细长轴的车削加工初探

细长轴的车削加工初探
摘要在细长轴类工件的加工过程中，由于工件本身刚性差，极易产生振动、弯
曲及变形，致使工件达不到规定的技术要求。

为此要采用合理的车削工艺，使工
件满足精度要求。

关键词细长轴车削弯曲变形加工精度刚性
在机械加工中，有时会遇到长径比大于25（L/D＞25）的轴类零件，此类零
件称为细长轴。

如油缸的活塞杆、机床的光杠、丝杠等，它们的长径比可达50
以上。

此类工件刚性很差，车削时由于受切削力、切削热、离心力和振动等因素
的影响，易产生弯曲、锥度、竹节形、麻花形和腰鼓形等缺陷，不易获得良好的
几何形状精度及表面粗糙度。

但如果从工艺上进行正确的分析，抓住产生缺陷因
素的变化规律，注意工件的装夹及跟刀架的使用，考虑工件的热变形伸长，合理
选择车刀几何参数及切削用量，问题就会得到解决。

一、工件的装夹
1、采用一夹一顶装夹。

此装夹方法刚性较好，用于长径比较大的细长轴的装夹，但工件与卡爪之间往往因接触面过长而形成重复定位。

为避免重复定位现象，可在工件装夹部位垫入直径为2mm~4mm左右的开口钢丝圈，使卡爪与工件之间
形成线接触，从而变成部分定位。

2、采用两顶尖装夹。

两顶尖装夹主要用于加工细长轴的长径比不是很大的场合，特别适于轴两端带有台阶的细长轴的装夹。

由于两顶尖装夹工件刚性较差，
除了采用跟刀架支撑外，还可在工件的下方垫入木块托牢工件，从而消除切削时
产生的振动。

木块的厚度应适宜，除能轻微托牢工件外，还应保证工件旋转灵活，木块与工件接触部位应加工成V形槽或半圆槽，使用时在槽中加润滑油，木块的
位置不固定，随加工部位的不同用手前后挪动。

3、工件装夹时必须考虑的其他问题。

尾座顶尖采用弹性滑移活顶尖，以减小加工过程中的热变形伸长。

当尾座顶尖采用弹性滑移活顶尖时，在加工过程中，
由于热膨胀产生变形时，可使工件变形量向尾座端自由移动，减少了工件的弯曲
变形，从而改善切削性能；利用跟刀架支撑车削细长轴，以增加工件的刚性。

跟
刀架有两支撑爪和三支撑爪两种。

三爪跟刀架在车削时工件被夹持在三个支撑爪
和车刀之间，组成两对径向压力，限制工件的位置，故能有效地减少切削振动和
工件变形。

但根据我多年实践经验认为，没有必要使用三爪跟刀架，使用两爪跟
刀架同样可以车削出合格的细长轴。

使用两爪跟刀架时，跟刀架两爪的径向合力
作用于工件中心，而刀具在主切削力和背向力的作用下，将反作用力作用于工件上，形成三点合力同时作用于工件轴心，达到力的平衡，使工件绕轴心旋转。

为
避免工件受离心力的影响而产生振动，除采用跟刀架支撑以外，还可在工件上挂
一重物，从而消除工件的振动现象。

二、车削工艺要领
1、车削方法的选择：反向切削方法。

反向切削法是指加工过程中车刀从卡盘方向向尾座方向进给，使工件受拉应力作用，变形向弹性滑移活顶尖处伸缩。

这
是车削细长轴的关键所在，尤其是长径比大于50倍的细长轴。

如果采用正向切
削使工件受压，容易产生弯曲变形，极易产生振动并且热变形伸长问题也难以解决。

2、车刀的选用。

粗车刀：选用75°左车刀，可使背向力减小，进给力相应增大，可以减小车削振动和工件变形，同时有一定的背向力，便可顶紧工件；前角
较大（18°～25°），使切削力减小而切削轻快；刃倾角取3°～8°，使切屑排向工件待加工表面；精车刀：选用较大前角的宽刃精车刀，并且刀刃无倒棱，这样极易切入工件，切屑成薄纸状排出；采用宽刀，刀刃宽度为进给量的1.5倍以上，可以修光工件，切削刃必须研磨平直光洁，表面粗糙度要小；并磨有1°～2°的刃倾角，使切屑沿待加工表面排出；使用弹性刀杆起消振作用，避免啃刀现象的发生。

