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數控車床加工細長（zhǎng）軸研究

2022-7-1 來源：南京（jīng）工業大學工程訓練（liàn）中心作者：趙錦偉

摘要：在大型機器的（de）傳動結構和零部件中，細長軸的應用較為廣泛（fàn）。因其有著剛性差、加工時受重力、切削力、切削熱等影（yǐng）響特性，致使此（cǐ）類（lèi）零件的加工較難。文章通過分析（xī）在數控車床（chuáng）上加工細長（zhǎng）軸容（róng）易出現的變形、精度、表麵粗糙度等問題，提出采用合適的裝夾方式和加工方法等措施，來進一步保證（zhèng）細長（zhǎng）軸（zhóu）的加工質（zhì）量和加工效率。

關鍵詞：細長軸；加工；剛性；表（biǎo）麵粗糙度

1. 加工細長軸產生誤差的原因（yīn）

1.1 對細長軸的分析

根據定義，長度與直徑之比大於 25（即 L/D>25）的軸稱之（zhī）為細長軸，它是車削加工中的一個難點，單件（jiàn）或者小批量的生（shēng）產可以在數控車床（chuáng）上完成。過去整個加工過程都是單純的利用高速鋼車刀在低速狀態下車削，由於細長軸的剛性較差，刀具切削（xuē）時產生的徑向力較大，工件（jiàn）會發熱並產生震（zhèn）動，當這（zhè）些因素累積起來時，細長軸便會發生彎曲現象，嚴重時甚至斷裂，無法達到加工的要求，顯然這種低效方法需要（yào）改進（jìn）。為了避免加工時長軸發生彎曲變形，在結合使用硬質（zhì）合金車刀的同（tóng）時，需對整個加工過程進行詳細分析，比（bǐ）如夾具（jù）、機床輔具、工藝安排、刀具參數和切削用量、切削方法等方麵采取改進措施，來提高（gāo）長軸的質量（liàng）。

1.2 力變形與熱變形引（yǐn）起的誤差

內應力又稱（chēng）為殘餘應力，即在沒有外力的作用下或將外力（lì）去（qù）除後工件內部仍殘留下來的應力。工件內（nèi）部留有殘餘應力，材料（liào）隻（zhī）會暫時處於一種穩定的狀態。隨著時間的延長，殘餘應力會逐漸消失，工件（jiàn）也會恢複到沒有應（yīng）力的狀態，最終在零件上產生誤差，無法滿足零件的加工要求。

細（xì）長軸毛（máo）坯被夾在卡盤上後，由（yóu）於自身受重力作用，末端便會（huì）呈微下垂狀態。剛性較弱（ruò）的細長軸受多種力的作用時（shí），很容易造成（chéng）彎曲變形，甚至會發生斷裂。若零件剛（gāng）開始加工就（jiù）發生變（biàn）形，必會影（yǐng）響後（hòu）續的車削。不僅無法順利（lì）完成任務，且在一定程（chéng）度上對資源會造（zào）成浪費。總（zǒng）之，減少長軸的受力，對整個加工起著至關重（chóng）要的作用。

一般情況（kuàng）下加工時受熱程度是均勻的，長（zhǎng）軸的溫度會慢慢（màn）上升，直徑逐漸變大，這些由（yóu）於發熱導致直徑變大的一小部分零件在車削中會被刀具（jù）切除。加（jiā）工完待工件冷卻後（hòu），零件的直徑尺寸、圓柱度等便會產生誤差。例如，如果是用兩頂尖裝夾，細長軸內部的（de）熱量會使其有微小的伸長，即產生（shēng）輕微的彎曲變形，直接導致圓柱度誤差。

2. 提高細長軸加工質量的措施

2.1 合適的裝夾方（fāng）法

粗加工一般采用一夾一頂的方法。當（dāng）頂尖頂得太緊時，細長軸在車削中因（yīn）受熱而無（wú）法伸長，最終發生彎曲變形。所以（yǐ）條件允許時，可采用（yòng）彈性頂尖。這樣，麵對零（líng）件（jiàn）的（de）伸長，彈性頂尖可以（yǐ）在軸線方向上進行伸縮，把工件的彎曲程度降到最低。

精加工一般采用兩頂尖裝夾（jiá）。此方法能夠更加準確的對長軸進行定位，保證同（tóng）軸度。但由於零（líng）件剛性差容易（yì）變形震動的原因，此方法（fǎ）隻適用於裝夾長度與直徑之比、精車餘量較小（xiǎo）及同（tóng）軸度要求較高的零件，而且加工時（shí）需加（jiā）注充足的冷卻液來帶走切削熱。

2.2 合理的車削方法

為了降低零件因受力、受熱（rè）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（zēng）加一部分支（zhī）撐來（lái）有效地降低徑（jìng）向力帶來（lái）的（de）變形。此外，還能有效地提高零（líng）件剛性，使其更加定。但是，該（gāi）方法需（xū）保證（zhèng）支承麵與工件表（biǎo）麵要完全（quán）吻合或支承麵對細長軸的壓力要適當，達到（dào）輔助工具正麵作用的效（xiào）果。正（zhèng）常情況下刀具的走刀方向是正向，即從尾座向卡盤方向的（de）進給（gěi）。必要時可以將（jiāng）車刀采用反方向（xiàng）進給，即車刀沿卡（kǎ）盤向尾座方向車削。這樣可以使切削過程中產生（shēng）的軸向分力指向尾座中（zhōng）的（de）彈性頂尖，有效補償零件的伸長變形。

