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數控車床加工細長軸研究

2022-7-1 來源：南京工業大學工程訓練中心作者：趙錦偉

摘（zhāi）要：在大型機器的傳動結構和零部件中，細（xì）長軸的應用較為廣泛。因其有著剛性差、加工時受重力、切削力、切削熱等影響特性，致使此類零件的加工（gōng）較難。文章通過分析在數控車床上加工細長軸容易出現（xiàn）的變（biàn）形、精度、表麵粗糙度等問題，提出采（cǎi）用合適的（de）裝夾方式和加工方法等措施，來進一步保證細（xì）長軸的加工質量和加工效率。

關鍵詞：細長軸；加工（gōng）；剛性；表麵粗糙度（dù）

1. 加（jiā）工細長軸產生誤差的原因

1.1 對細長（zhǎng）軸的（de）分析

根據定義，長度與（yǔ）直徑之（zhī）比大於 25（即 L/D>25）的軸稱之為細長軸，它是車削加工中的（de）一個難點，單件或者小批量的生產可以（yǐ）在數（shù）控車床上完（wán）成。過去（qù）整個加工過程都（dōu）是單純的利用高速鋼車刀在低速狀態下車削，由（yóu）於細長軸的剛性較差，刀具切削時產生的徑向力較大，工件會發熱並產生震（zhèn）動（dòng），當這些（xiē）因素累積起來時，細（xì）長軸便會發生彎曲現象，嚴重（chóng）時甚至斷裂，無法（fǎ）達（dá）到加工的要求，顯然這（zhè）種低效方法需要改（gǎi）進（jìn）。為了避免加工時長軸發生彎曲變（biàn）形，在結合使用硬質合金車刀的同時，需對整個加工過程進行詳細分析，比如夾具、機床輔具、工藝安排、刀具參數和切削用量、切削方法等方麵（miàn）采取改進措施，來提高（gāo）長軸的質量。

1.2 力變形與熱變形引起的誤差

內應力又（yòu）稱為殘餘應力，即在沒有外（wài）力的（de）作（zuò）用下或將外力去（qù）除後工件內部仍殘（cán）留（liú）下來的應力。工件內部留有殘餘應力，材料隻會（huì）暫（zàn）時處於一（yī）種穩定的狀（zhuàng）態。隨（suí）著時間的延長，殘餘應力（lì）會逐漸消失，工件也會恢（huī）複到沒有應（yīng）力的狀（zhuàng）態，最終在（zài）零件上產生誤差，無法滿足零件的加工（gōng）要求。

細長軸毛（máo）坯被夾在卡盤上後，由於自身（shēn）受重力作用，末端便會呈微下垂狀態。剛性較弱的細長軸受多種力的作用時（shí），很容易造成彎曲變形，甚至會發生斷裂。若零件剛開始加（jiā）工就發生變形，必會影響後（hòu）續的車（chē）削。不僅無法（fǎ）順利完成任務，且在一定程度上對資源會造成浪費。總之，減少長（zhǎng）軸的受力，對整個加工起著至關重要的作（zuò）用。

一（yī）般（bān）情況（kuàng）下加工時受熱程度是均勻的（de），長軸（zhóu）的（de）溫度會慢慢上升（shēng），直徑逐漸變大，這些由於發熱導致直徑變大的一小部分零件在車削中會被刀具切除。加工完待工件冷卻後，零（líng）件的直徑尺寸、圓柱度等便會產生誤差。例如，如果是用兩（liǎng）頂尖裝夾，細長軸（zhóu）內部的熱量會使（shǐ）其（qí）有微小的（de）伸長（zhǎng），即產生輕微的（de）彎（wān）曲變形，直接導致圓柱度誤差（chà）。

2. 提高細長軸加工質量的措施

2.1 合適的裝夾方法

粗加工（gōng）一般采用一夾一頂的方法（fǎ）。當頂尖頂得太緊時，細（xì）長軸在（zài）車削中（zhōng）因受熱而無法（fǎ）伸長，最終發生彎曲變（biàn）形。所以條件允許時，可采用彈（dàn）性頂尖。這樣，麵對零件的伸長，彈性頂尖可以在軸線方向上進行伸（shēn）縮，把工件的彎曲程度降到最低。

精加工一般采（cǎi）用兩頂尖裝夾。此方法能夠更加準確的對長（zhǎng）軸進行定位，保證同軸度。但（dàn）由於零件剛性差容易變形震動的原因，此方法隻適用於裝夾長度與直徑之比、精車餘量較小及同軸（zhóu）度要求較高的零件，而且加工時需加注充足的冷卻液來帶走切削熱。

2.2 合理的車削（xuē）方法

為（wéi）了降低零件因受（shòu）力、受熱等造成的影響，可使用跟刀架和中心架等輔具。也就是在細長軸表麵增加一部分支撐（chēng）來有效地降低徑向力帶來（lái）的變形（xíng）。此外，還能有效地提（tí）高零件剛（gāng）性，使其更加定。但是，該方法需保證支承麵與工件（jiàn）表麵要完全吻合或支承麵對細長軸的壓力要適當，達到輔（fǔ）助工（gōng）具正麵作用的效果。正常情（qíng）況下刀具的走刀方向是正向，即從尾（wěi）座向卡盤方向的進給（gěi）。必要時可以將車刀采用反方向進給，即車（chē）刀沿卡盤向尾（wěi）座（zuò）方向車削。這樣可以使切削過程中產生的軸向分力指向尾座中的（de）彈性頂尖，有效補（bǔ）償零件的（de）伸長變形。

