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普通車床加工細（xì）長軸的工藝探究（jiū）

2020-5-14 來源：中石化江鑽石油機械有限（xiàn）公司作者：何青青

摘要：在普通長車床上加工細長軸零件時，由於長度和直徑的比值較大，在（zài）軸向和徑向切（qiē）削力的作用下很容易造成細長軸零件（jiàn）彎曲變形與振動，加工（gōng）中對操（cāo）作者的技（jì）術水平要求很高。雖然目前我（wǒ）公司在加工細長軸方麵已實現了（le）批量加工的能（néng）力，但是加工精度和生產效率方麵暫且滿足不了實際需求，因此解決普通車床上加工細長軸（zhóu）外圓（yuán）的難（nán）題就顯得尤為（wéi）重要。通過（guò）分析細長軸加工過程（chéng）中產生變（biàn）形的原因，合理調整裝夾方式和加工參數，設計新工裝，優化加工方法來提高加工效率，並且保證較高的加工質量，為細長軸零件的大批量生產提供技術支持。

關鍵詞：細長軸；車削（xuē）工藝；變形原因；加（jiā）工方法

1、概述

在機械加工中，長度與直徑之比大於 25（L/d>25）的軸稱為細長軸。這（zhè）類零件在卡爪夾持（chí）力、切削（xuē）力、重力和頂尖（jiān）軸向力的作（zuò）用下，加工過程（chéng）中很容易產生外圓（yuán）表麵粗（cū）糙度低和彎曲的問題。因此，解決細長軸的加工精度和加工效（xiào）率的（de）問題，就是控製加工過程（chéng）中零件的受力及受熱變（biàn）形的問題。

2、細長軸車削的工藝特性（xìng）

2.1 工件剛性很差，若卡爪、中心架（jià）和頂尖三個部位裝夾不合（hé）適，受自（zì）由度的限製（zhì），易（yì）在軸向切削力、徑（jìng）向切削力及重力的（de）作用下彎曲變形，從（cóng）而產生（shēng）細長軸的振動，直接影響加工精度和加（jiā）工效率。

2.2 工件散熱性（xìng）能差，加工中產（chǎn）生較大（dà）的切削熱而彎曲變形。

2.3 工件加工中通常經曆粗車、半精車（chē）和精車的過程，單次切削時間（jiān）長，刀具、工（gōng）件冷卻不及時、工件切削餘量不（bú）均（jun1）對刀具損耗大，易產生竹（zhú）節狀（zhuàng）的幾（jǐ）何形狀。

2.4 工件加工（gōng）過程中，中心架子支撐外圓的圓周跳動量和表麵精度（dù）低，直接影響中心架的裝夾。

2.5 工件加工（gōng）過程（chéng）前，由於中（zhōng）心架兩個下支承滾輪的支撐力和一個上壓緊輪壓力調整不當，也會影響加工精度。

3 、細長（zhǎng）軸加工中彎曲變（biàn）形的原因

通常，裝夾細長軸零件原材料（liào）的方式有兩種，一種（zhǒng）是“一夾一頂”的方式；另一種是兩頂尖（jiān）支撐（chēng）的方（fāng）式（shì）。我們根據設備特性，主要分析“一夾一頂”的裝夾方式。如圖 1 所示。

3.1 切削力導致的變形

外圓加（jiā）工過程（chéng）中，切削力（lì）可以分解為軸向力 PX、徑向力 PY及切向力 PZ。三（sān）種（zhǒng）切削力對工件產生彎曲變形的影響是不同的。

3.1.1 軸向削力 PX的影響

軸（zhóu）向（xiàng）切削力平行作用在軸線方向（xiàng）上（shàng）。由於細長軸的（de）剛性較差，軸向切削力 PX作用在工件外（wài）圓麵上，會以頂尖為（wéi）支（zhī）點對工件形成一個扭（niǔ）矩。當軸向（xiàng）切削力超過工件屈服強度（dù）時，便產生

