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普通車（chē）床加工細長軸的工藝探究

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

摘要：在普通（tōng）長車床上加工細（xì）長（zhǎng）軸零件時，由於長度和直徑的比值較大，在軸向和（hé）徑向切（qiē）削力（lì）的作用下很容（róng）易造成（chéng）細長軸零件彎曲變形與（yǔ）振動，加工中對操（cāo）作者的技術水平要求很（hěn）高。雖然目前我（wǒ）公司在加工細長軸方（fāng）麵已實現了（le）批量加工的能力，但是加工精（jīng）度和生（shēng）產效率方（fāng）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外圓的難題就顯得尤為重要。通過分析細長軸加工過（guò）程中產生變（biàn）形（xíng）的（de）原因，合（hé）理調整裝（zhuāng）夾（jiá）方式和（hé）加工參數，設計新工（gōng）裝，優化加工方法來提高加工效率，並且保證較高的（de）加工質量，為細長軸零（líng）件的大批量生產（chǎn）提供技術支持。

關鍵詞：細長軸；車削工（gōng）藝；變形原因；加（jiā）工方法（fǎ）

1、概述

在機械加（jiā）工中，長度（dù）與直徑之比大於 25（L/d>25）的軸稱為細長（zhǎng）軸。這類零件（jiàn）在卡爪（zhǎo）夾持力、切削（xuē）力、重力（lì）和頂尖軸向力的作用（yòng）下（xià），加（jiā）工過程（chéng）中很容易產生外圓表麵粗糙（cāo）度低和（hé）彎曲的問題。因此，解決細長軸的加工（gōng）精度和加工效率的問題，就是控製加工過程中零件的受（shòu）力及受熱（rè）變（biàn）形（xíng）的問題。

2、細長軸車削的工藝特性

2.1 工件剛性很差，若卡爪、中（zhōng）心架和頂尖三個部位裝夾不合適，受自由度的限製，易在軸向切削力（lì）、徑向切削力及重力的作用下彎曲變（biàn）形，從（cóng）而產生細長軸的振動，直接影響加工精度和加工效率。

2.2 工件散（sàn）熱性能（néng）差，加工中產生較大的切削（xuē）熱而彎曲變形。

2.3 工（gōng）件加工中通常經曆粗車、半精車和精車的過程（chéng），單次切削時間長（zhǎng），刀具、工件冷卻不及時、工件切削餘量不均對刀具損耗大，易產生竹節狀的幾（jǐ）何形狀。

2.4 工件加工過程中，中心架子（zǐ）支（zhī）撐外圓的圓周跳（tiào）動量和表麵精度低，直（zhí）接（jiē）影響（xiǎng）中心架的裝夾。

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

3 、細長軸加工中彎（wān）曲變形的原因

通（tōng）常，裝夾細長軸（zhóu）零件原材料的方式有兩種（zhǒng），一種是“一夾一頂”的（de）方式；另（lìng）一（yī）種（zhǒng）是（shì）兩頂尖支撐的（de）方式（shì）。我們根據設備特性，主要分析（xī）“一夾（jiá）一頂”的裝夾方式。如圖 1 所示。

3.1 切削力導致的變形

外圓加工過程中，切削力可以分解為軸向力 PX、徑向力 PY及切（qiē）向力 PZ。三種（zhǒng）切削力對工件產生彎（wān）曲變形的（de）影響是不同的。

3.1.1 軸向削力 PX的影響

軸向（xiàng）切削力平行（háng）作用（yòng）在軸線方向上。由於細長軸的剛性（xìng）較差，軸（zhóu）向切削力 PX作用在工件外圓麵上，會以（yǐ）頂（dǐng）尖為支點對工件形成一個扭矩。當軸（zhóu）向切削力超過（guò）工件屈服（fú）強度時，便產（chǎn）生

縱向彎曲變形（xíng）。如圖 1 所示。

圖 1 軸向切削力 PX受力示意圖

3.1.2 徑向力 PY的影響

徑向切（qiē）削力 PY是垂直作（zuò）用工件軸向方（fāng）向上。由於細（xì）長軸的剛性較差，徑向會以卡爪和頂尖為支點將工件頂彎。同樣，當徑（jìng）向（xiàng）切削力超過工件屈服（fú）強度時，亦會生（shēng）彎曲變（biàn）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（jiā）工過程中，卡盤和頂尖都是固定不動（dòng）的，因（yīn）此兩者之間的距離也（yě）是固定不變的。切削（xuē）中產生的切削熱會（huì）造成工件熱伸長，工件受到 X 向自由度的（de）限製產生軸向擠壓，從而產生彎曲變形。

