專利名稱：一種軸類零件的預應(yīng)力車削方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸類零件的預應(yīng)力車削方法及裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代制造裝備業(yè)對齒輪軸、傳動軸以及螺紋軸等軸類零件的可靠性和使用壽命的要求越來越高，這些零件大都承受著復雜交變應(yīng)力的作用，有些還處于沖擊、振動和嚴重腐蝕性環(huán)境中工作，在實踐應(yīng)用中常發(fā)現(xiàn)其表面和螺紋部分萌生疲勞裂紋，進而導致零件疲勞失效而造成嚴重的事故。一般認為，殘余應(yīng)力對金屬零構(gòu)件的疲勞強度有決定性的意義，當零件表面分布殘余壓應(yīng)力時，能有效提高其疲勞強度及壽命；反之若分布殘余拉應(yīng)力，則明顯降低其疲勞強度及壽命。殘余應(yīng)力也是零件遭受應(yīng)力腐蝕破壞的重要因素，表面壓應(yīng)力有利于提高零件的抗應(yīng)力腐蝕能力，表面拉應(yīng)力則促成應(yīng)力腐蝕。為了獲得殘余壓應(yīng)力分布并消除殘余拉應(yīng)力的不利影響，軸類零件在實際使用前常常進行表面殘余應(yīng)力的調(diào)控。從調(diào)控工序時間上來看，目前調(diào)整殘余應(yīng)力的方法主要分為兩類一類是切削加工后通過表面壓延或增加表面密度等方法來控制，如噴丸、滾壓和滲碳滲氮以及表面涂層等，這些方法除了成本昂貴使得中小型企業(yè)往往難以承擔，以及一些零件(如螺紋軸)無法實施夕卜，還可能引起額外的表面硬化，降低零件的沖擊韌性；另一類是在切削加工的過程中進行控制，包括采用強冷低溫切削、微量潤滑切削等方法，以及優(yōu)化切削參數(shù)和刀具形狀，然而前者同樣需要昂貴的專用設(shè)備，后者由于影響加工表面殘余應(yīng)力的因素多而復雜，僅考慮調(diào)整加工參數(shù)難以穩(wěn)定控制加工表面的殘余應(yīng)力。預應(yīng)力切削方法是一種在金屬切削加工過程中主動控制殘余應(yīng)力的有效方法，采用預應(yīng)力切削加工方法，使得零件已加工表面分布合適的殘余壓應(yīng)力，從而有效抑制其疲勞裂紋的產(chǎn)生和提高零件的疲勞強度。基于以上優(yōu)點，預應(yīng)力切削方法已成功地應(yīng)用在環(huán)類零件的磨削和框架零件的銑削等加工中，取得了良好的效果。軸類零件由于既需保證車削過程的回轉(zhuǎn)運動，同時又要對零件施加拉伸作用的預應(yīng)力，目前還沒有軸類零件的預應(yīng)力車削裝置或技術(shù)手段出現(xiàn)，人們往往改為在切削加工后選擇較為復雜和昂貴的殘余應(yīng)力調(diào)整工序，極大地限制了生產(chǎn)效率，也影響了預應(yīng)力切削方法的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種軸類零件的預應(yīng)力車削方法及裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種軸類零件的預應(yīng)力車削方法，步驟如下(I)首先，確認被加工軸類零件材料的彈性極限強度；(2)然后，在預應(yīng)力車削裝置上對軸類零件施加軸向的拉伸應(yīng)力，確保加載后零件材料仍處于彈性狀態(tài)；(3)其次，測量軸類零件在加載預應(yīng)力前后的尺寸變化量，并在背吃刀量中補償該尺寸變化量；(4)接著，在保持該拉伸應(yīng)力的條件下，將帶有預應(yīng)力車削裝置的軸類零件置于機床上進行車削加工；(5)再次，在車削加工完畢后，將帶有預應(yīng)力車削裝置的軸類零件置于機床上完全冷卻至常溫狀態(tài)；(6)最后，將帶有預應(yīng)力車削裝置的軸類零件從機床上拆卸，再將軸類零件從預應(yīng)力車削裝置上取下。對軸類零件預先施加的軸向拉伸應(yīng)力值小于軸類零件材料的彈性極限強度，施加的拉伸應(yīng)力大小和方向保持不變。在軸類零件的切削用量中補償由于加載預應(yīng)力帶來的零件尺寸變化量。一種軸類零件的預應(yīng)力車削裝置，支承座的一端通過連接座軸承裝有連接座，連接座為階梯軸，連接座軸承裝在連接座的小軸上，在連接座的小軸端面有連接座內(nèi)螺紋孔；在支承座的另一端通過聯(lián)接軸軸承裝有聯(lián)接軸，聯(lián)接軸為階梯軸，聯(lián)接軸大軸端內(nèi)面有聯(lián)接軸內(nèi)螺紋孔，小聯(lián)接軸的小軸為外螺紋軸，施力螺母通過墊圈裝在聯(lián)接軸小軸上，墊圈的另一面壓在聯(lián)接軸軸承上，聯(lián)接軸小軸端面有頂尖孔。