縱向彎曲（qǔ）變形。如圖 1 所示。

圖 1 軸向切削力 PX受力示（shì）意圖

3.1.2 徑向力 PY的影響

徑向切削力 PY是（shì）垂直作用工件軸（zhóu）向（xiàng）方向上。由於細長軸的剛性較差，徑向會以卡爪和頂尖為支點（diǎn）將工件頂彎。同樣，當徑向切削力超過（guò）工件屈服強度（dù）時，亦會生彎曲變（biàn）形。如（rú）圖產 2 所示。

圖 2 徑向（xiàng）切削力 PY受力示意圖

3.2 切削熱產生的影響

由於（yú）加工（gōng）過程中，卡盤（pán）和頂尖都是固定不動的，因此兩者之間的（de）距離也是固定不變的。切削中產生的切削熱會造成（chéng）工件熱伸長，工件受到 X 向自由度的限（xiàn）製產（chǎn）生軸向（xiàng）擠（jǐ）壓，從而產生彎曲變形。

4、解決細長軸加工受力和熱變形的措施

4.1 優化工件裝夾方法減少過定位受力

我單位在加工細長軸前，通常采用“一夾一頂”的裝夾方式。主軸卡爪（zhǎo）一般用（yòng） 2~3 個牙齒長度夾緊工件（jiàn）一端，，另一端使用頂尖固定（dìng）預先加工好的頂尖孔，以確保工件能在同一軸線上自由（yóu）旋轉。若卡爪裝夾工件過長產生過定位、加工（gōng）前頂尖對（duì）頂尖孔的預緊力過大，車削時工件受熱伸長，以及機床長時間使用，造成主軸端軸心與頂尖軸心產生不同軸，均會導致細長軸受到過定位和軸向擠壓力的作（zuò）用彎曲變形。為解決此問（wèn）題，我們在（zài）采用“一（yī）夾一頂”裝夾方式時，在卡爪端與細長軸（zhóu）之間墊入一個開口鋼絲圈（quān），減少卡爪與工件接（jiē）觸長度，消除安裝時的過（guò）定位。如（rú）圖 3 所示。

圖 3 一夾一頂裝夾的改進

4.2 優化工件車削剛性穩定切削（xuē）力

在加工細（xì）長軸外圓時，可使用中心架輔助支撐來增（zēng）加工件剛性。一般加工細長軸（zhóu）使用中（zhōng）心（xīn）架的方（fāng）法有：

4.2.1 用中心架支承車（chē）細長軸（zhóu）

為增（zēng）加工件車削時的剛性就需要降（jiàng）低細長（zhǎng）軸長徑比，通常將中心架支承在工件（jiàn）中段，對細長軸外圓進行分段車削。在使（shǐ）用中心架之前，必（bì）須在工件中間車出（chū）一段（duàn） 40~70mm 長，用於中心架頂頭體支承的“架子口”。加工出（chū）的架子口表（biǎo）麵粗糙度及圓柱度需要以打（dǎ）表的方式控製在 0.04mm 以（yǐ）內；其次，車削時，中心架的頂頭體滾輪或支承爪與工件架子口的接觸麵需（xū）加潤滑油保持潤滑。特別是支承爪的支承方式時，可以（yǐ）在支承爪與工件架子口之間（jiān）加一層砂布或研磨劑進行研磨抱（bào）合，確保良（liáng）好的接觸，以滿足細長軸外（wài）圓（yuán）的加工精度。如圖 4 所示。

