但能加工的最小球面半径Rmin会增大；直径越小，强度和刚性越差，系统稳定性越差，加工质量越差，但能加工的最小球面半径Rmin会减小。综合考虑强度、刚性及最小球面半径Rmin，结合切削试验，取d=12 mm。

2.1.2回转刀盘直径D

根据结构及受力分析，回转刀盘主要承受弯矩，其直径越大，强度和刚性越差，系统稳定性越差，加工质量越差，但可加工的最大球面半径Rmax会加大；直径越小，强度和刚性越好，系统稳定性越好，加工质量越好，但可加工的最大球面半径Rmax会减小。综合考虑强度、刚性及最大球面半径Rmax，结合切削试验，取D=30 mm。

2.1.3中心轴至尾套端面距离L

对图1、图2结构进行受力分析，其支架主要承受弯矩。中心轴至尾套端面距离L越大，强度和刚性越差，系统稳定性越差，加工质量越差，但可加工的最大球面半径Rmax会加大；直径越小，强度和刚性越好，系统稳定性越好，加工质量越好，但可加工的最大球面半径Rmax会减小。综合考虑强度、刚性、回转刀盘直径D，结合切削试验，取L=80 mm。

2.1.4最小球面半径Rmin的计算和确定

由图6和图7所示，Rmin计算如下：

由式（1）、式（2）求得：

可确定刀具结构尺寸中a=16～18 mm，取a=17mm。用表2中刀具基本参数的副偏角Kτ'=15°代入式（3），计算得Rmin=34 mm。考虑回转刀盘直径D及刀具最小伸出量，取Rmin=40 mm。

2.1.5最大球面半径Rmax的计算和确定

由图1可知，最大球面半径Rmax基本不受结构限制，但根据图3工艺和结构参数对加工质量影响曲线可知，球面半径R越大，刀具悬臂越长，刚性越差，系统稳定性越差，导致凹球面的轮廓度t、表面粗糙度Ra越差。综合考虑球面加工质量和加工范围两个因素，最大球面半径Rmax取85mm。

图6　刀具结构示意图

图7　数学计算模型

2.2切削参数选择

由图4切削参数对加工质量的影响曲线可知，球面轮廓度值t、表面粗糙度值Ra随进给速度v的增大而增大，基本呈线性关系，综合考虑工艺系统刚度、加工质量和加工效率等因素，进给速度v选择如下：

粗加工时，进给速度v取0.3～0.4 mm/r；精加工时，进给速度v取0.15～0.25 mm/r。

3　结束语

（1）提出了普通车床精确加工轴端凹球面的加工思路和工艺方案，根据工艺方案的结构、原理和受力条件，在基本切削条件和刀具基本参数一定的前提下，以不同的结构参数、工艺参数及切削参数组合进行切削试验，测试了工艺参数——球面半径R、结构参数——中心轴至尾套端面距离L、切削参数——钢丝进给速度v对球面轮廓度t和表面粗糙度Ra的影响。实验结果表明，在球面半径R=40～65 mm，中心轴至尾套端面距离L=70～85 mm，进给速度v≤0.2 mm/r的条件下，凹球面加工质量较为理想。

（2）对试验结果进行了分析，在综合考虑工艺系统稳定性、加工质量、加工效率等因素的前提下，对中心轴直径d、回转刀盘直径D、中心轴至尾套端面距离L、刀具结构尺寸、球面半径最小值Rmin、球面半径最大值Rmax、进给速度v、背吃刀量等结构参数和切削参数进行了分析计算。

（3）根据上述参数设计，制作了一套半径R=40～85 mm的轴端凹球面加工系统，并在R=40～85mm的范围内加工了6个凹球面，其球面轮廓度t、表面粗糙度Ra的平均值分别为25 μm、3.2 μm，加工质量良好，达到设计要求，R=55 mm凹球面实物如图8所示。

图8　凹球面加工实物图

［1］余英良.数控加工编程及操作［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［2］吴宗泽.机械设计师手册［M］.2版.北京：机械工业出版社，2009.

Presented a technical idea and processing plan for quick-turning of concave spherical surface at shaft end on a plain lathe，bycuttingit had tested the influence ofprocess parameters（spherical radius R），structural parameters（the distance L from center axis to the end surface of tail cone）and cutting parameters（feed rate of steel wire v）to the spherical profile tolerance t and surface roughness Ra.Based on the processing plan and test results，a process system available to adjust the spherical center&radius had been designed and made. Repeated cutting demonstrates that when the process systemis introduced for turning of concave spherical surface at shaft end on a plain lathe the average profile tolerance t is 25 μmwhile the surface roughness Rais 3.2 μm.The technological gap involvingfast&accurate processingofspherical surface on the lathes is filled up.

轴端；凹球面；车削技术；研究与应用

ShaftEnd；Concave SphericalSurface；Turning Technology；Research and Application

TH162

A

1672-0555（2016）01-012-05

2015年9月

陈立新（1967—），男，本科，高级技师，主要从事机械制造工作