细长轴的车削加工探讨

细长轴的车削加工探讨
【摘要】文章对细长轴加工难度大的主要原因以及加工过程中主要变形进行了分析，并针对学生在实习操作中车削细长轴的情况，提出了改善细长轴车削加工质量的见解。

【关键词】细长轴；车削；变形；加工质量
细长轴即工件的长度与直径之比大于25的轴类零件。

俗话说“车工怕车杆”，这句话充分反映出车削细长轴的难度。

其实车削细长轴是有一定的规律性的，只要抓住中心架和跟刀架的使用、解决工件热变形伸长等，问题就迎刃而解了。

一、细长轴加工难度大的主要原因
1、刚性差。

由于细长轴在加工过程中受到切削力、夹紧力、重力和惯性等外力的作用，更易产生变形，破坏了刀具和零件之间的正确位置关系，使细长轴的加工精度降低。

2、长度大。

细长轴的长度越大，一次走刀时间越长，刀具的磨损越大，对零件的几何形状精度影响也越大。

3、散热性能差。

细长轴在切削作用下，会产生相当大的线膨胀。

如果轴的两端为固定支撑，则工件会因伸长而弯曲。

4、加工时易产生振动。

细长轴加工时本身就容易产生变形和振动，加上采用中心架、跟刀架辅助工夹具操作技能要求高，致使工件、夹具、刀具等方面的协调困难，增加了许多振动因素。

二、细长轴加工过程中产生的主要变形
1、切削力导致变形。

切削力可分解为三个互相垂直的分力：轴向切削力Px、径向切削力Py及切向切削力Pz，它们将使轴产生水平和纵向方向的弯曲。

不同的切削力对车削细长轴时产生弯曲变形的影响是不同的。

1）径向切削力PY（见图1）：径向切削力是垂直作用在通过细长轴轴线水平平面内的，会把细长轴顶弯，使其在水平面内发生弯曲变形。

2）轴向切削力PX（如图2所示）：平行作用在细长轴轴线方向上，它对工件形成一个弯矩。

对于一般的车削加工来说，这个力对工件弯曲变形的影响可以忽略。

但当细长轴的一头被夹持在卡盘中间，另一头施以切削力时，就像在一根杆子上施加一个偏置压力，当轴向切削力超过一定数值时，将会把细长轴压弯而发生纵向弯曲变形。

2、切削热产生的变形。

在车床上车削细长轴采用的传统装夹方式主要有两种：一种是一端用卡盘夹紧，另一端用车床尾架顶尖支撑（一夹一顶）如图1；另一种是两端均由顶尖支撑（双顶尖）。

由于在车削过程中，卡盘和尾架顶尖都是固定不动的，这就使细长轴受热后的轴向伸长量受到限制，导致细长轴受到轴向挤压而产生弯曲变形。

3、装夹不当引起的变形。

车细长轴使用跟刀架时，若支撑工件的两个支撑块对零件压力不适当，会造成轴的弯曲变形而影响加工精度。

若压力过小或不接触，工件产生让刀现象，切削直径变大；若压力过大，零件会被压向车刀，切削深度增加，车出的直径就小。

因此，提高细长轴加工质量的问题，主要就是要控制工件的受力及受热变形的问题。

三、改善细长轴车削加工质量的方法
1、提高细长轴的刚性，减少受力变形
1）使用中心架支承车细长轴。

在车削细长轴时，可使用中心架来增加工件刚性。

使用中心架时，中心架的架体通过压板支撑在工件中间，这时的长径比L/d的值就减小了一半，这样车削时工件的刚度就增加了许多倍。

工件装上中心架前，需要先在工件中部支撑中心架的部位用低速、小进给量的切削方法车出一段沟槽，沟槽直径应略大于该工件的要求尺寸，沟槽宽度应宽于中心架支撑爪，沟槽应有较小的表面粗糙度值和较高的形状精度，否则会影响工件的精度。