本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果1、實現(xiàn)了軸類零件的預應(yīng)力車削加工，推廣了預應(yīng)力切削方法的應(yīng)用范圍；2、工藝簡單，在車削加工中就達到主動控制和調(diào)整軸類零件已加工表面殘余應(yīng)力的目的，省去加工后續(xù)較為復雜和昂貴的殘余應(yīng)力調(diào)整工序，降低了加工成本，提高了生產(chǎn)效率；3、通過調(diào)整預應(yīng)力的大小，可以將軸類零件包括螺紋軸的表面殘余應(yīng)力主動控制在一定范圍內(nèi)，這是其他殘余應(yīng)力調(diào)整方法難以辦到的；4、在預應(yīng)力車削后，軸類零件已加工表面除了存在合適的殘余壓應(yīng)力外，不會帶來額外的硬化和織構(gòu)化等變化，這對于承受沖擊載荷的工件來說是很有利的，也是其他殘余應(yīng)力調(diào)整方法難以辦到的；
5、預拉應(yīng)力引起的變形可以容易地在切削用量中進行補償，而其他殘余應(yīng)力調(diào)整方法引起工件的變形是需要額外的標定補償或者難以補償消除的。


圖I是本發(fā)明一種軸類零件的預應(yīng)力車削裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明一種軸類零件的預應(yīng)力車削裝置結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)圖。
具體實施例方式一種軸類零件的預應(yīng)力車削方法，步驟如下1、軸類零件材料是42CrMo，首先，確認被加工42CrMo材料的彈性極限強度≥ 350MPa ；2、然后，在預應(yīng)力車削裝置上對螺桿施加一個軸向拉伸應(yīng)力，采用電阻應(yīng)變片電測法測算出對應(yīng)的預應(yīng)力大小為150MPa，通過換算確保加載后工件材料仍處于彈性狀態(tài)下；3、其次，通過理論計算、數(shù)值模擬和步驟2的測量換算，確定螺桿外徑在加載預應(yīng)力前后的變化量為10. 4 μ m，并在背吃刀量中補償該尺寸變化量；4、接著，在保持該預應(yīng)力的條件下，將帶有預應(yīng)力車削裝置的螺桿置于機床上，采用PCBN刀具對螺桿進行預應(yīng)力車削加工；切削加工中，施加的預應(yīng)力大小和方向保持不變；切削加工主要參數(shù)為切削速度75m/min，背吃刀量O. 2mm，進給量O. 12mm/rev ；
5、再次，在切削加工完畢后，將帶有預應(yīng)力車削裝置的螺桿置于機床上自然冷卻至常溫狀態(tài)；
6、最后，將帶有預應(yīng)力車削裝置的螺桿從機床上拆卸，將螺桿從預應(yīng)力加載裝置上取下。經(jīng)X射線衍射分析，螺桿已加工表面層的殘余應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，其應(yīng)力值接近-320MPa，殘余壓應(yīng)力的分布層深為近100 μ m。如圖I所示，一種軸類零件的預應(yīng)力車削裝置，支承座I的一端通過連接座軸承3裝有連接座2，連接座2為階梯軸，連接座軸承3裝有連接座2的小軸上，在連接座2的小軸端面有連接座內(nèi)螺紋孔4 ;在支承座I的另一端通過聯(lián)接軸軸承6裝有聯(lián)接軸5，聯(lián)接軸5為階梯軸，聯(lián)接軸5大軸端內(nèi)面有聯(lián)接軸內(nèi)螺紋孔9，小聯(lián)接軸5的小軸為外螺紋軸，施力螺母8通過墊圈7裝在聯(lián)接軸5小軸上，墊圈7的另一面壓在聯(lián)接軸軸承6上，聯(lián)接軸5小軸端面有頂尖孔10。如圖2所示，軸類零件11的一端通過外螺紋與連接座內(nèi)螺紋孔4連接，軸類零件