4、解決細長軸加工受力和（hé）熱變形的措施

4.1 優化工件裝夾方（fāng）法減少過定位受力（lì）

我單位在加工細長（zhǎng）軸前，通常采用“一（yī）夾一頂（dǐng）”的（de）裝（zhuāng）夾方式。主軸卡爪一般用（yòng） 2~3 個牙齒（chǐ）長度夾緊工件一端，，另一端使用頂尖固（gù）定預先加工好的頂尖（jiān）孔（kǒng），以確保工件能在同一軸（zhóu）線（xiàn）上自由旋轉。若卡爪裝夾工件過長（zhǎng）產（chǎn）生過定位、加工前頂尖對頂尖孔的預緊力過大（dà），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（jun1）會導致細長軸受到（dào）過定位和軸（zhóu）向擠壓力的作用彎曲變形。為解決此問（wèn）題（tí），我們在采用（yòng）“一夾一頂（dǐng）”裝夾方式時，在卡爪（zhǎo）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，消除安裝時的過定位。如圖 3 所示。

圖 3 一夾一頂裝夾的改進

4.2 優化工件車削剛性（xìng）穩定切削力

在加工細長（zhǎng）軸外圓時，可使（shǐ）用中心架輔助支撐來增（zēng）加工件剛性。一般加工細長（zhǎng）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（jiàn）車削時（shí）的剛性就需要降低細長軸長徑比，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。在使用中心架之前，必須在工件中間車出一段 40~70mm 長，用於中心架（jià）頂頭體支承的“架子口”。加工出的架子（zǐ）口表麵粗糙度及圓柱度需要以打表的方（fāng）式控製在 0.04mm 以（yǐ）內；其（qí）次，車削時，中心架的頂頭體滾輪（lún）或支承爪與工件架子口的接觸麵需加潤滑油保持潤滑。特別是支承爪（zhǎo）的支承方式時，可以（yǐ）在支承爪與工件架子口之間加一層砂布或研磨劑進行研磨抱合，確保良好的接觸，以滿足細長軸（zhóu）外圓的加工精度。如圖 4 所（suǒ）示（shì）。

圖 4 中心架支撐工件

4.2.2 用（yòng）定心套筒支承（chéng）車細長軸

實際加工中，我們還會受到原材料直線度的影響（xiǎng），工件兩側切削量不同，會造成架子口尺寸和產品尺寸難以取舍。為（wéi）了解（jiě）決（jué）這個問題，我們設計製（zhì）作定心套筒（tǒng）工裝輔助加（jiā）工。定心套（tào）筒工裝的設計思（sī）路是：a.在（zài）工件中段以“虛擬四爪卡盤”的方（fāng）式減少工件長徑比，降低車削架子口的繁瑣性；b.加（jiā）工一套外圓精度較高、熱（rè）處理（lǐ）硬度適中、壁厚能強度要求的空心殼體；c.殼體長（zhǎng）200~250mm，殼體內徑較工（gōng）件外徑大 30mm 左右，外徑不（bú）得大於中心架使用範圍；d. 在定心套筒工（gōng）裝兩端距離端（duān）麵 30mm 左右處，等分安（ān）裝四個 M16 的螺（luó）栓。

使用步驟是：a.吊裝工件前將定心套筒放置於工（gōng）件（jiàn）中部，同（tóng）時將八隻螺栓預緊於工件，確保定心套（tào）筒與工件（jiàn）的間隙大（dà）體一致；b.使用“一夾一頂”的方式（shì）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（duān）進行徑向和軸向打表，調整並擰緊螺栓，確保徑向和（hé）軸（zhóu）向誤差（chà）≤0.05mm；d.移動中心架至定子套（tào）筒中間（jiān）部位，調整上下頂頭（tóu）體讓滾輪與定心套（tào）筒外（wài）圓緊密接觸，隨即可實施（shī）車削加工。

4.2.3 用跟刀架支承車細長軸

跟刀架是一種固（gù）定在床鞍上，可以跟隨車刀移動，支承工件重力（lì）、抵消徑向切削力 PY、增加工件的（de）剛度的機床附帶（dài）工（gōng）裝，通（tōng）常有兩爪和三爪兩種。從而提高細長軸（zhóu）的形狀精（jīng）度和表麵粗糙度。使用兩爪跟刀（dāo）架時，工件自身重力以及車刀給工件的切削抗（kàng）力 PY，使工件貼住（zhù）跟刀架的兩個支承爪上（shàng），這（zhè）類跟刀（dāo）架的弊端是半閉合支撐。工件在旋轉切削時可能因原材料硬度不均，切削抗力的變化導致工件瞬時離開支承（chéng）爪而（ér）產生（shēng）跳動；使用三爪跟刀架時,工件受（shòu）到三個支承塊的限製（zhì）和（hé）切削抗力的作（zuò）用，工件在（zài） Y、Z 向自由度受（shòu）限，車（chē）削（xuē）時不易產生振動。因此，選用三爪跟刀架車細長（zhǎng）軸（zhóu）至（zhì）關重要。如圖 5 所示。

