設計一種新型頂針裝置來加工小直徑細長軸，可實現將尾座巧變中心架，變尾座的軸向頂緊為徑向夾緊，從而消除細長軸在加工過程中因受力、受切削熱而導致的變形和熱伸長量，保證產品質量。
PART 1序言
小直徑細長軸在核電、內燃機、火電汽輪機以及航空航天制造領域具有廣泛的應用。細長軸車削技術一直是車削加工的難點，經過長期的實踐積淀，目前針對細長軸類零件的加工方案越來越豐富。常見方法為采用專用設備，例如拉桿車床、雙刀塔車銑復合（上下刀塔同時車削）；或者采用先進工藝，例如輔助支撐、分段車削、多道車削及振動控制等，根據細長軸零件的形狀、材料及加工精度要求來選擇合適的方案[1]。但是在實際加工中，有時受制于生產條件，需要根據現有條件來制定加工方案。下面介紹的就是一種受制于現有生產條件的加工方法，基于一種新型頂尖裝置，將尾座巧變中心架，變尾座的軸向頂緊力為徑向夾緊力，消除細長軸的軸向受力，消除其因受力、受切削熱而導致的變形和熱伸長量，從而更好地保證產品質量。
PART 2工藝難點
某新型閥桿結構如圖1所示，為公司長徑比最大閥桿，其試制能否成功關系到未來閥桿改型升級方向，以及公司超超臨界汽輪機[2]660MW等級市場使用率。閥桿長度808.8mm，平均直徑約20mm，長徑比為40，同軸度0.025mm。閥桿為超細長軸[3]，材質為高溫鎳基合金[4]，車削難度極大，極易彎曲變形，需氮化，且高溫環(huán)境會加大閥桿彎曲變形程度。因工件加工幾何精度要求高，故制造難度較大。
圖1 閥桿結構
PART 3細長軸加工變形的原因
在細長軸加工過程中，存在多種因素導致工件變形，主要包括以下幾方面。
（1）裝夾方式及工裝使用的影響 由于細長軸零件的剛性通常較差，因此裝夾方式的選擇和工裝的使用至關重要。若裝夾不當、定位基準選擇錯誤以及夾緊力不適當，就會導致工件的過定位和變形，同時，不正確使用工裝夾具也可能引發(fā)各種形式的變形，如“竹節(jié)形”、“馬鞍形”和“菱形”等，這些問題均可能導致工件報廢。
（2）材料特性及內部殘余應力的影響 細長軸零件的加工難易程度很大程度上受材料特性的影響。由于超細長軸在加工中需要去除大量材料，毛坯材料被去除時釋放殘余應力，破壞工件的組織平衡狀態(tài)，因此導致顯著的加工變形。
（3）加工工藝方法及加工過程中的受力影響 由于細長軸零件的結構和形狀多樣，因此采用的加工方法各異。然而，這些零件在加工過程中都面臨著共性問題，即不合理的工藝方法可能導致切削力增大，進而引發(fā)工件振動[5]和彎曲變形。此外，由于零件在離心力的作用下可能發(fā)生自振動，切削力也會導致彎曲變形和振動，因此確定合理的加工工藝方法以減小受力和振動是提高車削質量的關鍵。
PART 4細長軸加工變形的控制措施
為了控制細長軸加工過程中的變形，常采取以下措施。
（1）利用工裝改進工件的裝夾方式 選擇合適的裝夾方式非常重要，如雙頂尖配合雞心夾頭裝夾、一夾一頂、一夾一頂一托、一夾一托以及一夾多托等。根據零件的結構和形狀特點選擇適當的裝夾方式，以提高工件的剛性，減小工件受力，消除振動，盡可能減小和避免工件裝夾引起的變形，從而確保工件加工質量。
（2）分步降低材料殘余應力 殘余應力在整個加工過程中都會影響工件的變形?？梢圆捎梅植郊庸さ姆绞剑ù旨庸?、半精加工和精加工，以逐步降低材料的殘余應力。此外，還可以通過熱處理和時效等方式，減少應力釋放引起的加工變形[6]。
（3）優(yōu)化加工工藝 降低受力是減小細長軸工件加工變形的關鍵。為此，需要采用合理的加工工藝方法，包括合理安排加工工序、選擇合適的刀具幾何角度、設定合適的切削參數以及設計有利于減小變形的刀具路徑。這些措施可以保證工件較少受切削力的影響，避免加工過程中的振動。
PART 5工藝方案
根據超細長桿產品特點，在機床、刀具及切削參數一定的情況下，因影響車削質量最重要的因素為裝夾方式，故從裝夾方式方面提出如下解決方案。根據公司現有設備情況，選擇Mazak QTN200帶尾座和單一中心架全功能數控車床，借鑒傳統(tǒng)細長桿加工方法，采用“一夾一托一頂”方式加工（見圖2）。
圖2 “一夾一托一頂”方式加工示意
通過試制，發(fā)現高精度細長軸要實現在通用設備上采用“夾、托、頂”方式加工，對操作人員的技能要求較高，其中對頂針的使用技巧相當關鍵。因為細長軸受軸向力極易變形，尺寸、幾何公差很難保證，嚴重影響產品質量，所以關注點轉移到如何消除細長軸的軸向受力變形上。
通過查閱資料，發(fā)現有一種專業(yè)加工超細長軸的數控車床，此機床的特點為無尾座但附帶許多中心架，中心架只有徑向夾緊力而無軸向力。受此啟發(fā)，提出“一夾兩托”的方案（見圖3），將現有的尾座頂針轉換為中心架的功能。
圖3 “一夾兩托” 方式加工示意