對於細長軸的精車過程即使采用高轉速，表麵粗糙度也不（bú）一定能達到要求（qiú）。而白鋼刀因具有韌性好、耐衝擊（jī）的特性，為了提高（gāo）表麵粗糙度，可以結合著使用一把刀刃寬度（dù）為（wéi）3mm 左右的手磨白鋼刀，精車時利（lì）用白鋼刀采用低轉速、低背吃刀量一刀成（chéng）形，並添加適量（liàng）的液壓潤滑油，保證尺寸精度和表麵粗糙度。

2.3 刀具角度（dù）及切削三要素的選擇

選用合理的刀（dāo）具幾何參數，主要為了減少直徑方向上的切削力。刀具的前角即前刀麵與基麵的夾角，前角較大的鋒利刀刃（rèn），其強度必然較弱。因此，在保證刀具切削部分強度合適的前提下，可以盡量增大（dà）刀具的前角來減小徑向（xiàng）力，建（jiàn）議合理的前角範圍為（wéi） 15°~25°。主偏角定義為在基麵內主切（qiē）削刃與刀具進給運動方向的夾角（jiǎo），當車刀主偏角減小時，主切削刃車削過渡表麵的深度會增加，這樣既降低（dī）了切削刃的承載負荷，也（yě）增大了刀具的散（sàn）熱麵積，提高了刀具的壽命。

但唯一（yī）不足的是刀具切削深度的增加容易使剛性較弱（ruò）的細長軸產生微弱的震動和變形（xíng）。結（jié）合實際情況，推薦主偏（piān）角合適的範圍為 75°~85°。刃傾角即主切削刃與基麵的夾角，刃傾角的大小可正、可負，也可為零，但它的主要作（zuò）用是用來控製切屑排出的方向。為了使切屑能（néng）夠流向（xiàng）待加工表麵，建議刃傾角的選擇（zé）範圍為：3°~6°。以上 3 種角度的選取，可以提前用砂輪將硬（yìng）質合金刀具的各（gè）個（gè）角度（dù）磨削到位。同時，對於整個加工（gōng）過程，需要分別磨削（xuē）粗（cū）車刀具和精車刀具進行分（fèn）步車（chē）削，提高整個切削加工效率。

通常，用刀具切削點處的線速度來描（miáo）述切削速（sù）度對加工（gōng）零件的影響。回轉零件轉速越高（gāo），長軸產生的切削（xuē）熱越多，離（lí）心率越大；而進給（gěi）量的選擇對細長軸（zhóu）的表麵起著決定性作用，使用較（jiào）大的進給量，刀具後刀麵的（de）磨損相對較大；且增大背吃刀量，切削力（lì）也會以同樣（yàng）的比例（lì）增加，故細長軸的（de）精加工一般（bān）采用較低的切削速度、較小的進（jìn）給量和背吃刀量多方麵地（dì）提高長軸質（zhì）量。

3. 保證長軸表麵粗糙度

在保證切削過程穩定妥當的同時，也要考慮到（dào）對長軸表麵的（de）保（bǎo）護。比如工時較短的情況下加（jiā）工單（dān）個（gè）長軸（zhóu），采用一夾一頂的裝（zhuāng）夾方式。但是在卡盤裝（zhuāng）夾已加（jiā）工表麵時，如果卡爪（zhǎo）直接擠壓零件表麵夾緊，長軸表麵必然會被夾出印跡。為此，可以在已加工表（biǎo）麵套上（shàng）一層厚度為（wéi）1mm左右的銅（tóng）皮保護圈，使卡爪直接與銅皮圈發生擠壓（yā）變形來夾（jiá）緊外圓，保證長軸的表麵粗糙度（dù）。

如果是成批生產（chǎn）且同軸度有要（yào）求的（de）階梯長軸，在（zài）裝夾次數較多的情況下，銅皮保護圈會發（fā）生破（pò）裂變形，所以此方法便（biàn）稍有缺陷。可以提前加工好一個專用的（de）材質為 45 鋼的薄壁保護圈，厚度為 2.5mm 左右，將其套在已加工麵上，這樣可以保護成批生產的長軸（zhóu）表麵。最好（hǎo）能用（yòng）四爪（zhǎo）單動卡盤，通過使用百分表來分別對 4 個（gè）卡爪處的外圓進行找正，從（cóng）而（ér）保證長軸的定心精（jīng）度。

4. 結語

細長軸類零件的車削（xuē）一直是車工操作內容中很重要的一部分，因其細而長的結構特點，導致此類零件的加工變得較為困難。但通過使（shǐ）用中心架和跟刀架（jià）、采用反向的（de）走刀方式、選取合適的刀具幾何參數和切削參數、切削方法等改進措施，避（bì）免（miǎn）了（le）細長（zhǎng）軸震動、彎曲等現象的發生，使（shǐ）整個（gè）加工過程簡單化，最終提高了長軸的加工效率。

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