轴类零件预应力加工方法及装置与流程

本发明涉及零件加工制造领域，具体地涉及一种轴类零件预应力加工方法及装置。

背景技术：

已加工表面残余应力是表面质量的重要指标，机械零件表面的残余压应力有利于其疲劳寿命和抗化学腐蚀性能的提高，而残余拉应力的效果则相反。而单纯地切削、铣削、磨削等加工方法往往会在已加工表面形成残余拉应力，不利于机械零件的疲劳寿命和抗化学腐蚀性能。目前多种调整和控制工件表层残余应力的方法，如热处理、熨压、滚压、喷丸等，然而这些方法都需要专用设备，工艺操作难度较大，材料成本与工艺成本都较高，在应用上受到了一些限制。在精密切削加工或者磨削加工中对工件施加预应力得到表面的残余压应力是更为有效的方法。但是一般加工中对轴类零件的装夹固定时不能对零件施加较大的轴向应力，施加轴向的拉应力更加困难。

在公布号为cn105196139a的发明专利中提出过一种预应力砂带磨削轴类零件的加载装置，其中对轴类零件施加拉力的方法是通过两个半圆型的上夹体和下夹体来夹持零件。但是这种方式有几个明显缺点；一是对工件的拆装不方便，需要拧下两个夹具的螺丝拆下上下夹体中的一个才能完成对工件的拆装；二是要求工件两端的直径大于中间位置的直径，而将胚料加工成这种形状需要浪费较多的材料；三是只能装夹两端直径为固定值的工件，直径过大会出现偏向或者不能装夹的问题，过小则会松动，不能有效的带动工件旋转，从而限制了设备的使用范围。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的对轴类零件施加轴向应力困难问题，提供一种轴类零件预应力加工方法，该方法具有能够对多种形状的轴类零件施加较大的轴向的拉压应力；另一方面本发明提供了一种轴类零件预应力加工装置，该装置具有拆装方便能够适应多种不同直径的工件的优点。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种轴类零件预应力加工方法，包括以下步骤：

1)取合适长度的原材料，在两端周向开槽得到待加工的工件；

2)安装待加工工件，使用卡盘勾住工件两端的凹槽；

3)施加预应力对工件进行切削、磨削加工；

4)冷却工件；

5)卸掉预应力，切断工件两端，得到完整工件。

优选地，步骤1)中原材料长度不小于设计零件总长度加四倍的开槽宽度；开槽距离原材料端面不小于槽宽。

优选地，步骤3)中对工件施加的预应力由整个工件上横截面最小的部分的面积成正比，预应力大小不得大于最小界面的屈服极限。

优选地，步骤3)中对工件车削加工时应由粗到细进行，保证正在加工的部分横截面面积为整个工件除开槽部分的最小截面积。

本发明第二方面提供一种轴类零件预应力加工装置，包括可在床身上滑动的尾座，所述床身上设置有驱动机构用于对所述尾座施加预应力，所述尾座上可旋转的安装有卡盘，所述卡盘上的卡爪末端向卡盘中心突出成钩爪，所述钩爪与工件上的凹槽相互配合对工件施加预应力。

优选地，在所述尾座上设置梯形导轨通过与床身上开设的燕尾槽相互配合实现尾座在床身上的滑动。

优选地，所述卡盘与阶梯轴相互固定，所述阶梯轴通过推力轴承安装在所述尾座上。

优选地，所述尾座上设置有金属应变片，通过尾座的应力变化计算加工中工件受到的实际预应力。

优选地，所述卡爪至少为三个，多个所述卡爪在所述卡盘上旋转对称布置。

通过上述技术方案，在轴类零件预应力加工方法中，只需要在待加工的胚料上开设两个凹槽便可稳定的在工件加工过程中施加和改变预应力，对胚料形状没有特殊要求适用范围广。在本发明的轴类零件预应力加工装置中，具有拆装方便，使用卡盘夹持工件定心方便对能够安装夹持不同直径的工件。

附图说明

图1是本发明轴类零件预应力加工装置的立体图；

图2是本发明轴类零件预应力加工装置的俯视图；

图3是本发明轴类零件预应力加工装置的图2中a-a的剖视图；

图4是本发明轴类零件预应力加工装置的卡盘1的爆炸图；

图5是本发明轴类零件预应力加工装置的卡盘1的正视图；

图6是本发明轴类零件预应力加工装置的图5中b-b的剖视图；

图7是本发明轴类零件预应力加工装置的部分示意图；

图8是本发明轴类零件预应力加工方法的流程图。

附图标记说明

1-卡盘2-尾座

3-床身4-驱动机构

5-卡爪6-卡钩

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指图3中所述的位置关系“内、外”是指设备本身的内外关系。

