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數控車床加工細長軸研究

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

摘要：在大型機器的傳動結構和零部件中，細長（zhǎng）軸的應用較為廣泛。因（yīn）其有著剛性差、加工時（shí）受重力、切削力、切削熱等影響特性，致使此類零件的加工較難。文（wén）章通過分析在數控車床上加工細長軸（zhóu）容易出現的變形、精度、表麵粗（cū）糙（cāo）度等問題，提出采用（yòng）合適的裝（zhuāng）夾方式和加工（gōng）方法等措施（shī），來進一步保證細長軸的加工質量和（hé）加工效率。

關（guān）鍵詞：細長軸；加工；剛性；表麵粗糙（cāo）度

1. 加工細（xì）長軸產生誤差的原因

1.1 對細長軸的分析

根據定（dìng）義，長度與直徑之比大於 25（即（jí） L/D>25）的軸稱之為細長軸，它是車削加（jiā）工中的一個難點，單件或（huò）者小批量的生產可以在數控（kòng）車床上完成。過（guò）去整個加工過程都是單純的利用高速鋼車刀在低（dī）速狀態下（xià）車削（xuē），由於細長軸的剛性較差（chà），刀具（jù）切削時產生的徑（jìng）向力較大，工件會發熱並產生震動，當這些因素累積起來時，細長（zhǎng）軸便會發（fā）生彎（wān）曲現象（xiàng），嚴（yán）重時甚至斷裂，無法（fǎ）達到加工（gōng）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，在結合使用硬質合（hé）金車（chē）刀的同（tóng）時，需對整個加工過程進行詳細（xì）分析，比如（rú）夾具、機床輔（fǔ）具、工藝（yì）安排、刀具參數和切削（xuē）用量、切削方法等（děng）方麵采取改進措施，來提高長軸的質量（liàng）。

1.2 力變形與熱變形引起的誤差

內應力又稱為殘餘應力，即在沒有外力的作用下或將（jiāng）外（wài）力去除後工件（jiàn）內部仍（réng）殘留下來的應力。工件內部留（liú）有殘餘應力，材料隻會（huì）暫時（shí）處於一種穩（wěn）定的狀（zhuàng）態。隨著時間的延長，殘餘應力會逐漸消失，工件（jiàn）也會恢複到沒有應力的狀態，最終在零件上產生誤差，無（wú）法滿足零件的加（jiā）工要求。

細長軸毛坯被夾在（zài）卡盤上（shàng）後，由（yóu）於自身受重力（lì）作用，末端（duān）便會呈微下垂狀態。剛性較弱的細長軸受多種力的作（zuò）用時，很容易造成彎曲變形，甚至會（huì）發生斷裂。若零件剛開始加（jiā）工就發生變形，必會（huì）影響後續的車（chē）削。不僅無法順利完成任務，且在（zài）一定程度上對資源會造成浪費。總之，減（jiǎn）少長軸的受力（lì），對整個加工起著至關重要的作用。

一般情況下加工時受熱程度是均勻的，長（zhǎng）軸的（de）溫度會慢慢上升，直徑逐漸（jiàn）變（biàn）大，這些由於發（fā）熱導致直徑變大的一小部分零件在（zài）車削中會被刀具切除。加工完待工件冷卻後，零件的直徑尺寸、圓柱度等便會產（chǎn）生誤（wù）差。例如，如果是用兩頂尖裝夾，細（xì）長軸內（nèi）部的熱量會使其有微小的（de）伸長，即產生輕微（wēi）的彎（wān）曲變形（xíng），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（jiá）方法

粗加工一般（bān）采用一夾一頂的方法。當頂尖（jiān）頂得太緊時，細長軸在車削中（zhōng）因受熱而無法伸長，最終發生彎（wān）曲變形。所以條件允許時，可采用彈性頂（dǐng）尖。這樣，麵對零件的伸長，彈性頂尖可以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（yòng）兩頂尖（jiān）裝夾。此方（fāng）法能夠更加準確的對長軸進行定位，保（bǎo）證同軸度。但由於零件剛性差容易變形震動的原因，此方法隻適用於（yú）裝夾（jiá）長度與直徑之比、精車餘量較（jiào）小及同軸度（dù）要（yào）求較高的零件，而且加工時需加（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（le）降低零件因受力、受熱等造成的影響（xiǎng），可使用跟（gēn）刀架和中心架等輔（fǔ）具。也（yě）就是在細長軸表麵增加一部分支撐來有效地降低徑向力帶來的變形（xíng）。此（cǐ）外，還能（néng）有效地提高零件剛（gāng）性，使其更加定。但是，該方法需保證支承麵與（yǔ）工件表麵要完全（quán）吻合或支承麵對細長軸的壓力要適當，達到輔助工具正麵作用的效（xiào）果。正常情況下刀具的走（zǒu）刀方向是正向，即從尾座（zuò）向卡盤方（fāng）向（xiàng）的進給。必要時可以將車刀采用反方向進給，即車刀沿卡盤向（xiàng）尾座方向車削。這樣可以使切（qiē）削（xuē）過程中產生的軸（zhóu）向分力指向尾座中的彈性（xìng）頂尖，有效補償（cháng）零件的伸長（zhǎng）變形。