为了保证刀的切削力和跟刀爪成三点合力，不产生过大的扭力，控制工件绕轴线旋转，粗车刀尖应与跟刀爪轴向相距2～4mm，精车刀刃宽中心应对准跟刀爪中心。

3、切削用量的确定。

粗车时：切削速度Vc=20～40m/min，进给量f=0.2～0.35mm/r，背吃刀量αp=1.0～4.0mm。

安装车刀时，刀尖应略高于中心0.1～0.2mm，使前角增大，后角减小。

在切削过程中，应充分进行润滑和冷却，以延长刀具寿命和减少跟刀爪的磨损，一般采用极压乳化液作为切削液；精车时：切削速度Vc≤5m/min，，进给量f=10～20mm/r，背吃刀量αp=0.05～0.10mm。

安装车刀时，刀尖略低于中心0.1～0.2mm，以增大后角，减小后刀面与工件之间的摩擦。

4、跟刀爪的研磨。

车削45钢细长轴时，跟刀爪的材料一般采用铸铁制成。

在加工细长轴的准备工作中，修磨跟刀爪是很关键的。

跟刀爪的内圆弧一般要用铣刀或其他方法修磨，使之内圆弧和工件的已切削外径有紧密的接触。

三、加工缺陷的解决措施
使用跟刀架车细长轴时，应将支撑爪与工件的接触压力调整适当，否则会出现竹节形、腰鼓形和麻花形等缺陷，影响工件的加工精度。

1、竹节形。

切削时，必须先车一小段跟刀架的支撑爪的支撑基圆，若基圆尺寸精度和形状精度超差，将反映到工件上去，影响工件的加工精度。

开始切削时若支撑爪压力过大，工件被顶向车刀，使背吃刀量增大，结果车出的工件直径偏小。

当跟刀架的支撑爪跟随车刀移动，支撑到已经车小的外圆时，支撑爪与工件表面脱离接触。

这时由于背向力的作用，使工件向外让开，使背吃刀量减小，于是车出工件的直径则偏大。

以后当跟刀架支撑爪再支撑到直径偏大的外圆上时，又会将工件顶向车刀，使车出的直径变小，如此周而复始有规律地变化，则把细长轴工件车成“竹节”形。

在进行基圆与待加工表面接刀处的车削时，必须先使车刀刀尖和工件支撑基圆略微接触，接刀处背吃刀量应加0.01~0.05mm，这样可避免接刀处出现“让刀”现象。

若接刀处外圆车大，支撑爪支撑到此处时，支撑爪压力变大，车出的工件直径偏小；当支撑爪支撑到小直径处，车出工件的直径又变大，如此循环变化，同样会导致车出的工件出现“竹节”形。

2、麻花形。

车削时，若接刀处背吃刀量增大，将工件直径车小，此时跟刀爪的压力就会随之变小，则支撑爪不能起到增加工件刚性的作用，使工件受重力和离心力的影响，造成车出的工件出现“麻花”形。

3、腰鼓形。

腰鼓形缺陷产生是由于细长轴刚性差，以及跟刀架支撑爪与工件表面接触不一致，支撑爪磨损而产生间隙。

在车削工件两端时，因靠近顶尖、卡盘处，工件刚性较好不易变形，当车削到中间部位时，由于背向力的作用，使工件的轴线偏离车刀，发生弯曲变形，背吃刀量逐渐减小，从而形成“腰鼓”形。

总之，以上缺陷都是由于跟刀架支撑爪压力调整不当造成的，所以在加工过程中，要时刻注意跟刀爪是否松动，随时进行调整，并且适当加入油性切削液进行润滑，避免跟刀架的支撑爪磨损过快，确保细长轴的加工质量要求。

参考文献
【1】吉为富主编，机械制造技术.北京机械工业出版社，2003年
【2】王公安主编，车工工艺学.中国劳动社会保障出版社，2005年6月第四版。