普通（tōng）車床加工細長軸的工藝探究
2020-5-14 來源： 中石化江鑽石油機械有限公司（sī） 作者（zhě）：何青青
摘要（yào）：在普通長車床上加工細長軸（zhóu）零件時，由於長度和直徑的比值較大，在軸向（xiàng）和（hé）徑向切削（xuē）力（lì）的作用下很（hěn）容易造成細長軸零件彎曲變形與振動，加工中對操作者的技術水平要求很高。雖然目前我公司在加工細長（zhǎng）軸方麵已實（shí）現了批量（liàng）加工的能力，但是加工精度和生產效率方麵暫（zàn）且滿足不了實際需求，因此（cǐ）解決普通車床上加工細長軸外圓的難（nán）題就顯得尤為（wéi）重要。通過分析細長軸加工過程中產生變（biàn）形（xíng）的原因，合理調整裝夾方式（shì）和加工參（cān）數，設（shè）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（zhǎng）軸零（líng）件的大批量生產提供技術支持（chí）。
關鍵詞：細長軸；車削工藝；變形原因；加工方法
1、 概述
在機械加工中，長度與直徑之比大於 25（L/d>25）的（de）軸稱為細長軸。這類零件在（zài）卡爪夾持（chí）力、切削力、重力和頂尖軸向力的作用（yòng）下，加工過程中很容易產生（shēng）外圓表麵粗糙度低和彎曲（qǔ）的問題。因此，解決細長軸（zhóu）的（de）加工精（jīng）度和加工效率的問題，就（jiù）是控製加工過程中零件的受力及受熱變形的問題。
2、 細長軸車（chē）削的工藝特性
2.1 工件剛性很差，若卡爪、中心架和頂尖三個部位裝（zhuāng）夾不合適，受自由度的限製，易在軸向切削力、徑向切削力及重力的作用（yòng）下彎（wān）曲變形，從而產生細長軸的振動，直接影響加工精度（dù）和（hé）加工（gōng）效（xiào）率。
2.2 工件散熱性能差，加工中產生較大的切削熱而彎曲變形。
2.3 工件加（jiā）工中通常經曆粗車（chē）、半精車和精車的過程，單次切削時間長，刀具、工（gōng）件冷卻不及時、工件切削餘量不均對刀具損（sǔn）耗大，易產生竹（zhú）節狀的幾何形狀。
2.4 工件（jiàn）加工過程中，中心架子支撐外圓的圓周跳動量和表麵精度低，直接影響中心架的裝夾。
2.5 工件加工過程前，由於中心架兩個下（xià）支承滾輪的支撐力和一（yī）個上壓緊輪壓力調整不當，也會（huì）影響加工精（jīng）度（dù）。
3 、細長軸加工中彎曲變形的原因
通常，裝夾細長軸零件原材料的方式有兩種，一種是“一夾一頂”的方式；另一種（zhǒng）是兩（liǎng）頂尖支撐的方式。我們根據設備特性，主要分析“一夾一頂”的裝（zhuāng）夾方式。如圖 1 所示。
3.1 切（qiē）削力導致的變形（xíng）
外圓加工過程中，切削力可以分解為軸向力 PX、徑向力（lì） PY及切向（xiàng）力 PZ。三種切削力對工件產生彎曲變（biàn）形的影響（xiǎng）是不同的。
3.1.1 軸向削力 PX的影響
軸向切削力平（píng）行作用在軸線方（fāng）向上。由於細長軸的剛性較差，軸向切削力 PX作（zuò）用在工件外圓（yuán）麵上，會（huì）以頂尖為支點對工件形成一（yī）個扭（niǔ）矩。當軸（zhóu）向切削力超過工件屈服強度時，便（biàn）產生
縱向彎曲變形。如圖 1 所示。
圖（tú） 1 軸向切削力 PX受力示意圖
3.1.2 徑向（xiàng）力 PY的影響
徑向切削力 PY是垂直作用工件軸向方向上。由於細長軸的（de）剛性（xìng）較差，徑向會以卡爪和（hé）頂尖為支點將工件頂彎（wān）。同（tóng）樣，當徑向切削力超過工件屈服強度時，亦會生彎曲變形。如圖產 2 所示。
圖 2 徑向切削力 PY受力示意圖
3.2 切削熱產生的影響
由於加工過程中，卡盤和（hé）頂尖都是固定不動的，因此兩者（zhě）之間的距離也是固定不（bú）變的。切削中產生的切（qiē）削熱會（huì）造成工件熱伸長，工件受到 X 向（xiàng）自由度的限製產生（shēng）軸向擠（jǐ）壓，從而產（chǎn）生（shēng）彎曲（qǔ）變形。
4、 解決細長軸加工受力和熱（rè）變形的措施
4.1 優化工件裝夾方（fāng）法減少過定位受力