圖 4 中心架支撐（chēng）工件

4.2.2 用定心套（tào）筒支承車細長軸

實際（jì）加工中，我（wǒ）們還會受到原材料直線度的影響（xiǎng），工件兩側切削量不同（tóng），會造成架（jià）子口尺寸（cùn）和產（chǎn）品尺寸難以取舍。為了解決這個問題（tí），我們設計製作定心套筒（tǒng）工裝（zhuāng）輔（fǔ）助加工。定心套筒工（gōng）裝的設計思路是：a.在工件中（zhōng）段以“虛擬四爪卡（kǎ）盤”的方（fāng）式減少工件長徑比，降低車削架子（zǐ）口的繁瑣性；b.加工一套外圓精度較（jiào）高、熱處理硬度適中、壁厚能強度要（yào）求的空心殼體；c.殼體長200~250mm，殼體內徑較工件外徑大 30mm 左右，外（wài）徑不得大於中心架使用範圍；d. 在定心套筒工裝兩端距離端麵 30mm 左右處（chù），等分安裝四個 M16 的螺栓。

使（shǐ）用步驟是：a.吊裝工件前將定心套筒放（fàng）置於工件中部，同時將八（bā）隻螺（luó）栓預緊於工件，確保定心套筒與工件的間隙大體一致；b.使用“一夾一頂”的方式裝夾工件；c.用吸附於小刀架上的磁力百分表，分別在定心套（tào）筒兩端進行徑向和軸向打表，調整並擰緊螺栓，確（què）保徑向和軸向誤差≤0.05mm；d.移動中（zhōng）心架至定子套筒中間部（bù）位，調整上（shàng）下頂頭（tóu）體讓滾輪與定心套筒外圓緊密接觸，隨即（jí）可實施車削加工。

4.2.3 用跟刀架支承車（chē）細（xì）長軸

跟刀架是一種固定在床鞍上，可以跟隨（suí）車（chē）刀移動，支承工件重力、抵消（xiāo）徑向切削（xuē）力 PY、增加工件的剛度的機床附帶工裝，通常有兩爪和三爪兩種。從（cóng）而提高細長（zhǎng）軸的形狀（zhuàng）精度和表（biǎo）麵粗糙度。使（shǐ）用兩爪跟刀架時，工件自（zì）身重力（lì）以及車刀給工件的切削抗力 PY，使工件貼住跟刀架的兩個（gè）支承爪（zhǎo）上，這類跟刀（dāo）架的弊端是半閉合支撐。工件（jiàn）在旋轉切削時可能因原（yuán）材料硬（yìng）度不（bú）均，切削抗（kàng）力的變化導致工件（jiàn）瞬時離開支承爪（zhǎo）而產生跳動；使用三爪跟刀架時,工件受到三個支承塊的限製和切削（xuē）抗力的作用，工件在 Y、Z 向自由度受限，車（chē）削（xuē）時不易產生振動（dòng）。因此，選用三爪跟刀架車細長軸至關重要。如圖 5 所示。

圖 5 跟刀（dāo）架使用示意圖（tú）

4.3 減少工件的熱變形伸長

熱伸長量公式如下：△L=a L△t （1）式（1）中：a———材料線膨（péng）脹係數（1/℃）；L———工件的總長（mm）；△t- 工件升高的溫度（dù）（℃）。

例：車削直徑（jìng）為 120mm，長度為 5000mm 的馬達轉子，材料為 45# 鋼，車削時因受切削熱的影響，工件由原來的 15℃上升到 55℃，求（qiú）這（zhè）根細長軸的熱變形伸長量？

從式（2）計算可知，我公司這（zhè）類產品所屬的細長軸熱變形伸長量較大。同時，裝夾中工件受到卡爪（zhǎo）和頂尖的限（xiàn）位（wèi），工件無法自由伸（shēn）長，因而產（chǎn）生（shēng）彎（wān）曲。為此，我們采取以下措（cuò）施：

