掌握細長軸特性,保證細長軸加工質量

車削細長軸時，由于存在剛性差、工件熱刀具磨損、徑向切削力、自重和離心力等原因，加工起來比較困難，致使工件產生彎曲、變形和振動現象，從而影響細長軸的加工精度。因此，加工細長軸時，必須充分地了解細長軸的結構及工藝特點，采用合理的加工工藝，選擇合適的刀具、正確的切削用量，從根本上解決上述問題，提高細長軸的加工質量。

一、細長軸的結構及工藝特點

常規情況下，一般把長度（L）與直徑（d）之比大于25的軸類零件，稱為細長軸。細長軸的外形并不復雜，但是，由于L/d比值較大，剛性差（L/d比值越大，剛性越差），車削難度大，所以，細長軸又屬于典型的特殊結構零件。因此，在加工細長軸時，應對其結構及工藝特點加以重視，否則難以保證加工精度。

首先，細長軸剛性差，車削過程中受切削力、自身重量的離心力等外界影響，極易產生彎曲和振動，影響工件的加工精度和表面粗糙度。車削時常采用一些輔助工夾具提高工件剛性，通過用降低轉速減小加工時振動。其次，細長軸常采用的兩頂尖或一夾一頂的裝夾方法，但由于每次走刀時間較長，車削時產生的熱和刀架卡爪與工件發生摩擦所產生的熱，使工件軸向伸長，如果工件兩端沒有伸長的余地，就會產生彎曲。通常采用彈性尾頂尖，解決工件軸向伸長的問題。第三，由于工件較長，刀具在切削過程中磨損較大，出現工件加工精度降低和表面粗糙度增大的問題。第四，車削細長軸時，一般都選用數值較大的前角和主偏角，降低徑向切削力（徑向是工件剛性最差的方向）。第五，車削細長軸時，由于使用一些輔助支承來增加工件的剛性，因此也增大了整個工藝系統的共振因素，容易造成工件形狀誤差，影響加工精度。因此，車削細長軸，要對刀具的結構及幾何角度、切削用量、工件裝夾進行合理選擇。要對工件刀具輔助工裝夾具進行調整，保證工件加工精度。

二、正確使用輔助支承，增強細長軸剛性，防止工件變形

細長軸在車削時，通常采用一夾一頂或兩頂尖的裝夾加工，為了增加工件的剛性一般選用中心架或跟刀架作輔助支承；對一些長而重的細長軸，采用木墊支承法；對直徑較小的細長軸，可采用拖架支承法。下面筆者主要對使用中心架支承法和跟刀架支承法進行介紹，對木墊支承法做簡要說明。

1.用中心架車削細長軸

使用中心架增加細長軸的剛性，防止工件彎曲，是一種簡單而有效的方法。采用中心架來支承工件，可使工件的長度與直徑的比值減小一半，細長軸的剛性可增加幾倍，能防止車削時因剛性差引起的各種現象發生。使用中心架支承工件有兩種方式：一種是用中心架直接支承在工件中間，另一種是用過渡套筒間接支承工件。在采用中心架直接支承工件之前，必須先在工件毛坯中間部位車出一段來放置中心架支承爪的溝槽。溝槽的表面粗糙度值要小，圓柱度誤差也小，否則會影響工件加工精度，必要時還須用鐵砂布對溝槽的外圓表面進行拋光，以減小溝槽表面粗糙度值。車削溝槽時，要注意溝槽的直徑比圖樣上要求的工件最大外圓直徑大2mm左右。一般情況下，將毛坯車圓即可。

如果在細長軸中間車削這樣一條溝槽比較困難，或工件中間不需要加工細長軸，及在安置中心架的地方是鍵槽、花鍵等不規則的表面，可采用安裝過渡套筒間接支承中心架的方法。在使用過渡套筒時，要保證過渡套筒外圓表面光滑，圓柱度要在±0.01mm，通過調整過渡套筒兩端的四個螺釘使過渡套筒的中心軸與機床主軸中心軸線重合。

調整的方法是：先用劃針將套筒與機床主軸中心軸線的跳動量校正在0.01mm以內，然后將百分表吸附在刀架上，轉動卡盤，調整兩端螺釘，使其跳動量在0.01mm之內，并用這些螺釘支承工件表面，中心架支承爪支承在過渡套筒的外邊面，就可以車削了。低速車削時，要用機油潤滑過渡套筒與支承爪接觸之處；高速車削時，要用冷卻液澆注在套筒的外表面，防止兩者之間摩擦發熱。不管采用任何形式的支承，必須按照調整順序來調整中心架。調整時應先調整中心架上的螺釘和下面的兩個支承爪，再用緊固螺釘緊固，然后把上蓋蓋好固定，最后調整上面的一個支承爪，并用緊固螺釘緊固。同時，要保證中心架支承爪與工件應輕微接觸，間隙大小適當。間隙太小，支承爪與工件之間會因接觸過緊而產生摩擦發熱，出現“吱吱”的叫聲及“冒煙”現象；間隙太大，支承爪與工件之間接觸過松起不到支承作用。

