一种防颤振的车床工装的制作方法

本发明属于精密磨削，具体是涉及一种防颤振的车床工装。

背景技术：

1、gh696等镍基高温合金因其优异的高温性能，广泛应用于航空发动机压气机可转静叶片等热端部件。该类零件对转轴配合精度（通常要求h6级）、圆柱度（≤5μm）及表面粗糙度（ra≤0.6μm）要求极高，但材料切削加工性差，存在切削力大、切削温度高、刀具磨损快等问题。

2、传统加工中，可转静叶片1的叶柄2的精密加工多采用磨削工艺。如图1，然而，磨削工艺存在加工周期长（单件2~3小时）、砂轮损耗快、成本高、易产生磨削烧伤等缺陷，难以适应批量生产需求。近年来，“以车代磨”工艺因效率高、成本低等优势逐步受到关注，但对工艺系统的刚性及稳定性提出了更高要求。

3、在车削加工中，可转静叶片受力时会呈“柔性轴”特性，如径向切削力易导致弯曲变形，切向切削力易引发扭转变形。更为关键的是，由于可转静叶片工件细长、刚度不足，在高速切削条件下极易发生颤振。颤振是指切削过程中刀具与工件之间产生的自激振动，不仅会导致加工表面出现振纹、粗糙度恶化（无法达到ra≤0.6μm），还会加速刀具磨损、降低尺寸精度，甚至迫使加工中断。因此，抑制颤振是实现“以车代磨”工艺的核心难题之一。

4、为定位工件，现有车削加工中通常采用“一夹一顶”或“双顶尖”的装夹方式。然而，上述装夹方式在抑制颤振方面存在明显不足：

5、（一）“一夹一顶”方式的不足

6、 “一夹一顶”方式中，卡盘直接夹持可转静叶片的小端3，尾座顶尖顶紧另一侧的大端4。该方式存在以下问题：其一，卡盘及爪子的厚度导致工装悬空跨度较大（约200mm），大幅降低了工艺系统的固有频率，使其落入切削激励的振动区间，极易诱发颤振；其二，卡盘夹持力会产生较大的径向夹紧力，易导致薄壁或细长结构的工件发生装夹变形，卸荷后工件圆度超差；其三，卡盘与工装之间存在重复定位误差，影响加工一致性；其四，夹持力无法随加工过程中的热伸长自动调整，易造成工件顶弯或尺寸不稳定。

7、（二）“双顶尖”方式的不足

8、 “双顶尖”方式仅靠两端顶尖孔定位，无辅助支撑。虽然避免了卡盘夹持变形，但由于工件全长均为自由悬空状态，系统刚度严重不足。在高速切削时，工件极易在切削力激励下产生弯曲振动和扭转振动，形成持续颤振。如图2中红色虚线表示工件采用双顶尖方式下产生弯曲变形。此外，传统顶尖多为刚性顶紧，缺乏轴向浮动补偿能力，不仅无法抑制振动，反而可能因刚性顶紧加剧工艺系统的不稳定性。

9、综上所述，现有“一夹一顶”及“双顶尖”装夹方式在工艺系统刚度、固有频率及振动抑制方面存在明显缺陷，无法有效抑制颤振，难以满足镍基高温合金可转静叶片等精密零件“以车代磨”工艺对加工稳定性及表面质量的要求。因此，亟需设计一种能够重构工艺系统刚度链、提升固有频率以避开振动区间、并具备主动抑制颤振能力的防颤振车床工装。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种防颤振的车床工装，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种防颤振的车床工装，包括安装套筒、支撑组件和固定组件，其中：

3、安装套筒为一侧开口的中空结构，其底部固定于车床主轴并与之同轴线设置；

4、支撑组件包括第一支撑件和第二支撑件，第一支撑件设于安装套筒内侧底部中心，第二支撑件沿安装套筒轴线圆周方向布置；

5、固定组件包括若干压块，沿垂直于主轴轴线方向安装于安装套筒，并绕轴线间隔布置，其位于轴线侧的块体围合成工件夹紧端；

6、工件安装于安装套筒内腔，其一端与第一支撑件连接，位于套筒内的工件本体由第二支撑件抵止支撑，工件待加工端伸出套筒外侧并由车床尾座的顶尖抵止；工件经夹紧端夹紧后，在第一支撑件和第二支撑件作用下与车床主轴同轴线设置。

7、作为优选，安装套筒包括圆盘底座和套筒，套筒为两侧开口的中空结构，圆盘底座固定安装于套筒的一侧开口，其座体上开设有若干安装孔，圆盘底座通过安装孔内安装连接螺栓可拆卸的安装于车床主轴；圆盘底座、套筒和车床主轴同轴线设置。

8、作为优选，第一支撑件为小端顶尖，圆盘底座位于座体中心位置设有连接孔，小端顶尖朝向圆盘底座的本体开设有螺纹孔，小端顶尖通过连接螺栓贯穿连接孔并与螺纹孔螺纹连接而固定安装于圆盘底座的中心处；小端顶尖抵止于工件的顶尖孔。