我單位在加工細長軸前，通（tōng）常采用“一夾一頂”的裝夾方式。主軸卡爪一般用 2~3 個（gè）牙齒長度（dù）夾緊工（gōng）件一端，，另一（yī）端使用頂尖固定預先加工好的頂尖孔，以確保工件能在（zài）同一軸線上自由旋轉。若卡爪裝夾工（gōng）件過長產生過定位、加（jiā）工前頂尖對頂尖孔的預緊力過（guò）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（zhóu）心與頂尖軸心（xīn）產（chǎn）生不同軸，均會導致細長軸受到過定位和（hé）軸向擠壓力的作用彎曲（qǔ）變形。為解決此（cǐ）問題，我們在采用“一（yī）夾一頂”裝夾方式時，在卡爪端與細長軸之間墊入一個開口鋼絲圈，減少卡爪與工件接觸長度，消除安裝時（shí）的過定位。如圖 3 所示。
圖 3 一夾一頂裝夾的改進
4.2 優化（huà）工件車削剛性穩定切削力
在加工細長（zhǎng）軸外圓時，可（kě）使用中心架輔（fǔ）助支撐來增加工件（jiàn）剛性。一（yī）般加工細長軸使用中心架的方法有：
4.2.1 用中心架支承車細長軸
為增加工件車削時的剛性就需要降低細長軸長徑比，通常將中心（xīn）架支承在工件中段，對細長軸外圓進（jìn）行分（fèn）段車削。在使（shǐ）用中心架之前，必須在（zài）工件中間（jiān）車出一段 40~70mm 長，用於中心架頂頭體支承的“架子（zǐ）口”。加（jiā）工出的架子口表麵粗糙度及圓柱度需（xū）要以打表的方式控製在 0.04mm 以內；其次，車削時，中心（xīn）架的頂頭體滾輪（lún）或支承爪與工件（jiàn）架子口的接觸麵需加潤滑（huá）油保持潤滑。特別是支承爪的支承方式時（shí），可以在支承爪與（yǔ）工件架子口之（zhī）間加一層（céng）砂布或研磨劑進行研（yán）磨抱（bào）合，確保良好的接觸，以滿足細長軸外圓的加工精度（dù）。如圖 4 所示。
圖 4 中心架支撐（chēng）工件
4.2.2 用定心套筒（tǒng）支（zhī）承車細長軸
實際加工中，我們還會受到原材料直線度的影響，工件兩側切削量不同，會造成架（jià）子口尺寸和產品尺寸難以取（qǔ）舍。為（wéi）了解（jiě）決這個問題，我們設計製作定心（xīn）套筒工裝（zhuāng）輔助加工。定心套（tào）筒工裝的設計思路是：a.在工件中段以“虛擬四爪卡盤”的方式減少工件長徑比，降低車削架子口的繁瑣（suǒ）性；b.加工一套外圓精度（dù）較高、熱處理硬度（dù）適中、壁厚能強度要求的空心殼體；c.殼（ké）體長200~250mm，殼體內徑較工件外徑（jìng）大 30mm 左右，外徑不得（dé）大於中心架（jià）使用範圍；d. 在定心（xīn）套筒工裝兩端距離端麵 30mm 左右處，等分安裝四個 M16 的螺栓。
使用步驟是：a.吊裝工件前將定心套筒放置於工件中部，同時將八隻螺栓預緊於工件，確保定心套筒與（yǔ）工件的間（jiān）隙大體一致；b.使用“一夾一（yī）頂”的方式裝夾工件；c.用吸附於小刀架上的磁力百分（fèn）表，分別在定心套筒兩端（duān）進行徑向和軸向打表，調整並擰緊螺（luó）栓，確（què）保徑向和軸（zhóu）向誤差≤0.05mm；d.移動中心架至定子套筒中（zhōng）間部位（wèi），調整上下頂頭體讓滾輪與定心套筒外圓緊密接（jiē）觸，隨即可實施車削加工（gōng）。
4.2.3 用跟（gēn）刀架支承車細長軸
跟刀架是一種固定在床鞍上，可以跟隨車刀（dāo）移動，支承（chéng）工件重力、抵消徑向切削力 PY、增加工（gōng）件的剛度的機（jī）床附帶（dài）工裝，通常有兩爪和三爪兩種。從而提高細長軸的形狀精度和（hé）表麵粗糙度。使用兩爪跟刀架時，工件自身重力以及車刀給工件的切削（xuē）抗力 PY，使工件貼住跟刀架的兩個支承爪上，這類跟刀架的弊端是半閉合支（zhī）撐。工件在旋轉切削時可能因原材料硬（yìng）度不均，切削抗力的變化導致工件瞬時離開支承爪而產生跳動；使用三（sān）爪（zhǎo）跟刀架時,工件受到三個支承塊的限製和切削抗力的作用，工件在 Y、Z 向自由度受限，車削時不易產生振動。因此，選用三爪（zhǎo）跟刀（dāo）架車細長軸至關重（chóng）要（yào）。如圖 5 所示。
圖 5 跟刀架使用示意圖（tú）
4.3 減（jiǎn）少工件的熱（rè）變（biàn）形伸長