在调节支承爪与工件的接触松紧时，用力应适当，如接触太松，车削时易振动；接触太紧易“咬死”，并损坏支承爪与工件表面。

2）用过渡套筒支承车细长轴。

当车削的细长轴中间无沟槽或安置中心架处是不规则表面时，可采用中心架和过渡套筒支承车细长轴，用上述方法车削支承中心架的沟槽是比较困难的。

为了解决这个问题，可用中心架与过渡套筒的外表面接触，使卡爪不直接与毛坯料表面接触。

过渡套筒的两端各装有3个调整螺钉，用这些螺钉夹住毛坯工件，并调整套筒外圆的轴线与车床主轴轴线重合，即可车削。

3）跟刀架支承车削细长轴。

不适宜调头车削的细长轴，不能用中心架支承，而要用跟刀架支承进行车削，以增加工件的刚性。

使用时，跟刀架固定在床鞍上，跟在车刀的后面，随车刀的进给移动，抵消背向力，并可以增加工件的刚度，减少变形，从而提高细长轴的形状精度并减少表面粗糙度。

2、减少工件的热变形伸长
工件的总伸长量ΔL与总长L和温升Δt是成正比的（ΔL=а·L·Δt），即工件越长、温升越大，总伸长量ΔL就越大，所以车削细长轴时，一定要考虑到热变形的影响，有效地控制温升。

可从以下几方面采取措施：
1）使用弹性活顶尖。

采用一夹一顶装夹方式时，顶尖应采用弹性活顶尖，当工件热变形伸长时，可有效地补偿工件的热变形伸长，工件不易弯曲。

同时可在卡爪与细长轴之间垫入一个开口钢丝圈，以减少卡爪与细长轴的轴向接触长度，消除安装时的过定位，减少弯曲变形。

生产实践证明，用弹性活顶尖加工细长轴，可有效地补偿工件的热变形伸长，工件不易弯曲，车削可顺利进行。

（如图3）
2）采用反向切削法车削细长轴。

反向切削法是指在细长轴的车削过程中，车刀由主轴卡盘向尾架方向进给，使细长轴的受力状态从卡盘到切削所在点的一段由压缩变成拉伸，拉紧了工件，增加了工件的实际刚度，不致于出现弯曲变形。

（如图4）
3）加注充分的切削液车削细长轴时，不论是低速切削还是高速切削，为了减少工件的温升而引起热变形，必须加注充分的切削液冷却。

使用切削液还可以防止跟刀架支承爪拉毛工件，提高刀具的使用寿命和工件的加工质量。

4）刀具保持锐利要求刀面粗糙度Ra≤0.4?m，并保持切削刃锋利，以减少车刀与工件的摩擦发热。

3、合理地控制切削用量，合理选择车刀几何参数
1）切削用量的选择由于工件刚性差，切削力、切削热对细长轴加工质量影响很大，为了减小车削时产生的切削力，应尽量减少切削深度，要求径向切削力越小越好，从而减小车削细长轴产生的弯曲变形。

提高切削速度有利于降低切削力，但切削速度过高容易使细长轴在离心力作用下出现弯曲，破坏切削过程的平稳性，所以切削速度应控制在一定范围。

对长径比较大的工件，切削速度要适当降低。

2）刀具几何角度的选择在细长轴的加工中，如果车刀的几何形状选择不当，仅仅依靠跟刀架、中心架、弹性回转顶尖等设备，也不可能获得良好的效果。

较大的前角，可减少切削力和切削热；在不影响刀具强度情况下应尽量选择大的主偏角，以减小径向切削分力；选择正值刃倾角，使切屑流向待加工表面，此外，车刀也容易切入工件。

选择较小的刀尖圆弧半径（rs=0.2～0.4）。

合理地选用刀具角度及其加工路线，会对细长轴的加工产生积极的意义。

四、结语
细长轴的车削加工是机械加工中比较常见的一种加工方式。

由于细长轴刚性差，车削时产生的受力、受热变形较大，很难保证细长轴的加工质量。

采用合适的装夹方式和加工方法，选择合理的刀具角度和切削用量等措施，都是保证加工质量不可缺少的条件。

生产实践中应针对具体情况单独或混合采用，才能生产出合格的制件。

参考文献：
[1]《细长轴的加工方法》[J]江苏冶金颜蓉第33卷第2期2005年4月
[2]《细长轴的加工工艺探讨》[J] 有色矿冶王占勇第24卷第3期2008年6月
[3]《机械制造技术》[M] 陈爱荣主编北京理工大学出版社2010年1月出版。