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某转子轴颈圆柱度保证方法探讨

发表时间：2020/11/10 来源：《基层建设》2020年第21期作者：张杰

[导读] 摘要：某转子由轴段及叶轮组成，其单个轴段轴颈圆柱度要求0.006mm，基本达到了机床主轴精度极限。

        东方汽轮机有限公司四川德阳 618000
        摘要：某转子由轴段及叶轮组成，其单个轴段轴颈圆柱度要求0.006mm，基本达到了机床主轴精度极限。文章就影响圆柱度的主要因素进行了分析，并提出了相应的解决方案，取得了较好的效果。
        关键词：转子；轴颈；圆柱度
        1概述
        某转子由轴段及叶轮等组成，其总长度为2034.5mm，重量11.5吨，最大外圆直径达Φ1797mm，轴颈尺寸为Φ558.88mm，轴颈径向跳动0.004mm，圆柱度要求0.006mm。由该零件尺寸与形位公差要求可知其为高精度刚性轴类零件，装夹、找正非常困难，其圆柱度要求基本达到了机床主轴精度极限，因此该圆柱度要求只能通过工艺方法来保证。
        2圆柱度影响因素分析
        2.1圆柱度的概念
        圆柱度是指在轴段内任一垂直截面最大尺寸与最小尺寸之差，圆柱度是圆柱体圆度与直线度的综合体现，因此要分析影响圆柱度的因素，可从圆度与直线度两个方面进行分析。
        2.2圆度影响因素分析
        （1）支撑基准圆自身圆度的影响
        加工此种轴类零件通常采用一夹一托装夹方式，通过分析机床特性与工件装夹、支撑状态可知，工件靠近车床床头部位圆度取决于车床主轴跳动值，而靠近床尾部位圆度取决于支撑基准圆自身的圆度值，而目前国内大型数控车床主轴跳动值基本在0.01mm左右，即使国外进口的大型数控车床主轴跳动值能在0.005mm以下也非常罕见，因此这类工件轴颈基本放在床尾端加工，这样床尾端支撑基准圆自身圆度值便成为影响轴颈圆度的重要因素之一。
        （2）支撑方式的影响
        数控转子车床通常情况下采用静压支撑方式，针对本课题研究轴头，其总重量11.5吨，相对较轻，若采用静压支撑方式，工件与瓦块之间形成一层油膜，即工件将会被浮起0.03mm左右，当受到切削力后会造成工件沿受力方向的移动，影响工件跳动与圆度，故采用静压支撑方式不能满足要求。因此支撑方式为影响轴颈圆度的重要因素之二。
        （3）找正方法及精度的影响
        该转子为叶轮加轴段结构，叶轮部分尺寸Φ1797×573.96，轴段部分尺寸Φ558.88×1248.5+Φ590×215.46，存在偏心现象，且为刚性轴类零件，在找正过程中容易出现“憋劲”现象，床头跳动变化易影响到床位，若找正方法不当则极难达到要求，同时找正精度也直接影响到轴颈精度。因此找正方法及其精度为影响轴颈圆度的重要因素之三。
        2.3直线度影响因素分析
        （1）机床几何精度的影响
        任何高精度机床都不可避免的存在几何精度偏差，如床身导轨的直线度、平行度等都直接影响着工件的直线度。因此机床几何精度为影响轴颈直线度的重要因素之一。
        （2）刀具磨损的影响
        刀具在使用过程中都会出现不同程度的磨损，刀具的磨损程度直接影响直线度偏差值。因此刀具磨损为影响轴颈直线度的重要因素之二。
        （3）支撑轴段温差的影响
        支撑部位不可避免会产生一定热量，使得支撑轴段间存在着一定的温差，从而该轴段的热膨胀程度不一致，对于高精度微量切削，轴段热膨胀程度不一致将直接影响其直线度值。因此支撑轴段温差为影响轴颈直线度的重要因素之三。
        3解决方案
        3.1圆度的控制
        （1）支撑基准圆自身圆度的控制
        支撑基准圆圆度值即为该截面圆高低点之差，可通过修正加工截面圆将其高低点之差降低至允许范围之内，可设计专用宽刃轴颈车刀，采用大前角、大后角增加刀具锋利程度，增加刀具切削刃宽度，刀具制作时将其刃部直线度控制在0.005mm内，同时将刀具设计成大弧度弹性反切刀，当加工过程中瞬间切削力增大时刀具可回弹，尽可能减小切削力对工件的影响。修正加工前使用千分表检测支撑基准圆跳动并标识出高低点，从高点接触位置起调整切深进行微量修正加工，反复微量修正直到满足要求。
        （2）支撑方式的选择
        为消除静压支撑方式的缺点，采用硬支撑方式，但采用硬支撑时工件与瓦块之间为硬摩擦，工件支撑部位发热严重，导致工件热膨胀从而造成支撑处磨损的同时造成跳动与直线度控制困难。为此，采用巴式合金平面瓦块，与工件呈直线接触，可有效减少接触面积降低摩擦力，同时在瓦块平面上设置油槽，工件旋转时可实现支撑部位圆周润滑与冷却，大大降低了支撑部位的摩擦力与发热量，从而有效控制支撑部位的圆度。
        （3）优化夹持、找正方法
        设计专用铜条，将铜条垫在花盘卡爪与工件夹持外圆之间，如图4、图5所示，在找正过程中各卡爪不施压，让卡爪能够带动工件旋转即可，卡爪与工件之间的连接相对柔性化，可以避免在找正过程中出现“憋劲”现象，同时可消除机床主轴跳动对工件的影响。