熱伸長量公式如下：△L=a L△t （1）式（1）中：a———材（cái）料線膨脹係數（1/℃）；L———工件（jiàn）的總長（mm）；△t- 工件升高的溫度（dù）（℃）。
例：車（chē）削直徑為 120mm，長度為 5000mm 的馬達轉子，材料為 45# 鋼，車（chē）削（xuē）時因受切削熱的影響，工件由原來的 15℃上升到 55℃，求這根細長軸的熱（rè）變形伸長（zhǎng）量（liàng）？
從式（2）計（jì）算可知，我公司這類產品所屬的細長軸熱（rè）變形伸長（zhǎng）量較大。同時（shí），裝夾中工件受到（dào）卡爪和頂尖（jiān）的限位，工件無法（fǎ）自由伸長，因而產生彎曲。為此，我們采（cǎi）取（qǔ）以下措施：
（1）使用彈性回轉頂尖，可有效減少工件熱變形伸長。
（2）加注充分的切削液，減少工件的溫升而引起熱變形。
（3）刀具保持鋒利，降低（dī）車刀與工件的摩擦熱。
5、 細長軸加工中常出現的問題和解決辦法
5.1 用中心架輔助分段加工細長軸，經常出現工（gōng）件外圓銜接不好的問題如何解決？
細長軸分段車（chē）削過程中，需每加工 100mm 長度即對（duì）外圓直徑實施測（cè）量，隨時調整中心架（jià）頂頭體緊固程（chéng）度，始終保證工件（jiàn）軸線與主軸軸線（xiàn）同軸，要求細長軸外（wài）圓尺（chǐ）寸控製在±0.02mm 以內。中心架一端外圓完成車削後將工件卸下，調頭重新裝夾車另一端或移動定心套筒工（gōng）裝至已加工麵重新找正繼續車削。由於細長軸分段車削是（shì）在兩次裝夾中完成的，常因操作不當造成外圓銜接處過渡部圓滑。因此，應注意以下事項：先（xiān）調整中心架下方兩個頂頭體，使其與（yǔ）工件外圓接觸。調節支撐力度過大（dà）不但會頂彎工（gōng）件，還會使頂頭體支承爪和工（gōng）件之間摩擦增大，導致（zhì）工件摩擦熱（rè）過（guò）大從（cóng）而變形；調節支（zhī）撐力度過小，中心架無（wú）法發揮作用，工（gōng）件在車（chē）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工件一圈，觀察（chá）工件表麵刀痕（hén）均勻性。調整好中心架兩個支撐頂（dǐng）頭體後，扣上蓋並調整壓緊端頂頭體，判斷其力（lì）度（dù）的方式（shì）與兩個（gè）支撐頂頭體相同。
細長軸車（chē）削過程中，需隨時（shí）觀察頂頭體與工件的接觸和磨損情況並及（jí）時調整，同（tóng）時時刻在接觸（chù）麵添加潤滑油或油基潤（rùn）滑液降（jiàng）低磨損。
5.2 用跟（gēn）刀架輔助車削細長軸時，外圓表麵產（chǎn）生（shēng）的“竹節形”如何解決？所謂（wèi）“竹節形”是車削的外圓尺寸忽大忽小，不均勻。用跟刀架輔助車削（xuē）細長軸，分析“竹節形”形（xíng）成的原因（yīn）：反向切削過程中（zhōng），跟刀架支撐爪調整的預緊力過大，此時（shí）車削（xuē）點靠近工件尾端且工件剛性好、工件受到頂尖（jiān）的約束，可按初（chū）定的進刀（dāo）量正常車削出所需的外徑。車削一段（duàn）長度後工件剛度逐漸（jiàn）下降，跟刀架支撐爪也逐步釋放壓緊力（lì），將工件壓向車刀，造成吃（chī）刀量增大，導致軸外（wài）徑縮小；隨（suí）後，當跟刀架支撐爪跟到尺寸縮小（xiǎo）的軸外徑時，支撐爪向外壓向（xiàng）工件的力（lì）度降低，車削抗力將（jiāng）工件壓向支撐爪，造成吃（chī）刀量減小（xiǎo），導致軸外徑增大。隨後這樣有規律的變形，直接（jiē）造成軸外圓表麵加工成了“竹節形”。具體解決方法有：
調整跟刀（dāo）架卡爪與工作接觸壓力，直至正常用力無法擰動調節旋鈕。調整單刀切削量在 1.5mm 以內和進給速度，降低工件切（qiē）削抗力。使用彈性頂尖，減（jiǎn）少工件變形產生的彎曲形變。
6 、結論
由於細長軸自身剛性差，外圓車削時候的受力和受（shòu）熱對加工（gōng）質量（liàng）和（hé）效率產生很（hěn）大影（yǐng）響。所以，熟悉產品的正確裝夾和優化加工方法，可保證細長軸的加工質量。
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