细长拉刀加工过程的优化

王章琴

（贵州华工精密工具智造有限公司，贵州 贵阳 550025）

0 引言

拉刀是汽车、工程机械、风机、航空航天等领域中不可缺少的一种切削刀具，拉刀属于成形刀具，一次拉削成活，要保证形状精度和表面质量。而细长拉刀多用于加工直径不大而较长的工件。细长拉刀具备刚性差、变形大的特性，在设计、加工、运输过程中都存在极大的困难。细长拉刀在加工中存在疵病较多，如跳动、弯曲、产生竹节、波纹、锥度、断裂及变形等[1]。所以在加工时装夹、进刀量、旋转力、夹持力及砂轮选取等都有严格要求，不仅设备要求高，而且对操作者的要求更高，用以往的加工方式是不能满足此类拉刀的生产加工，但此类拉刀在市场上占有一定的比例。查阅了大量的文献，未见有相关报道，因此，笔者尝试制做。由于此类拉刀从选材料、设计参数、每道工序的加工方式都要求思路清晰，因此，经过反复试制证明了生产出来的细长拉刀可以避免产生竹节、波纹、锥度、弯曲、圆度及圆柱度等现象，满足拉刀技术条件精度及表面质量的要求，为市场带来经济效益。在车工序及磨工序做了加工方式的优化，主要在装掐、车削方式、磨削方式、进刀量、支承方式、旋转力、砂轮选取等方面做优化改进[2]。

1 细长拉刀车削难加工特点

1.1 细长拉刀刚性差

细长的拉刀刚性很差，由于自重下垂，高速旋转时的离心力、车削时的切削力易使其产生弯曲变形[3]。车削时因装夹不当，很容易因切削力及重力的作用而发生弯曲变形，产生振动，从而影响表面粗糙度和加工精度。

1.2 细长拉刀散热性差

细长拉刀热扩散性差、在车削热作用下，会产生相当的线膨胀，如果拉刀的两端支承不当，则拉刀会因伸长而顶弯变形。

1.3 细长拉刀几何形状

由于拉刀较长，一次走刀时间较长，刀具磨损较大，从而影响拉刀的几何形状精度形状。

1.3.1 细长拉刀凹凸心

车细长拉刀时由于使用跟刀架，若支承拉刀的两个支承块对拉刀压力不适当，会影响加工精度。若压力过小或不接触，就不起作用，不能提高拉刀的刚度。若压力过大拉刀被压向车刀，切削深度增加，车出直径就小[4]。如图1 所示。

图1 拉刀外径内凹、外凸形状

1.3.2 细长拉刀竹节状

当跟刀架继续移动后，支承块支承在小直径外圆处，支承块与拉刀脱离，切削力使拉刀向外让刀，切削深度减小，车出的直径变大，以后跟刀架又跟到大直径外圆上，又把拉刀压向车刀，使车出直径变小，这样连续有规律的变化就把细长的拉刀变成“竹节状”，如图2 所示。

图2 拉刀竹节状

1.4 车细长拉刀的改进措施

由于细长拉刀刚性很差，在加工中极易变形，对加工精度和加工质量影响很大。为此，生产中常采用下列措施予以解决[3-4]。1.4.1 装夹方法的改进

改进工件的装夹方法：粗车时，由于切削余量大，拉刀受的切削力也大，一般采用卡顶法，尾座顶尖采用弹性顶尖，可以使拉刀在轴向自由伸长。但是，由于顶尖弹性的限制，轴向伸长量也受到限制，因而顶紧力不是很大。在高速、大用量切削时，有使拉刀脱离顶尖的危险。采用卡拉法可避免这种现象的产生。精车时，采用双顶尖法（此时尾座应采用弹性顶尖）有利于提高精度，其关键是提高中心孔精度。