2.使用跟刀架車削細長軸

（1）車削之前必須對工件進行校直。目的是防止因工作自身彎曲。旋轉時加劇彎曲程度，容易在切削時產生變形。一般采用的方法是：對直徑較小的工件可采反擊法，也就是把工件放在一個平臺上用手轉動工件，使彎曲凸起的部分向上用錘敲，使工件可向兩端延伸，達到平直的目的。對直徑較大的工件，可使用一些簡單壓力設備對其進行校直，基本做法是用V形鐵將工件兩端墊起，使工件彎曲凸起的部分向上，用機械力緩慢地向下壓，往復幾次后工件基本上可校直。通常情況下，粗車工件彎曲度不大于1mm，精車工件彎曲度不大于0.02mm。

（2）車削具體過程。要先把跟刀架用螺釘固定在大滑板上，跟在車刀后面，隨車刀進給移動，以抵消背向力，增加工件的剛性，減小變形，從而提高細長軸的形狀精度，并減小表面粗糙度。

（3）跟刀架結構。跟刀架從結構上分為兩爪和三爪兩種。車削時，最好選用三爪的跟刀架，使切削更穩定。從跟刀架的設計原理來看，只需要使用兩爪的跟刀架就可以了。這是因為在車削時，車刀給工件的徑向切削力使工件貼在跟刀架兩個支承爪上，但在實際使用時，工件本身有向下的重力以及不可避免的彎曲，使工件的中心軸與機床軸的中心軸線總有一段距離。當工件旋轉時，就會產生離心力。在離心力的作用下，工件會瞬時離開支承爪，又瞬時接觸支承爪，從而產生振動。如果采用三個支承爪的跟刀架支承工件，一面由車刀抵住，使工件上下、左右都不能移動，車削就非常穩定，不易產生振動。實踐證明，使用兩爪跟刀架，由于支承柱窄、支承面小、剛性差、加工精度低，在加工細長軸時不宜采用；而使用三爪跟刀架，可顯著地增加細長軸的剛性，減小振動和變形，能有效地提高加工精度和產生良好效果。但是，在使用三爪跟刀架時，如果使用不當，車削時會出現“竹節狀”“棱圓狀”和“麻花狀”等形狀的誤差，因此使用時必須注意以下幾點：第一，跟刀架的上爪、下爪和外側爪應互成90°。第二，卡爪與工件接觸表面最好是60°左右窄的條形，其軸向長度以30～40mm為宜，接觸面積應超過80%。卡爪圓弧半徑應與工件半徑相適應，或大于工件半徑，但應通過工件中心。如果圓弧沒有要求，則應修磨，一般修磨方法有兩種：一是跟刀架固定在滑板上，按工件直徑選用鉸刀或力銑刀夾在車床的卡盤上，主軸轉動，用刀具鉸或銑削卡爪圓弧面；二是車一段直徑與細長軸直徑相同、長度大于卡爪寬度、粗糙度Ra20～50um的一段外圓，以600～700r/min的轉速，與卡爪對開（不允許加冷卻液），直至符合要求，最后用冷卻液沖洗干凈，再加機油研磨2～3min即可使用。第三，跟刀架底面與大拖板接觸表面要嚴合，以保持其穩定性。第四，卡爪的材料以球墨鑄鐵為宜，因為鑄鐵耐磨性好、磨損小，又不會刮傷工件表面。第五，要仔細調整跟刀架卡爪對工件的壓力，切忌支得過緊，應使其松緊適當。特別是在粗車時，由于毛坯余量不均勻，容易產生“竹節狀”誤差，一般調整時感覺到兩個卡爪支承面和工件表面穩定接觸即可鎖定緊卡爪。

3.采用其他方式車削細長軸

（1）較長、較重的細長軸。這樣的細長軸，無法使用中心架和跟刀架，可以采用在工件下面墊方木塊來增加工件剛性，根據工件長度不等距地安放，保證車削時能夠隨時取放大拖板正常進給。安放木塊時，可直接墊放在導軌上，木塊的上端還要制出兩塊10°～15°的木鍥，用以調節高度，以免木塊與工件接觸面會太緊或太松。這樣，不但防止工件因下重而彎曲，還可以起到消振作用。

（2）直徑較小的細長軸。對這樣的細長軸，用中心架或跟刀架支承。由于卡爪支承不到位，與工件之間間隙太大，起不到支承作用，可采用托架來支承。使用時，通過托架前后兩顆左、右旋向的螺釘來調節兩個滾輪間的距離，以適應直徑不同的細長軸，托架底部光滑平整且有一條與車床V形導軌相配的V形槽，可直接安放在導軌面上，松緊托架中間外六角螺釘可調節高低。