（1）使用彈性回轉（zhuǎn）頂尖，可（kě）有效減少工（gōng）件熱變形伸長。

（2）加注（zhù）充分的切削液，減少工件的溫升（shēng）而引起熱變形。

（3）刀具保（bǎo）持鋒利，降低車刀與工件的摩擦熱。

5、細長軸（zhóu）加工中常出（chū）現的問題和解決辦法

5.1 用中心架輔（fǔ）助（zhù）分段加工細（xì）長軸，經常出現工件外圓銜接不好的（de）問題如何解決？

細長軸分（fèn）段車削過程中，需（xū）每加工 100mm 長度即對外圓直徑實施（shī）測量，隨時調整中心架頂頭體緊固程度，始終保證工件軸線與主軸軸線同軸，要求（qiú）細長軸外圓尺（chǐ）寸控製在±0.02mm 以內。中心架一端外圓完成車（chē）削後將工件卸下（xià），調頭重（chóng）新裝夾車另一端或移動定（dìng）心套筒工裝至已加工麵重新找正繼續車削。由於細長軸分段車削（xuē）是在兩（liǎng）次裝夾中完成的，常因操作（zuò）不當（dāng）造（zào）成外（wài）圓銜接處過渡部（bù）圓滑（huá）。因此，應注意以下事項：先調整（zhěng）中心架（jià）下（xià）方兩個頂頭體，使其與工件外圓接（jiē）觸。調節支撐力度過大不但會頂彎工件，還會使頂頭體支承爪和工件之間摩擦增大，導致工件（jiàn）摩擦熱過大從而變形；調節支撐力度過小，中心架無法發揮作用，工件在車削時會產生跳動。直接的判斷方式分兩種：一種是低速轉速打表找正，一種是中速旋轉進刀預刮削（xuē）工件一圈，觀（guān）察工件表麵刀痕均（jun1）勻性。調整好中心架兩個（gè）支撐（chēng）頂頭（tóu）體後，扣上蓋並（bìng）調整壓緊端頂頭體，判斷其力度的方式與兩個支撐（chēng）頂頭體相同。

細長軸車（chē）削（xuē）過程中，需隨時觀察頂頭體與工（gōng）件的（de）接觸（chù）和磨損情況並及時調整，同時時刻在接觸麵添加潤滑油或油（yóu）基潤滑液降低磨損。

5.2 用跟刀架輔助車削細長軸時，外圓表麵產生的“竹節形”如何解決？所謂“竹節（jiē）形”是車削的外圓尺寸忽大忽小，不均勻。用（yòng）跟刀架輔助車削細（xì）長軸（zhóu），分析“竹（zhú）節形”形成的原因：反向（xiàng）切削過程中，跟刀架支（zhī）撐爪調（diào）整（zhěng）的預緊力過大（dà），此時車削點靠（kào）近（jìn）工（gōng）件尾端且工件剛性好、工（gōng）件受到頂尖的約束（shù），可按（àn）初定的進刀量（liàng）正常車削出所需的（de）外徑。車（chē）削一段長度後工件剛度逐漸下降，跟刀架支撐爪也逐步釋放壓緊力，將工件壓向車刀，造成吃刀量增大，導致軸外徑縮小；隨後，當跟刀架支撐爪跟到尺寸縮小的軸外徑時，支（zhī）撐爪向（xiàng）外（wài）壓向工件的力度降低，車削（xuē）抗力將工件壓向支撐爪，造成吃刀（dāo）量（liàng）減小，導致軸外徑增大（dà）。隨後這樣有規律的變（biàn）形，直接造成軸外（wài）圓表麵加工成（chéng）了“竹節形”。具體（tǐ）解決方法有：

調整跟刀架卡（kǎ）爪與工作接觸壓力，直至正常用力無法擰動調節（jiē）旋鈕。調整單刀切（qiē）削量在 1.5mm 以內（nèi）和進給速度，降低工件切削抗力。使用彈性頂尖，減少工件變形產生的彎曲形變（biàn）。

6 、結論

由於細長（zhǎng）軸自（zì）身（shēn）剛性差（chà），外（wài）圓車（chē）削時候的受力和受熱對加工質量和（hé）效率產生很大影響。所以，熟悉產品的正確裝夾和優化加工方法（fǎ），可保證細（xì）長軸（zhóu）的加工質量。

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