CN102615291A - 一种轴类零件的预应力车削方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴类零件的预应力车削方法及装置，本发明具有如下的技术效果：1、实现了轴类零件的预应力车削加工；2、工艺简单，省去加工后续较为复杂和昂贵的残余应力调整工序，降低了加工成本，提高了生产效率；3、通过调整预应力的大小，可以将轴类零件包括螺纹轴的表面残余应力主动控制在一定范围内；4、在预应力车削后，轴类零件已加工表面除了存在合适的残余压应力外，不会带来额外的硬化和织构化等变化，这对于承受冲击载荷的工件来说是很有利的；5、预拉应力引起的变形可以容易地在切削用量中进行补偿。

Description

一种轴类零件的预应力车削方法及装置

技术领域

本发明涉及一种轴类零件的预应力车削方法及装置。

背景技术

现代制造装备业对齿轮轴、传动轴以及螺纹轴等轴类零件的可靠性和使用寿命的要求越来越高，这些零件大都承受着复杂交变应力的作用，有些还处于冲击、振动和严重腐蚀性环境中工作，在实践应用中常发现其表面和螺纹部分萌生疲劳裂纹，进而导致零件疲劳失效而造成严重的事故。一般认为，残余应力对金属零构件的疲劳强度有决定性的意义，当零件表面分布残余压应力时，能有效提高其疲劳强度及寿命；反之若分布残余拉应力，则明显降低其疲劳强度及寿命。残余应力也是零件遭受应力腐蚀破坏的重要因素，表面压应力有利于提高零件的抗应力腐蚀能力，表面拉应力则促成应力腐蚀。为了获得残余压应力分布并消除残余拉应力的不利影响，轴类零件在实际使用前常常进行表面残余应力的调控。从调控工序时间上来看，目前调整残余应力的方法主要分为两类：一类是切削加工后通过表面压延或增加表面密度等方法来控制，如喷丸、滚压和渗碳渗氮以及表面涂层等，这些方法除了成本昂贵使得中小型企业往往难以承担，以及一些零件(如螺纹轴)无法实施外，还可能引起额外的表面硬化，降低零件的冲击韧性；另一类是在切削加工的过程中进行控制，包括采用强冷低温切削、微量润滑切削等方法，以及优化切削参数和刀具形状，然而前者同样需要昂贵的专用设备，后者由于影响加工表面残余应力的因素多而复杂，仅考虑调整加工参数难以稳定控制加工表面的残余应力。预应力切削方法是一种在金属切削加工过程中主动控制残余应力的有效方法，采用预应力切削加工方法，使得零件已加工表面分布合适的残余压应力，从而有效抑制其疲劳裂纹的产生和提高零件的疲劳强度。基于以上优点，预应力切削方法已成功地应用在环类零件的磨削和框架零件的铣削等加工中，取得了良好的效果。轴类零件由于既需保证车削过程的回转运动，同时又要对零件施加拉伸作用的预应力，目前还没有轴类零件的预应力车削装置或技术手段出现，人们往往改为在切削加工后选择较为复杂和昂贵的残余应力调整工序，极大地限制了生产效率，也影响了预应力切削方法的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴类零件的预应力车削方法及装置。

本发明的技术方案是，一种轴类零件的预应力车削方法，步骤如下：

(1)首先，确认被加工轴类零件材料的弹性极限强度；

(2)然后，在预应力车削装置上对轴类零件施加轴向的拉伸应力，确保加载后零件材料仍处于弹性状态；

(3)其次，测量轴类零件在加载预应力前后的尺寸变化量，并在背吃刀量中补偿该尺寸变化量；

(4)接着，在保持该拉伸应力的条件下，将带有预应力车削装置的轴类零件置于机床上进行车削加工；

(5)再次，在车削加工完毕后，将带有预应力车削装置的轴类零件置于机床上完全冷却至常温状态；

(6)最后，将带有预应力车削装置的轴类零件从机床上拆卸，再将轴类零件从预应力车削装置上取下。

对轴类零件预先施加的轴向拉伸应力值小于轴类零件材料的弹性极限强度，施加的拉伸应力大小和方向保持不变。

在轴类零件的切削用量中补偿由于加载预应力带来的零件尺寸变化量。

一种轴类零件的预应力车削装置，支承座的一端通过连接座轴承装有连接座，连接座为阶梯轴，连接座轴承装在连接座的小轴上，在连接座的小轴端面有连接座内螺纹孔；在支承座的另一端通过联接轴轴承装有联接轴，联接轴为阶梯轴，联接轴大轴端内面有联接轴内螺纹孔，小联接轴的小轴为外螺纹轴，施力螺母通过垫圈装在联接轴小轴上，垫圈的另一面压在联接轴轴承上，联接轴小轴端面有顶尖孔。

本发明具有如下的技术效果：1、实现了轴类零件的预应力车削加工，推广了预应力切削方法的应用范围；2、工艺简单，在车削加工中就达到主动控制和调整轴类零件已加工表面残余应力的目的，省去加工后续较为复杂和昂贵的残余应力调整工序，降低了加工成本，提高了生产效率；3、通过调整预应力的大小，可以将轴类零件包括螺纹轴的表面残余应力主动控制在一定范围内，这是其他残余应力调整方法难以办到的；4、在预应力车削后，轴类零件已加工表面除了存在合适的残余压应力外，不会带来额外的硬化和织构化等变化，这对于承受冲击载荷的工件来说是很有利的，也是其他残余应力调整方法难以办到的；5、预拉应力引起的变形可以容易地在切削用量中进行补偿，而其他残余应力调整方法引起工件的变形是需要额外的标定补偿或者难以补偿消除的。

