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數控車床加工細長軸研究

2022-7-1 來（lái）源（yuán）：南京工業大學工程訓練（liàn）中心作（zuò）者：趙錦偉

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。因其有著（zhe）剛性差、加工時（shí）受重力、切削力、切削熱等（děng）影響特性，致使此類零件的加工較難（nán）。文章通過分析在數控車床上加工細（xì）長軸容易出現的變形、精度（dù）、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（děng）措施，來進一（yī）步保證細長軸的加工質量和加工效率。

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（wù）差的原因

1.1 對（duì）細長軸的分析

根據定義，長度與直徑（jìng）之比大於 25（即 L/D>25）的軸稱之為（wéi）細長軸，它是車削加工（gōng）中的一個難點，單件或者小批量的生產可以在數控車床上完成（chéng）。過去整個（gè）加工過程都是（shì）單純的利用高速鋼車刀（dāo）在低速狀態下車削，由於細長軸的剛性較差（chà），刀具切（qiē）削時產生的徑向力較大，工件會發熱並產（chǎn）生震動，當這（zhè）些因素累積起來時，細長（zhǎng）軸便會發生（shēng）彎曲現象，嚴重時（shí）甚至斷裂，無法達到加工的要求，顯然這種低效方（fāng）法需要改進。為了避免加工（gōng）時長軸發生彎曲變形，在結合使用硬質合金（jīn）車刀的同時，需對（duì）整個加工過程進行（háng）詳細分析，比如夾具、機（jī）床輔具、工藝安排、刀具參數（shù）和切削用量、切削方法等方麵采取改進措施（shī），來提高長軸的質量。

1.2 力變形與（yǔ）熱（rè）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外力去除後工件內（nèi）部仍殘留下來的應力。工件內部留有殘餘應力，材料隻會暫時（shí）處於一種穩定的狀態。隨著時間的延長（zhǎng），殘餘應力會逐漸消失，工件也會恢複到沒有應力的狀態，最終在零件（jiàn）上產生誤差，無法滿足零件的加工要求。

細長（zhǎng）軸毛坯被夾在卡盤上後（hòu），由於自身受重力作用，末端便會呈微下垂狀態（tài）。剛性較弱的細長軸受多種力的（de）作用（yòng）時，很容易造成彎曲變形，甚至會發生斷裂。若零件剛開始加工就（jiù）發（fā）生變形，必會影（yǐng）響後續的車削（xuē）。不僅無法順（shùn）利完成任務，且在一定（dìng）程度上對資源會造（zào）成浪費。總（zǒng）之，減少長軸的受力，對整個加工起著至（zhì）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（dù）會慢慢上升，直徑逐漸變大，這些由於發熱導致直徑（jìng）變（biàn）大的一小部分零件在車（chē）削中會（huì）被刀具切除。加工完待工件冷卻後，零件的（de）直徑尺寸、圓柱度等便會產生誤（wù）差。例如，如果是用兩頂尖裝夾，細長軸（zhóu）內部的熱量（liàng）會使其有微小（xiǎo）的伸長，即產（chǎn）生輕微（wēi）的彎曲變形，直（zhí）接導致圓柱（zhù）度誤（wù）差。

2. 提高細長軸加工質量的措（cuò）施

2.1 合適的裝夾方法

粗加工一般采用（yòng）一夾一頂的方法。當頂尖（jiān）頂得太緊時（shí），細長軸在車削中（zhōng）因受熱而無法伸長，最終發生彎曲變形。所以條件允許時，可采用彈性頂尖。這（zhè）樣，麵對零件的伸長（zhǎng），彈性頂尖可以在軸線方向上進（jìn）行伸縮，把工件的（de）彎曲程度降到最低。

精加工一般采用兩頂尖裝夾。此方法能夠更加準確的（de）對長軸進行定位，保證同（tóng）軸度（dù）。但由於零件剛性差容易變形震動的原因，此方法隻適用於裝夾（jiá）長度與直徑（jìng）之比、精車餘（yú）量較小及同軸度要求較高的零件（jiàn），而且加工時需加注充（chōng）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、受熱等造成的影響，可使用跟刀架和中心架等輔具。也就是（shì）在細長軸表麵增（zēng）加一部分（fèn）支撐來有效地（dì）降低徑（jìng）向力帶來（lái）的變形。此外，還能有（yǒu）效地提高零件剛性，使其更（gèng）加定。但是，該方法需保證支承麵與工件表麵要（yào）完全吻合或支承麵對細長軸的壓力要（yào）適當，達（dá）到輔助工具正麵作用的效果。正常情況下刀具的（de）走刀方向是正向，即從尾座向卡盤方向的進（jìn）給。必要時可以將車刀（dāo）采（cǎi）用反方向進給，即車刀沿卡盤向尾座方向車削。這樣可以使切削（xuē）過程中產生的軸向分力指向尾座中的彈性頂尖，有效補償零件的伸長變形。