9、作为优选，压块的数量为两个，两个压块对顶式安装于套筒远离圆盘底座一侧的开口，套筒的开口侧位于压块的位置开设有螺栓孔，压块与螺栓孔相对应位置开设有安装孔，压块通过螺栓贯穿安装孔并与螺栓孔螺纹连接而固定安装于套筒，压块位于轴线侧的块体设有v形压紧槽，两个压块的压紧槽围合成形状与工件形状相适配的工件夹紧端。

10、作为优选，压块的安装孔为条形调节孔，压块通过螺栓安装于安装孔不同位置，以调整工件夹紧端的压紧轴径尺寸。

11、作为优选，套筒由轻质材料pom制成；压块由钢制材料制成；圆盘底座和小端顶尖采用40cr合金钢，经调质处理及去应力退火制成。

12、作为优选，第二支撑件为抵撑螺钉，抵撑螺钉螺纹连接于安装套筒的筒壁，其数量为若干，抵撑螺钉的内端抵止于工件外周面。

13、作为优选，若干抵撑螺钉两两一组，各组沿工件外周面呈对称分布。

14、作为优选，安装套筒的侧壁设有贯穿侧壁的开口，该开口兼作装夹观察口和切削液、切屑的排出口。

15、作为优选，车床尾座为伺服尾座，其前端设有浮动顶尖；伺服尾座具有恒定顶紧力，浮动顶尖可沿轴向弹性浮动，用于补偿工件热伸长。

16、有益效果：1、本发明的防颤振的车床工装，能显著降低车削时工件弯曲变形量，通过将工件主体容纳于安装套筒内，并设置周边多点支撑，能大幅缩短受扭与悬空跨度，使工件有效悬空跨度从194mm大幅缩减至代加工叶柄尺寸，约10-15mm。根据材料力学，工件的弯曲变形量与跨度成正比，因此理论上本发明的防颤振的车床工装可使工件弯曲变形降低1-2个数量级，有效抑制切削力主导的工件弯曲变形。

17、2、在前述的基础上，本发明的防颤振的车床工装，能抑制扭转变形与同轴度误差，前述的将工件大部分长度容纳于安装套筒内，使得叶柄切削点产生的扭矩无需经过细长的悬空段即可被安装套筒直接承受，大幅缩短了扭矩传递路径。有效抑制工件在切向力作用下的扭转变形，避免工件因扭转导致的螺旋状加工痕迹。另一方面，在工件叶柄处采用两个相对顶的压块进行对顶夹紧，而非传统的单侧卡盘夹持。该方式消除了卡盘夹持带来的偏心弯矩，同时在叶柄处建立了稳定的力偶平衡系统，可有效抵消切向切削力产生的旋转力矩，系统性抑制了周向滞后误差，从而保证了工件全长范围内的同轴度要求。

18、3、在前述的基础上，本发明的防颤振的车床工装，实现“刚柔并济”的无应力定位。本发明采用“安装套筒直接安装在车床主轴 ，配合车床伺服尾座恒压顶紧”方案，一方面将安装套筒的圆盘底座直接固定在车床主轴上，消除了传统卡盘夹持带来的重复定位误差，并将悬空跨度减少约200mm；另一方面，车床伺服尾座提供恒定的且可轴向浮动的顶紧力。这一“刚柔并济”的设计既保证可靠的轴向定位，又能自动补偿工件在加工过程中的热伸长，防止工件被顶弯。

19、4、本发明的防颤振的车床工装能从根源上有效抑制切削颤振。本发明采用钢-塑复合结构，套筒选用pom工程塑料，压块采用钢制材料制成。经过测算，能使工装总重从传统钢制工装的约18kg降至3.6kg，减重80%。本发明的轻量化设计大幅提升了工艺系统的固有频率，使其远离车削加工中的切削激励频率区间，从而从根源上破坏了颤振发生的条件，有效抑制了再生颤振，保证了加工表面的完整性。

20、5.在前述的基础上，本发明的防颤振的车床工装能保证长期高精度与高稳定性，关键受力及定位部件，圆盘底座和小端顶尖选用40cr合金钢，并经过调质处理及去应力退火，有效消除了加工应力和热处理应力，保证了工装在外力作用下的尺寸稳定性和耐磨性。抵撑螺钉与压块的安装孔的条形调节孔设计，允许根据工件毛坯的实际外径误差进行灵活调整，避免了对工件的强制夹持变形，进一步保证了批量加工的一致性。

21、6. 本发明的防颤振的车床工装能显著提升加工效率，具有广泛适用性，上述综合效果使得稳定的“以车代磨”工艺得以实现，单件可转静叶片的叶柄的加工周期从传统磨削的2-3小时缩短至约20分钟，效率提升6-9倍。同时降低了刀具和砂轮损耗成本。本发明的车床工装的设计原理不仅适用于车床，也可推广至高精度磨床、铣床等旋转类加工设备，用于解决各类细长轴、弱刚性零件的加工难题。