對於細長（zhǎng）軸的精車過（guò）程即使采用高轉（zhuǎn）速，表麵粗糙度也不一定能達（dá）到要（yào）求。而白鋼刀因（yīn）具有（yǒu）韌性好、耐衝擊的特性，為（wéi）了提高表麵（miàn）粗糙度，可以結合著使用一把刀刃寬度為3mm 左右（yòu）的手磨白鋼刀，精車時利用白鋼刀采用低轉速、低背吃刀量一（yī）刀成形，並添加適量的液壓潤滑油（yóu），保證尺寸精度和（hé）表麵粗糙度。

2.3 刀具角度及切削三要素的選擇

選用合理的（de）刀具幾何參（cān）數，主要為了減少直（zhí）徑方向上的切（qiē）削力。刀具的前角即（jí）前刀麵與基麵的夾角，前角較大的鋒利刀刃，其強度必然較弱。因此，在保（bǎo）證刀具切削部分強度合適的前（qián）提（tí）下，可以盡量增大刀具（jù）的前角來減小（xiǎo）徑向力，建議合理的前角範圍為 15°~25°。主偏角定義為在基麵內主（zhǔ）切（qiē）削刃（rèn）與刀具進（jìn）給運動方向的夾角，當車刀主偏角（jiǎo）減小時，主切削刃車削過渡表麵的深度會增加（jiā），這樣既降低了切（qiē）削（xuē）刃（rèn）的承載負荷，也增大了（le）刀具的散熱麵積，提高了刀具的（de）壽命。

但唯一不足的是刀（dāo）具切削深度的增加容易使（shǐ）剛性較弱的細長軸產（chǎn）生（shēng）微弱的震動和變形。結（jié）合實際情況，推薦（jiàn）主（zhǔ）偏角合適的範圍為 75°~85°。刃傾角即主切削刃與基麵的夾（jiá）角（jiǎo），刃傾角的大小可正、可負，也可為（wéi）零，但它的主要作用是用來控製切（qiē）屑排出的方向。為了使切屑能夠流向待加工表麵，建議刃傾角的選擇範圍為：3°~6°。以上 3 種角度的選取，可以提前用砂輪將硬質合金刀具的各個角度磨削到位（wèi）。同時，對於整（zhěng）個加工過程（chéng），需要（yào）分別磨削粗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述切削速度對加工零件的影響。回轉零件轉速越高，長（zhǎng）軸（zhóu）產生的切削熱越多，離心（xīn）率越大；而進給量的選擇對細長軸的表麵起著決（jué）定性作用，使用較大的進給量，刀具後刀麵的磨損相對較大；且增大背吃刀量，切削力也會以同樣的比例增加，故細長（zhǎng）軸（zhóu）的精加（jiā）工一般采用較低的切削速度、較小的進給量和背吃刀量多方麵地（dì）提高長軸質量（liàng）。

3. 保（bǎo）證長軸表（biǎo）麵粗糙度

在保證切（qiē）削過程穩定妥當的同時，也（yě）要考慮（lǜ）到（dào）對長軸表麵的保護。比如工時較短的情況下加工單個長軸，采用一夾一頂（dǐng）的裝夾方式。但是在卡盤裝夾已加工表麵時，如（rú）果（guǒ）卡爪直接擠壓零（líng）件表麵夾緊，長軸表麵必然會被夾出印跡。為此，可（kě）以在已加工表（biǎo）麵套上一層厚度為1mm左右的銅皮保護圈，使卡（kǎ）爪直接與銅皮圈發生擠壓變形來夾緊（jǐn）外圓，保證長軸的表麵粗糙度（dù）。

如果是成（chéng）批生產且同軸（zhóu）度有要求的階梯長軸，在裝夾次數較多的情況下，銅皮保護圈（quān）會發生破裂變形，所以此方法便稍有缺陷。可以提前加工好一個專用的材質為 45 鋼的薄壁保護圈，厚度為 2.5mm 左右（yòu），將其套在已（yǐ）加工麵上，這樣可以保護成批生產（chǎn）的長軸表麵。最好能用四爪單動卡盤，通過使用百分（fèn）表來分別對 4 個卡爪處的外圓（yuán）進行找正，從（cóng）而保證長軸的定心精度（dù）。

4. 結語

細長軸類零件的車削一直是車工操作內容中（zhōng）很（hěn）重要的一部分（fèn），因（yīn）其細而長的結構特點，導致（zhì）此類零件的加工變得較為困難（nán）。但通過使用中心架和跟刀架、采用（yòng）反向的走刀方式、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，避免了（le）細長軸震動、彎曲（qǔ）等現象的（de）發生，使整個加工過程簡單化，最終提高了（le）長軸的加工效率。

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