圖 5 跟刀（dāo）架使用示意圖

4.3 減少工件的熱變形伸長

熱伸長量公式如（rú）下：△L=a L△t （1）式（1）中：a———材（cái）料線膨脹係數（1/℃）；L———工件的總長（mm）；△t- 工件升高（gāo）的溫度（℃）。

例：車削直徑為 120mm，長度為 5000mm 的（de）馬達轉子，材料為（wéi） 45# 鋼，車削時因受切削熱的（de）影響，工件由原來（lái）的 15℃上升到 55℃，求這根細長軸（zhóu）的熱變形（xíng）伸長（zhǎng）量？

從式（shì）（2）計算可知，我公司這類產（chǎn）品所屬的細長軸（zhóu）熱變形伸（shēn）長量（liàng）較大。同時，裝夾（jiá）中工件受（shòu）到卡爪和頂尖的限位，工件無法自由伸長，因而產生彎曲。為此，我們采取以下措施：

（1）使用彈性回轉頂尖，可有效減（jiǎn）少工件熱變形（xíng）伸（shēn）長。

（2）加注充分的（de）切削液，減少工（gōng）件的溫升（shēng）而引起熱變形。

（3）刀具保持鋒利，降低（dī）車刀與（yǔ）工件的摩擦熱。

5、細長軸加工中常（cháng）出現的問題和解（jiě）決辦法

5.1 用中心架輔助分段加工細長軸，經常（cháng）出現工件外圓銜接不好的問題如何解決？

細長軸分段車（chē）削過（guò）程中，需每加工 100mm 長度即對外圓直徑實施（shī）測量（liàng），隨時調整中心架頂頭（tóu）體緊固程度，始終保證工件軸線與（yǔ）主軸（zhóu）軸線同軸，要求細（xì）長軸外圓尺寸控（kòng）製在（zài）±0.02mm 以內。中（zhōng）心架一端外圓完（wán）成車削後將工（gōng）件卸下，調（diào）頭重新裝夾車另（lìng）一端或（huò）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在兩次（cì）裝夾中完成的（de），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（xīn）架下方兩個頂頭體，使其與工件外圓接觸。調節支撐力度過大不但會頂彎工件，還會使（shǐ）頂頭體支承爪和工件之間摩擦增大，導致工件摩擦熱過大（dà）從（cóng）而變形；調節支撐力度過小，中心（xīn）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工件一圈（quān），觀（guān）察工件表麵刀痕均勻性。調整好中心架兩個支撐（chēng）頂頭體後，扣上蓋（gài）並調整（zhěng）壓（yā）緊端頂頭體，判斷其力度的方式與兩個（gè）支撐頂頭體相同。

細長軸車（chē）削過程中，需隨時觀察頂頭體與（yǔ）工件的（de）接觸和磨損情況（kuàng）並及時調整，同時時（shí）刻在接觸麵添加潤滑油或油基潤滑液降低磨（mó）損。

5.2 用跟刀架（jià）輔助車削細長軸時，外圓表麵產生的“竹節形”如何解（jiě）決？所謂“竹節形”是（shì）車削的外圓尺寸忽大忽（hū）小，不均（jun1）勻。用跟（gēn）刀架輔助車削細長軸，分析“竹節形”形成的原因：反向（xiàng）切削過程中，跟刀架支（zhī）撐爪調整的預緊力（lì）過大（dà），此時車削（xuē）點靠近（jìn）工（gōng）件尾端且工件剛性（xìng）好、工（gōng）件（jiàn）受（shòu）到頂尖的約（yuē）束，可按（àn）初定的進刀量正常車削（xuē）出所需的外徑。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（lì），將（jiāng）工（gōng）件壓（yā）向（xiàng）車刀，造成吃刀量（liàng）增（zēng）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，支撐（chēng）爪向外壓向工（gōng）件的力度降低，車削抗力（lì）將工件壓向支撐爪，造成吃刀（dāo）量減小，導致軸外徑增大。隨後這樣有規律（lǜ）的變形，直接造成軸外圓表麵加工成了“竹節（jiē）形”。具（jù）體解決方法（fǎ）有：

調（diào）整跟刀架卡爪與工作接觸壓力，直（zhí）至正常（cháng）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，降低工件切削抗力。使用彈性頂尖，減（jiǎn）少工件變形產（chǎn）生（shēng）的（de）彎曲形變。

6 、結論

由於細長軸自身剛（gāng）性（xìng）差，外圓車削時候的受力和受熱對（duì）加工質量和效率產生很大（dà）影響。所以，熟悉產品的正確裝夾和優化加（jiā）工方法（fǎ），可（kě）保證細長軸的加工（gōng）質量。

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