本发明一方面通过了一种轴类零件预应力加工方法，包括以下步骤

1)取合适长度的原材料，在两端周向开槽得到待加工的工件；

2)安装待加工工件，使用卡盘1勾住工件两端的凹槽；

3)施加预应力对工件进行切削、磨削加工；

4)冷却工件；

5)卸掉预应力，切断工件两端，得到完整工件。

在本发明中，原材料两端到开槽部分目的是为了能够夹持工件对工件施加预应力在步骤5)最终会切除掉这一部分，留下的中间部分才是加工设计零件的部分，所以在取原材料长度时应当加上两端将会切除部分的长度。

通过以上技术方案，只需要在待加工的胚料上开设两个凹槽便可稳定的在工件加工过程中施加和改变预应力，对胚料形状没有特殊要求适用范围广。

具体地涉及到开槽方式上如图7中所示的槽宽为d。如背景技术中所述在对轴类零件的预应力加工中一般对工件施加轴向的拉应力。为保证能够有效的施加拉应力，开槽到端面设计一定距离，距离为d。在装夹工件时为了保证工件稳定所以优选的d的距离大于d。所以本领域技术人员应当理解的是，工件两端均需要开槽，两个开槽也同样都需要预留出一个d的距离；所以最终会有不小于四倍d长度的原材料会被步骤5)去除掉，中间部分才是加工设计零件的部分，所以取原材料时长度不小于设计零件总长度加四倍开槽宽度。

优选的凹槽为图7中所示的在原材料周向的环形槽便于凹槽的加工，同样的也可以采用多个与夹具相适应的凹槽的形式。

在对工件施加预应力的大小选择时，对工件施加的预应力由整个工件上横截面最小的部分的面积成正比，在对工件的加工中本发明所适配的切削磨削加工均为去料加工，整个工件的最小截面积会随着加工的进行不断变化，为了保证工件的安全性需要对预应力大小不断调整，同时需要保证预应力大小不得大于最小界面的屈服极限。

如前文所述，在加工进行过程中，我们能够对工件施加的最大预应力大小是个不断变小的过程，为了保证所有的面的加工中都能够达到设计的预应力大小加过过程应当由粗到细进行，保证正在加工的部分横截面面积为整个工件除开槽部分的最小截面积。具体解释就是在首先加工整个轴类零件设计中最粗的部分，之后依次变细，最后加工设计中最细的部分。如果首先加工好了最细的部分，会将能够对工件施加的最大预应力降到一个较小的值；在对较粗的部分进行加工时可能会出现预应力不足的情况。

本发明另一方面提供了一种轴类零件预应力加工装置，如图1至7所示的，包括可在床身3上滑动的尾座2，所述床身3上设置有驱动机构4用于对所述尾座2施加预应力，所述尾座2上可旋转的安装有卡盘1，所述卡盘1上的卡爪5末端向卡盘1中心突出成钩爪，所述钩爪与工件上的凹槽相互配合对工件施加预应力。原有的卡盘1卡爪5用于夹持工件的一面为平面或者弧面用于贴合工件轮廓，这种卡盘1仅能够带动工件旋转不能对工件施加轴向的应力。在本发明中，为了能够对工件施加较大的轴向应力，在卡爪5的末端向卡盘1中心位置设置一个突出的钩爪如图4中所示的，钩爪能够与工件上的凹槽相互配合对工件施加轴向应力。同时在床身3上设置有驱动机构4能够驱动尾座2运动，在尾座2上设置卡盘1，从而通过驱动机构4对尾座2施加应力便可对工件施加预应力。

在具体的对于尾座2的设计中，在所述尾座2上设置梯形导轨通过与床身3上开设的燕尾槽相互配合实现尾座2在床身3上的滑动。所述燕尾槽的方向与所述卡盘1的中心线平行，便于对工件施加轴向应力。

所述卡盘1与阶梯轴相互固定，所述阶梯轴通过推力轴承安装在所述尾座2上。因为卡盘1要对工件施加拉伸应力，所以在卡盘1的安装中，采用阶梯轴固定安装卡盘1，再将阶梯轴安装到尾座2上，通过阶梯轴的轴肩定位推力轴承，同时承载轴向应力。

为了便于监测工件受力大小，所述尾座2上设置有金属应变片，通过尾座2的应力变化计算加工中工件受到的实际预应力。

优选的，所述卡爪5至少为三个，多个所述卡爪5在所述卡盘1上旋转对称布置。进一步优选的卡爪5为三个的三爪卡盘，便于定位安装。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。