11的一端與聯(lián)接軸5大軸端內(nèi)面聯(lián)接軸內(nèi)螺紋孔9聯(lián)接，擰緊施力螺母8，將軸類零件11拉伸。軸類零件11在加載預應(yīng)力前后的尺寸變化量通過理論計算、有限元模擬或者電阻應(yīng)變片電測法進行測量，并在背吃刀量中補償該尺寸變化量。預拉伸應(yīng)力的大小通過調(diào)整施力螺母8旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來控制。預應(yīng)力車削加工時，機床12的卡盤13卡住連接座2，機床12的頂尖14頂住聯(lián)接軸5小軸端面有頂尖孔10，支承座I不旋轉(zhuǎn)，其余部件均隨機床12卡盤13與頂尖14 一起進行旋轉(zhuǎn)。反向旋轉(zhuǎn)施力螺母8，作用到聯(lián)接軸5大端的內(nèi)螺紋孔處的拉力被移除，從而卸載預應(yīng)力。預應(yīng)力卸載后，通過反向旋轉(zhuǎn)連接座2和聯(lián)接軸5拆卸軸類零件11。以42CrMo螺桿的預應(yīng)力車削為例，螺桿在工作時承受著較高的集中交變載荷和沖擊載荷，其疲勞壽命與其表面殘余應(yīng)力的狀態(tài)有密切關(guān)系，殘余壓應(yīng)力能顯著提高零件表面性能和疲勞壽命，反之，殘余拉應(yīng)力將產(chǎn)生消極的影響。為在其表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，采用本發(fā)明進行螺桿的預應(yīng)力車削加工。工件材料為42CrMo，彈性模量210GPa，泊松比O. 3 ;工件尺寸Φ30ι πιΧ500πιπι,即直徑30mm,長度500mm ;按本發(fā)明的技術(shù)方案進行加工。
權(quán)利要求
1.一種軸類零件的預應(yīng)力車削方法，其特征在于步驟如下 (1)首先，確認被加工軸類零件材料的彈性極限強度； (2)然后，在預應(yīng)力車削裝置上對軸類零件施加軸向的拉伸應(yīng)力，確保加載后零件材料仍處于彈性狀態(tài)； (3)其次，測量軸類零件在加載預應(yīng)力前后的尺寸變化量，并在背吃刀量中補償該尺寸變化量； (4)接著，在保持該拉伸應(yīng)力的條件下，將帶有預應(yīng)力車削裝置的軸類零件置于機床上進行車削加工； (5)再次，在車削加工完畢后，將帶有預應(yīng)力車削裝置的軸類零件置于機床上完全冷卻至常溫狀態(tài)； (6)最后，將帶有預應(yīng)力車削裝置的軸類零件從機床上拆卸，再將軸類零件從預應(yīng)力車削裝置上取下。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軸類零件的預應(yīng)力車削方法，其特征在于對軸類零件預先施加的軸向拉伸應(yīng)力值小于軸類零件材料的彈性極限強度，施加的拉伸應(yīng)力大小和方向保持不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軸類零件的預應(yīng)力車削方法，其特征在于在軸類零件的切削用量中補償由于加載預應(yīng)力帶來的零件尺寸變化量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種軸類零件的預應(yīng)力車削裝置，其特征在于支承座(I)的一端通過連接座軸承(3)裝有連接座(2)，連接座(2)為階梯軸，連接座軸承(3)裝在連接座⑵的小軸上，在連接座⑵的小軸端面有連接座內(nèi)螺紋孔⑷；在支承座⑴的另一端通過聯(lián)接軸軸承(6)裝有聯(lián)接軸(5)，聯(lián)接軸(5)為階梯軸，聯(lián)接軸(5)大軸端內(nèi)面有聯(lián)接軸內(nèi)螺紋孔(9)，小聯(lián)接軸(5)的小軸為外螺紋軸，施力螺母(8)通過墊圈(7)裝在聯(lián)接軸(5)小軸上，墊圈(7)的另一面壓在聯(lián)接軸軸承(6)上，聯(lián)接軸(5)小軸端面有頂尖孔(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軸類零件的預應(yīng)力車削方法及裝置，本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果1、實現(xiàn)了軸類零件的預應(yīng)力車削加工；2、工藝簡單，省去加工后續(xù)較為復雜和昂貴的殘余應(yīng)力調(diào)整工序，降低了加工成本，提高了生產(chǎn)效率；3、通過調(diào)整預應(yīng)力的大小，可以將軸類零件包括螺紋軸的表面殘余應(yīng)力主動控制在一定范圍內(nèi)；4、在預應(yīng)力車削后，軸類零件已加工表面除了存在合適的殘余壓應(yīng)力外，不會帶來額外的硬化和織構(gòu)化等變化，這對于承受沖擊載荷的工件來說是很有利的；5、預拉應(yīng)力引起的變形可以容易地在切削用量中進行補償。
文檔編號B23B1/00GK102615291SQ20121006812
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者唐新姿, 廖妙, 張 成, 彭銳濤, 譚援強 申請人:湘潭大學