使用三爪跟刀架：跟刀架有三个支撑爪，车削时拉刀被夹持在三个跟刀爪和车刀之间，组成两对径向压力，限制拉刀上下、左右移动，只能绕轴线旋转，故能有效地减少切削振动和拉刀变形。但必须注意仔细调整，使跟刀架的中心与机床顶尖中心保持一致。如图3 所示。

图3 三爪中心架车削

1.4.2 切削方式的改进

反向切削：所谓反向切削就是指加工过程中车刀从卡盘方向向尾座方向移动。这是切削细长拉刀的关键所在，尤其是切削小直径细长拉刀。另外正向切削对设备精度要求高，即主轴中心与尾座中心的偏差要调整在0.02 mm 以内，否则车出的光杠会出现很大的锥度，不符合质量要求[5]。

1.4.3 切削刀具改进

采用车削细长拉刀的车刀：车削细长拉刀的车刀一般前角和主偏角较大，以使切削轻快，减小径向振动和弯曲变形。粗加工用车刀在前刀面上开有断屑槽，使断屑容易。精车用刀带有一定的负刃倾角，使切屑流向待加工面，减少摩擦。

细长拉刀的刚度较低，在磨削力的作用下，工件会产生弯曲变形和振动，使工件产生形状误差(如腰鼓形、锥度、鞍形、弯曲)，多角形振痕和径向圆跳动及跨棒距难以达到要求等缺陷。

2 细长拉刀磨削难加工特点

2.1 细长拉刀变形原因分析

在加工过程中，由于中间工艺过程控制不当而造成细长拉刀弯曲变形的原因主要有以下几点：

（1）磨削温度：磨削中拉刀受热产生变形，甚至会使拉刀卡死在顶尖间而无法加工。

（2）磨削力：细长拉刀本身刚性差，拉刀受磨削力作用而弯曲，从而引起振动，影响拉刀精度和表面粗糙度。

（3）磨削振动：拉刀高速旋转时，在离心力作用下，会加剧弯曲与振动。

2.2 细长拉刀的主要质量缺陷

2.2.1 工件表面产生多角形波纹

该缺陷是在拉刀表面沿母线方向有一条条直线痕迹，自拉刀横剖面来看，周边呈近似正弦波的曲线其产生原因：

（1）振动：在细长拉刀磨削过程中，由于拉刀与顶尖系统刚性较差，当砂轮不平衡或砂轮修整得不够锋利时、砂轮与拉动间的磨擦加剧，就会引起振动。

（2）砂轮磨损不均匀。

（3）砂轮或拉刀支承松动。

2.2.2 拉刀表面产生螺旋形波纹

螺旋形波纹是指拉刀表面上出现螺旋状很浅的波纹痕迹。

其产生的原因：

（1）砂轮工作表面凸凹不平。

（2）机床刚性影响。

（3）其他因素：磨削进给量太大，纵向进给量太大，或砂轮主轴有轴向窜动，都可能产生螺旋形波纹。此外、工作台导轨润滑油压过大，使工作台纵向移动产生漂浮和摆动，也会造成拉刀表面的螺旋形波纹。

2.2.3 拉刀圆柱度超差

拉刀在磨削后产生的锥度、鼓形、鞍形、弯曲都可能使拉刀的圆柱度超差。

（1）锥度：头架和尾架顶尖中心线与工作台运动方向不平行，将使工件产生锥度。

（2）鼓形：由于拉刀刚性不足，或中心架调整不正确，磨削用量过大，使拉刀产生弹性变形而出现鼓形。

（3）鞍形：磨削低刚度细长拉刀时、顶尖顶得过紧、或中心架水平支承压力过大，造成拉刀弯曲，以致中部磨去较多，使拉刀呈鞍形。

（4）弯曲：当磨削用量太大时，拉刀过度发热，而冷却又不充分、不及时、不均匀、使拉刀产生内应力，以致冷却后产生弯曲变形。

2.2.4 拉刀圆度超差

拉刀中心孔形状不正确，孔内有污垢或已磨损；顶尖在主轴和尾架套筒锥孔，内贴合不紧；工件顶得太紧或太松；砂轮主轴或头架主轴的径向跳动过大，这些因素都可能使拉刀圆度超差。另外，拉刀刚性差或余量不均时，在磨削力的作用下易产生弹性变形，结果使磨削表面出现圆度误差复映现象。