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        另一方面，优化找正方法步骤，如下所述：
        ①轴头上车床装夹并按常规方法粗找至跳动0.1mm内，然后以最小量对选取的支撑基准进行修正车削并反复抛光，以保证支撑基准处圆跳动0.004mm，粗糙度Ra0.8。
        ②在刀架上架百分表，找正夹持处法兰与花盘同心度在允许范围内。
        ③将中心架移至上步中加工出的基准处支撑，在车床花盘与工件靠花盘侧端面之间架一百分表（花盘、百分表、工件三者相对位置不变），并在花盘最上方处将百分表置零。低速旋转转子，以花盘最上方处为起点圆周均分4点记录百分表读数。
        ④根据圆周四点百分表读数绘制调整量计算简图，并简化为三角形。
        ⑤计算中心架高度调整量、中心架侧支撑调整量，根据所计算出的调整量△1、△2 分别调整中心架高度、中心架侧支撑位置。
        竖直方向（中心架高度）调整量：△1=L×[(A2/2)/(Φ1/2)]
        水平方向（中心架侧支撑）调整量：△2=L×{[(A3-A1)/2]/(Φ1/2)}
        ⑥按第3步检测圆周4处百分表读数，若读数差值不满足要求则按第上述方法继续进行调整，直到满足要求为止。
        3.2直线度的控制
        （1）机床几何精度偏差补偿
        通常情况下，机床几何精度是固定不变的，因此可以间隔一段距离L0分别加工两个基准外圆（理论直径均为Φ），然后实测两基准外圆尺寸Φ1、Φ2，计算机床几何精度偏差补偿系数δ1=(Φ1-Φ2)/ L0，根据实际加工轴段长度计算直径补偿值，通过程序补偿以消除机床几何精度对直线度的影响。
        例如：需要加工Φ×L的轴段，将轴段进刀起点定位Z向零点，若要消除机床几何精度对直线度的影响，则程序段应修正为：G01 X=Φ Z0 F
        G01 X=(Φ+L×δ1) Z=L
        （2）刀具磨损补偿
        刀具磨损程度与切削参数、加工长度、冷却等加工条件密切相关，若在加工条件不变的情况下，刀具磨损程度亦有规律可循。因此可采用与精车相同加工条件进行试加工理论直径为Φ的轴段L1，如图11所示，并实测间隔 L1距离的两处外圆尺寸Φ3、Φ4，计算刀具磨损补偿系数δ2=(Φ3-Φ4)/ L1，然后根据实际加工轴段长度计算直径补偿值，通过程序补偿以消除刀具磨损对直线度的影响。
        （3）工件支撑轴段热膨胀补偿
        工件的热膨胀可按金属固有的热膨胀规律进行计算，工件热膨胀补偿系数：
        δ3=△T×α （其中：△T为被加工轴段退刀点温度与进刀点温度之差，α为金属的线膨胀系数）。
        例如：需加工图示Φ0的轴段，则相应程序段应修正为:
        G01 X=Φ Z1 F
        G01 X=Φ0×( 1+δ3) Z2
        若同时考虑上述三者的影响，则可按照下列修正程序段的方式进行补偿：
        G01 X=Φ Z1   F
        G01 X=[Φ+L×(δ1+δ2)+ Φ×δ3] Z=Z1+L
        其中： Z1-轴段进刀起点Z向位置
        Φ-加工轴段图示尺寸
        L-加工轴段长度
        δ1-机床几何精度补偿系数
        δ2-刀具磨损补偿系数
        δ3-工件热膨胀补偿系数
        4结束语
        通过对某转子轴颈圆柱度影响因素进行了分析，并就各因素分别提出了相应的解决方案，形成了一套有效的高精度轴颈圆柱度保证方法，为类似刚性轴类零件圆柱度的保证积累了宝贵的经验。
        参考文献
        [1]杨叔子.机械加工工艺手册.机械工业出版社.2001.8.
        [2]刘英,袁绩乾.机械制造技术基础.机械工业出版社.2008.9.