對於（yú）細長軸的精車過程即使采用高轉速，表麵粗糙度也不一定能達到要（yào）求。而白鋼刀因具有韌性好、耐衝擊的特性，為了提高表麵粗糙度，可以（yǐ）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（dāo）成形，並添加適量的液壓（yā）潤滑油（yóu），保證尺寸精度和表麵粗糙度。

2.3 刀具角度及（jí）切削三要素的選擇（zé）

選用合理的刀具幾何參數（shù），主要為了減（jiǎn）少直（zhí）徑方向上的切削力。刀具的前角（jiǎo）即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（zài）保證刀具切削部分強度合適的前提下，可以盡量增大刀具的前（qián）角來減小徑向力，建議合理（lǐ）的前角範圍為 15°~25°。主偏（piān）角定義為在基麵內主切削刃與（yǔ）刀具進給運動方向的夾角，當車刀主（zhǔ）偏角減小時，主切削刃（rèn）車削過渡表麵的深度（dù）會增加，這樣既降低了切削刃的承（chéng）載負荷，也增大了刀具的散熱麵積，提高（gāo）了刀具的壽命。

但唯一不足的是刀具切削（xuē）深度的增（zēng）加容易使剛性較弱的細長軸產生微弱的震動和變形。結合實（shí）際情況，推薦主偏角合適的範圍為 75°~85°。刃傾角即主切削（xuē）刃與（yǔ）基麵（miàn）的夾角（jiǎo），刃傾角的大小可正、可負，也可為零，但它的主要作用是用（yòng）來控製切屑（xiè）排出（chū）的方向。為了使切屑（xiè）能夠（gòu）流向待（dài）加工表麵，建議刃傾角的選擇範圍為：3°~6°。以上 3 種角度（dù）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。同（tóng）時（shí），對於整（zhěng）個加（jiā）工過程，需（xū）要分（fèn）別磨削粗（cū）車刀具和精車（chē）刀具進行分步（bù）車削，提高整個切削加工效（xiào）率。

通常，用刀具切削點處的線速度來（lái）描（miáo）述切削速度對加工零件的影響。回（huí）轉零件轉速越高，長（zhǎng）軸產生（shēng）的切削熱越多，離（lí）心率越大；而進給量的選擇對細長軸的表麵（miàn）起著決定性作（zuò）用，使（shǐ）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，切（qiē）削力也會以同樣的比例增加，故細長軸的精加工一般采用較低的切削速度、較小的進給量和背吃（chī）刀量多方麵地提高長軸質量。

3. 保證長軸表麵粗糙度

在保（bǎo）證切削過程穩定妥當的同時，也要考慮到對長軸表麵的保護。比如工時較短的情況下加工單個長軸，采（cǎi）用一（yī）夾一頂的裝夾（jiá）方式。但是（shì）在卡盤裝夾已加工（gōng）表麵時，如果卡爪直接擠壓零件表麵夾緊，長軸表麵必然（rán）會被（bèi）夾出印跡。為此，可以在已加工（gōng）表麵套上一層厚度為1mm左（zuǒ）右的銅皮保護（hù）圈，使卡（kǎ）爪直接與銅皮圈發生擠壓變形（xíng）來（lái）夾緊外圓，保證長軸的表（biǎo）麵粗（cū）糙度。

如（rú）果是成批生產且同軸度有要求的階梯長軸，在裝夾次數較多的情況下，銅皮（pí）保護圈會發生破（pò）裂變形，所以此方法便稍有缺陷。可以（yǐ）提前加工好一個專用的材質為 45 鋼的薄壁保護圈，厚度（dù）為 2.5mm 左右（yòu），將其（qí）套在已加（jiā）工麵上，這樣可（kě）以保護成批生產的長軸表（biǎo）麵。最好能用四爪單動卡盤（pán），通過使（shǐ）用百分表（biǎo）來分別對 4 個卡爪處的外圓進行找（zhǎo）正，從而保證長軸的定（dìng）心（xīn）精度。

4. 結語

細長軸類零件（jiàn）的車削一直（zhí）是車工操作內容中（zhōng）很（hěn）重要的（de）一部分，因其細而長的結構特點，導致此類零件（jiàn）的加工變（biàn）得較為困難。但通過使用中心架和跟刀架、采用反向的走（zǒu）刀方式、選（xuǎn）取合適的刀具幾何參數和切削參（cān）數、切削方法等改進措施，避免了細長軸震動（dòng）、彎曲等現象的發生，使整個加工過程簡單化，最終提高了長軸的加工效率。

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