附图说明

图1是本发明一种轴类零件的预应力车削装置结构示意图。

图2是本发明一种轴类零件的预应力车削装置结构使用状态图。

具体实施方式

一种轴类零件的预应力车削方法，步骤如下：

1、轴类零件材料是42CrMo，首先，确认被加工42CrMo材料的弹性极限强度≥350MPa；

2、然后，在预应力车削装置上对螺杆施加一个轴向拉伸应力，采用电阻应变片电测法测算出对应的预应力大小为150MPa，通过换算确保加载后工件材料仍处于弹性状态下；

3、其次，通过理论计算、数值模拟和步骤2的测量换算，确定螺杆外径在加载预应力前后的变化量为10.4μm，并在背吃刀量中补偿该尺寸变化量；

4、接着，在保持该预应力的条件下，将带有预应力车削装置的螺杆置于机床上，采用PCBN刀具对螺杆进行预应力车削加工；切削加工中，施加的预应力大小和方向保持不变；切削加工主要参数为：切削速度75m/min，背吃刀量0.2mm，进给量0.12mm/rev；

5、再次，在切削加工完毕后，将带有预应力车削装置的螺杆置于机床上自然冷却至常温状态；

6、最后，将带有预应力车削装置的螺杆从机床上拆卸，将螺杆从预应力加载装置上取下。

经X射线衍射分析，螺杆已加工表面层的残余应力状态为压应力，其应力值接近-320MPa，残余压应力的分布层深为近100μm。

如图1所示，一种轴类零件的预应力车削装置，支承座1的一端通过连接座轴承3装有连接座2，连接座2为阶梯轴，连接座轴承3装有连接座2的小轴上，在连接座2的小轴端面有连接座内螺纹孔4；在支承座1的另一端通过联接轴轴承6装有联接轴5，联接轴5为阶梯轴，联接轴5大轴端内面有联接轴内螺纹孔9，小联接轴5的小轴为外螺纹轴，施力螺母8通过垫圈7装在联接轴5小轴上，垫圈7的另一面压在联接轴轴承6上，联接轴5小轴端面有顶尖孔10。

如图2所示，轴类零件11的一端通过外螺纹与连接座内螺纹孔4连接，轴类零件11的一端与联接轴5大轴端内面联接轴内螺纹孔9联接，拧紧施力螺母8，将轴类零件11拉伸。轴类零件11在加载预应力前后的尺寸变化量通过理论计算、有限元模拟或者电阻应变片电测法进行测量，并在背吃刀量中补偿该尺寸变化量。预拉伸应力的大小通过调整施力螺母8旋转的圈数来控制。预应力车削加工时，机床12的卡盘13卡住连接座2，机床12的顶尖14顶住联接轴5小轴端面有顶尖孔10，支承座1不旋转，其余部件均随机床12卡盘13与顶尖14一起进行旋转。反向旋转施力螺母8，作用到联接轴5大端的内螺纹孔处的拉力被移除，从而卸载预应力。预应力卸载后，通过反向旋转连接座2和联接轴5拆卸轴类零件11。以42CrMo螺杆的预应力车削为例，螺杆在工作时承受着较高的集中交变载荷和冲击载荷，其疲劳寿命与其表面残余应力的状态有密切关系，残余压应力能显著提高零件表面性能和疲劳寿命，反之，残余拉应力将产生消极的影响。为在其表面产生残余压应力，采用本发明进行螺杆的预应力车削加工。工件材料为42CrMo，弹性模量210GPa，泊松比0.3；工件尺寸Φ30mm×500mm，即直径30mm，长度500mm；按本发明的技术方案进行加工。

Claims (4)

1.一种轴类零件的预应力车削方法，其特征在于：步骤如下：

(1)首先，确认被加工轴类零件材料的弹性极限强度；

(2)然后，在预应力车削装置上对轴类零件施加轴向的拉伸应力，确保加载后零件材料仍处于弹性状态；

(3)其次，测量轴类零件在加载预应力前后的尺寸变化量，并在背吃刀量中补偿该尺寸变化量；

(4)接着，在保持该拉伸应力的条件下，将带有预应力车削装置的轴类零件置于机床上进行车削加工；

(5)再次，在车削加工完毕后，将带有预应力车削装置的轴类零件置于机床上完全冷却至常温状态；

(6)最后，将带有预应力车削装置的轴类零件从机床上拆卸，再将轴类零件从预应力车削装置上取下。

2.根据权利要求1所述的轴类零件的预应力车削方法，其特征在于：对轴类零件预先施加的轴向拉伸应力值小于轴类零件材料的弹性极限强度，施加的拉伸应力大小和方向保持不变。

3.根据权利要求1所述的轴类零件的预应力车削方法，其特征在于：在轴类零件的切削用量中补偿由于加载预应力带来的零件尺寸变化量。

4.根据权利要求1所述的一种轴类零件的预应力车削装置，其特征在于：支承座(1)的一端通过连接座轴承(3)装有连接座(2)，连接座(2)为阶梯轴，连接座轴承(3)装在连接座(2)的小轴上，在连接座(2)的小轴端面有连接座内螺纹孔(4)；在支承座(1)的另一端通过联接轴轴承(6)装有联接轴(5)，联接轴(5)为阶梯轴，联接轴(5)大轴端内面有联接轴内螺纹孔(9)，小联接轴(5)的小轴为外螺纹轴，施力螺母(8)通过垫圈(7)装在联接轴(5)小轴上，垫圈(7)的另一面压在联接轴轴承(6)上，联接轴(5)小轴端面有顶尖孔(10)。

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