對於（yú）細長軸（zhóu）的精車過程即（jí）使采用高（gāo）轉（zhuǎn）速，表麵粗糙度也不一定能達到要求。而白鋼刀因具有韌性好、耐（nài）衝擊的（de）特性（xìng），為了提高表麵粗糙度，可以結合著使用一把刀刃寬度為3mm 左右的手磨白鋼刀，精車時利用白鋼刀采用低轉速、低背吃刀量一刀成形，並添加適（shì）量的液壓潤滑油，保證尺寸精（jīng）度和表麵粗糙度。

2.3 刀具角（jiǎo）度及切削三要素的選（xuǎn）擇

選用合理的刀具幾（jǐ）何參數，主要為了減少直徑方向上的切削力。刀具的前角即前刀麵與基麵的夾角，前角較大的鋒利刀刃，其強度（dù）必然較弱（ruò）。因此，在（zài）保證刀具切削部分強度合適的前提下，可以盡量增（zēng）大（dà）刀具的前角（jiǎo）來（lái）減小徑向力，建議合理的前角範圍為 15°~25°。主（zhǔ）偏角定義為在基麵內主切削刃與刀具進給運動方向的（de）夾角，當車（chē）刀主偏角減小時，主切削刃車削過渡表麵的深度（dù）會增加（jiā），這樣既降低了切削刃的承載負荷，也增大了（le）刀具（jù）的（de）散熱麵積，提高了刀具的壽（shòu）命。

但唯一不足（zú）的是刀（dāo）具切削深度的增加容易使剛性較弱的細長軸產（chǎn）生微弱的震動和變形。結合實際情況，推薦（jiàn）主偏角合適的範圍為 75°~85°。刃傾角即（jí）主切削刃與基麵的夾角，刃傾角的大小可正、可負，也（yě）可為零，但它（tā）的主要作用（yòng）是用來控（kòng）製（zhì）切屑排出的方向。為了使切屑能夠流向待加工表麵，建議刃傾角的（de）選擇範圍（wéi）為：3°~6°。以上 3 種（zhǒng）角度的選取，可以提前用砂（shā）輪將（jiāng）硬質合金刀（dāo）具的各個角度磨削到位。同時，對於整個加工過程，需要分別磨削粗車刀具和精車刀具進行分步車削，提高（gāo）整個切削加（jiā）工效率。

通常，用刀（dāo）具切削點處的線速度來描述切削速度對加工零件的影（yǐng）響。回轉零件轉速越高，長軸產生的切削熱越多，離心率越大；而進給量的選擇（zé）對細長軸的表麵起著決定性作用（yòng），使用較大的進給量，刀具後刀麵的（de）磨損相對較大；且增大背吃刀量（liàng），切削力（lì）也會以同樣（yàng）的比例增加（jiā），故細長軸的精加工一般采用（yòng）較低的切（qiē）削速度、較小的進給量和背吃刀量（liàng）多方麵地提高長軸質量。

3. 保證長軸（zhóu）表麵粗糙度

在保證切削過程穩定妥當（dāng）的同時，也要（yào）考慮到對長軸表麵的保護。比如工時（shí）較短（duǎn）的（de）情況下加工單個長軸，采用（yòng）一夾一頂的裝夾方式（shì）。但是在卡盤裝夾已加工表麵時，如果（guǒ）卡爪直接（jiē）擠壓（yā）零件表麵夾緊，長軸表麵必然會（huì）被夾出（chū）印跡。為此，可以在已加（jiā）工表麵套上一層厚度為1mm左右的銅皮保護圈，使卡爪直接與銅皮圈發生擠壓變形來夾緊（jǐn）外圓，保（bǎo）證（zhèng）長軸的表麵粗糙度。

如（rú）果是成批生產且同軸度（dù）有要求的（de）階梯長軸，在（zài）裝夾次數（shù）較多的情況下（xià），銅皮保護（hù）圈會發生破（pò）裂變形，所以此方法便稍有（yǒu）缺陷。可以（yǐ）提前加工好一個專用的材質為 45 鋼的薄壁保護（hù）圈，厚度為 2.5mm 左右，將其套在已加（jiā）工（gōng）麵上，這樣可以保護成批生產的長（zhǎng）軸表麵。最（zuì）好（hǎo）能用四爪單動卡盤，通過使用百（bǎi）分表來分別對 4 個卡（kǎ）爪處的（de）外圓進行找正，從而保證長軸的定心精度。

4. 結語

細長軸類零件的車削一直是車工操作內容中很重要的（de）一部分（fèn），因其（qí）細而長的結構特（tè）點，導致此類零件的加工變得較為困難。但通過使用中心架和跟刀架（jià）、采用反向的走刀方式、選取合適的刀具幾何參（cān）數和切削參數、切削方法等改進措施，避免了細長軸震動、彎曲等現象的發生，使整（zhěng）個加工過程簡單（dān）化，最終提高（gāo）了長軸（zhóu）的加工效率。

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