經過分析和實踐，設計出一種新型可調節(jié)尾座頂針裝置，其結構如圖4所示，能夠實現將尾座巧變中心架，變尾座的軸向頂緊為徑向夾緊，消除細長軸受力變形，通過對頂針夾緊力的控制，可以實現消除細長軸在加工過程中因受力、受切削熱而導致的熱伸長量，消除變形。
圖4 新型頂針裝置結構
1—襯套 2—頂針主體 3—彈性夾套 4—內六角平端緊定螺釘 5—鎖緊螺母
襯套用于對頂針尾部伸出部分零件進行穩(wěn)固，可根據零件尺寸進行更換；頂針主體用于與尾座內錐配合[7]；彈性夾套外錐面用于與頂針主體內錐配合，彈性夾套可根據產品尺寸進行選擇更換；鎖緊螺母用于通過螺紋與頂針本體聯接實現軸向位移，導致彈性夾套變形，使得工件夾緊；內六角平端緊定螺釘用于防止加工過程中鎖緊螺母松動。
新型頂針裝置可實現徑向夾緊，同時涵蓋常規(guī)頂尖功能（見圖5）。可更換頂尖用于利用中心孔或外圓頂緊加工產品的情況，等同于常規(guī)頂尖的功能。針對不同規(guī)格的零件，僅需更換彈性夾套或頂尖，提升了頂針的利用率，降低了產品制造成本。
圖5 新型頂針裝置等同常規(guī)頂尖功能示意
PART 6工藝方案的實施
將閥桿通過“一夾一托（中心架）”方式車削出φ21
mm的夾持基準，選定內孔尺寸為φ21mm的彈性夾套。按頂針裝置示意圖安裝各部件，結合中心架的移動，按圖樣分別車削各外圓[8]。
頂針裝置的具體安裝步驟如下。
1）通過“一夾一托（中心架）”方式車削出φ21mm的夾持基準。
2）根據車削出的φ21mm夾持基準外圓選定內孔尺寸為φ21mm的彈性夾套。
3）將頂針主體插入機床尾座錐孔內，使其配合緊密。
4）參照頂針裝置結構圖（見圖4），依次將彈性夾頭、鎖緊螺母、工件（通過尾座移動調節(jié)位置）和內六角平端緊定螺釘安裝到位，并使用扳手把緊鎖緊螺母，注意把緊力度。利用內六角扳手鎖緊螺釘。
5）利用百分表校驗頂針夾持位置工件跳動情況，確保頂針安裝到位。
頂針在機床尾座的實際安裝情況如圖6所示。
圖6 頂針在機床尾座的實際安裝情況
新型閥桿車削加工工藝流程如下。
1）使用外圓車刀配合中心架移動，從卡盤端向頂針端分3段車削出中心架夾持基準外圓[9]，即通過從卡盤向尾座端車削中心架夾持基準，夾持中心架后按同樣方式車削第2段中心架夾持基準，通過車削基準架中心架的方式，利用中心架的移動完成所需位置中心架夾持基準的車削。夾持基準外圓留余量。
2）使用百分表對車削出的基準外圓檢測跳動。
3）移動中心架至基準外圓夾持工件，利用百分表校驗中心架夾持位置跳動，確保夾持前和夾持后百分表跳動0.005mm內。
4）使用外圓車刀以中心架為界半精車削閥桿的前后部分，復查中心架夾持部分跳動有無變化，精車削閥桿前后部分至成品尺寸。
5）移動中心架至已加工外圓，夾持已加工外圓車削基準外圓至成品尺寸，復查尺寸。
配合新型可調尾座頂針，閥桿“一架兩托”加工方案如圖7所示，新型頂針實際試加工應用如圖8所示。
圖7 “一夾兩托”利用新型頂針裝置加工閥桿示意
圖8 新型頂針實際試加工應用
PART 7加工效果及優(yōu)點
利用該方案加工試制閥桿3件，通過自檢及專監(jiān)檢驗圓柱度、同軸度和外圓表面粗糙度，3件全部合格，合格率為100%。同時該新型頂針裝置還具有以下優(yōu)點。
1）頂針通用性比較強，既能實現徑向夾緊，同時也具有常規(guī)頂尖軸向頂緊的功能，具有廣泛的通用性。
2）針對不同規(guī)格的零件，僅需更換彈性夾套或頂尖，提升了頂針的利用率和該裝置的適用性。
3）當頂尖磨損之后，只需更換頂尖即可，而頂針主體等部件可重復使用，縮短了頂針制造周期，降低了成本。
4）實現了“頂針巧變中心架”，“一夾一托一頂”變?yōu)椤耙粖A兩托”，變軸向受力為徑向夾緊，消除細長軸軸向受力，以此消除細長軸受力變形，保證其尺寸、幾何精度。
5）通過對頂針夾緊力的控制，可以實現消除細長軸在加工過程中因受力、受切削熱而導致的熱伸長量，消除變形，保證質量。
6）結構精簡，方便、安全，可靠性高。
7）該加工方法可以推廣至小直徑細長軸類零件的車削加工中，頂針可以應用到所有車床尾座上，具有一定的推廣潛力和經濟效益。
PART 8結束語
基于新型頂針小直徑細長軸加工方法可實現將尾座巧變中心架，變尾座的軸向頂緊為徑向夾緊，應用于細長軸加工時，通過對頂針夾緊力的控制，可以實現消除細長軸在加工過程中因受力、受切削熱而產生的熱伸長量，消除變形，為類似細長軸的加工找到了一種科學、合理的加工方案。新型頂針裝置涵蓋常規(guī)頂尖功能，針對不同規(guī)格的零件，僅需更換彈性夾套或自制頂尖頭，提升了頂針的利用率，降低了成本。通用機床尾座由軸向頂緊改為徑向夾持的新型尾座頂針裝置具有很好的通用性和推廣價值。