通过对上细长拉刀质量缺陷的分析，长期的实践总结我们采取了以下几种措施对细长拉刀磨削质量进行了有效的控制。

2.3 作好磨削前的准备工作

校直：细长拉刀有热校和冷校直两种方法。热校比冷校理想。校直后的弯曲度应控制在0.10/800 mm 内。

中心孔：中心孔是细长拉刀的基准，细长拉刀经过热处理后，中心孔将会产生变形，应对中心孔进行研磨，使其60°锥度和圆度达到标准要求。

检修机床：保证检修后的外圆磨床各项精度达到出厂技术要求。

调整机床：主要是调整头架和尾架间的中心距离，将拉刀顶在两顶尖间，保证支撑和顶紧力合适。如果尾顶尖是弹簧式的，可使弹簧顶尖压缩0.5～1.5 mm。

检查拉刀：先用百分表对细长拉刀的全长作径向跳动检查，再用千分尺检查拉刀的磨削余量是否足够，再根据工艺要求检查各项尺寸和技术要求。

2.4 合理选择砂轮及磨削用量

2.4.1 砂轮的选择

根据细长拉刀材料的不同，选择不同磨料、硬度、粒度的砂轮。磨细长拉削的砂轮硬度应稍软，粒度稍粗为好[5]。

2.4.2 切削用量的选择

细长拉刀磨削选择切削用量应遵循以下几个原则：

（1）修整砂轮时的走刀量，切深均比一般磨削大而深，这样可使砂轮的表面比较粗糙，以增强切削性能。

（2）磨削时拉刀的转速较低，精磨时更低，可减少细长拉刀因旋转而产生的振动；走刀量较大，以便将一部分径向力转化为轴向力，减小径向力。

（3）磨削时切深用双行程来达到。因拉刀转速低，走刀量大，拉刀表面与砂轮表面在单位时间内和单位面积上的切削量就相应地减少；用往复次数来弥补。

（4）装上拉刀时，看拉刀是否松紧合适，细长拉刀要稍顶紧点。顶上后手转动有些阻力就可以，但要能转动，转不动也不行。否则，在磨削时就会产生偏磨现像。

（5）细长拉刀每隔三分之一上一个护架磨支承；进刀量保持0.02 ～0.03 mm；如果进刀时出现磨偏用表打看是否有跳动；可用手轻轻顶上，别用太大力。如图4所示。

图4 多个支承磨外圆

（6）手顶上看见一点点火花就可以。每一次磨圆也不要急，多走几次刀就可以了，但是随时打表看跳动。注意公差量；砂轮别走太快，否则容易跑偏不易修正；注意砂轮别修的太粗了。

（7）细长拉刀在拉刀磨削齿槽时，与外圆磨削一样，但拉刀开槽时容易出现拉刀反弹变形，拉刀每开5～10 槽时加掉拓一个。如图5 所示。

图5 掉拓法磨容削槽

（8）花键齿形磨削时，为了保证拉刀跨棒距的一致性及拉刀螺旋度，采用多支承点的方法加工，多组顶针检测拉刀的跨棒距方法进行。如图6 所示。

图6 多支承磨花键齿形

3 结语

拉刀是刀具生产中不可或缺的一种切削刀具，其中细长拉刀占据一定比例。在细长拉刀加工过程中，要保证拉刀精度要求及表面质量，保证拉刀表面刚性强度。对于细长拉刀的制造，它不仅需要满足细长拉刀性能要求，还要保证精度要求，以确保细长拉刀的质量。在细长拉刀的制作过程中要采用可靠的设备进行，同时还要在保证细长拉刀的精度和性能的前提下，使细长拉刀能够达到设计及加工要求。