三、減小細長軸熱變形伸長量，防止工件彎曲

車削時，由于切削熱的影響，使工件隨溫度升高而逐漸伸長變形，稱為熱變形。車削一般軸類工件，還可以不考慮熱變形伸長問題。但加工細長軸時，熱變形量的大小與工件總長度有關，所以，一定要考慮到熱變形的影響。另外，還可通過熱變形伸長量的計算公式：

ΔL=αLLΔt

式中：ΔL為工件熱變形伸長量（mm）；αL為材料的線膨脹系數（1/℃）；L為工件的全長（mm）；Δt為工件升高的溫度（℃）。

下面筆者舉例說明兩者之間的關系。加工直徑為Φ25mm、長度為1200mm的細長軸，材料為45鋼，車削時因受切削熱的影響，使工件溫度由21℃上升到61℃，求這根細長軸的熱變形伸長量。

通過查《常用材料的線膨脹系數表》得知，45鋼的線膨脹系數是XL=11.59×10.6/℃，把已知條件代入公式即可求得ΔL=0.556mm。由此可見，細長軸的熱度形伸長量是很大的，細長軸的長度越長，熱變形伸長量就越大。但是，因加工細長軸時，通常采用一夾一頂或兩頂尖裝夾方式，工件受熱后無法延長而產生彎曲，工件一旦彎曲變形就會發生一系列的問題，影響到工件精度，甚至會使工件在頂尖卡住。克服工件熱變形，可采用以下幾個措施：

1.使用回轉頂尖

補償工件熱變形伸長量、彈性回轉頂尖與一般頂尖結構不同，它是用圓柱滾子軸承、滾針軸承受背向力，推力球軸承受進給力。在短圓柱、滾子軸承和推力球軸承之間，放置若干片碟形彈簧。當工件受熱變形伸長時，工件推動頂尖通過圓柱滾子軸承，使碟形彈簧壓縮變形，以抵消工件熱變形伸長量。生產實踐證明，用彈性回轉頂尖加工細長軸，可有效地補償工件的熱變形伸長，工件不易彎曲，車削可順利進行。采用強力反向車削法，加工細長軸，更能減小彎曲變形。這是因為進給力的反向和工件已加工部分、軸向拉伸方向同工件熱變形伸長量方向一致，共同向彈性回轉頂尖壓縮，從而使工件熱變形伸長量得到補償。

2.加注充分的冷卻液

車削細長軸時，無論是低速切削，還是高速切削，加注充分的切削液，能有效地降低切削區域的溫度，從而減小工件的熱變形伸長量，且能延長刀具的壽命。

3.刀具要經常保持鋒利狀態

保持刀具鋒利，減少車刀與工件的摩擦發熱，還可以減小表面粗糙度值。

四、合理地選擇刀具幾何形狀及切削用量

1.刀具幾何形狀

刀具幾何形狀是否合理將直接影響工件的表面加工質量和刀具的壽命。選擇車削細長軸用刀，應考慮盡量減少切削熱、減小振動、減小工件變形、排屑槽要適當。因此，對刀具幾何形狀的要求是：（1）采用較大的主偏角，使徑向力減小一般取75°～93°。（2）采用較大的前角25°～30°，使切削輕快，同時磨出深1.5～2mm、寬4～6mm的斷屑槽，在主切削刃上磨出0.2～0.3mm寬、﹣3°的倒棱和3°～5°的刃傾角，使車刀鋒利、排屑順暢，又增加了刃刀口的強度。（3）車刀的第一副后面磨出高1～2mm、后角Xo=0°的消振棱，可以減小車削時振動。（4）車刀安裝時，刀尖應略高于工件中心0.3～0.5mm，使第一副后面壓住工件，車刀相當于跟刀架的第四個支承爪，有效地增加了工件的剛性，使切削平穩，振動減小。

2.切削用量的選擇

合理選擇切削用量，對細長軸表面粗糙度有直接影響。車削細長軸的切削用量，應采取增加走刀次數、減小吃刀量的方法，以d=20～40mm、L=1000～1500mm的細長軸為例，說明具體選擇。

粗車時：轉速n=450～750r/min；背吃刀量ap=1.5～3mm；進給量f=0.3～0.5mm/r。

半精時：轉速n=600～960r/min；背吃刀量ap=1～1.5mm；進給量f=0.15～0.2mm/r。

保證細長軸的加工質量，除了要充分了解工件的工藝特點，還應熟悉設備使用情況，改進刀具結構，采用先進的加工方法，提高細長軸的加工質量，這些需要在以后的工件實踐中提高完善。

（作者單位：江蘇省淮海技師學院）