提高細(xì)長軸加工精度的改進(jìn)措施

楊校可

（平頂山技師學(xué)院，河南平頂山 467000）

1 細(xì)長軸加工難度[1]

1.1 極易產(chǎn)生彎曲變形與振動

工件長度與直徑之比大于25 的軸稱為細(xì)長軸。細(xì)長軸零件因為長徑比大、剛性差，在加工過程中因為切削力、重力、夾緊力等力的作用下，產(chǎn)生彎曲變形，改變刀具與工件之間正確的位置，從而產(chǎn)生加工變形，影響零件的加工質(zhì)量。

1.2 熱變形

切削加工細(xì)長軸時，由于切削熱的作用，工件在加工過程中會產(chǎn)生熱變形。在實踐中，我們常把內(nèi)孔外圓表面作為受熱近似均勻的工件。加工外圓表面時，假如工件溫升基本相等，材料也一樣的話，其熱伸長量由工件的長度決定。特別是細(xì)而長的工件，熱變形伸長量特別突出。當(dāng)軸的兩端采用固定支撐時，細(xì)長軸將產(chǎn)生熱變形。特別是主軸轉(zhuǎn)速較高的情況下，由于軸彎曲而產(chǎn)生的離心力會進(jìn)一步加大其變形程度。

1.3 刀具磨損

對細(xì)長軸的切削加工中，由于軸向長度大，進(jìn)給量取值小，刀具連續(xù)工作時間很長，隨著切削時間的增加，刀具磨損大，造成加工后的工件產(chǎn)生錐度誤差。

1.4 對操作者的技能水平要求高

細(xì)長軸難加工，操作者要能夠做到合理選擇刀具、輔助工具、機(jī)床、切削用量以及的工藝安排，所以對其要求較高。

2 細(xì)長軸加工常見誤差

在加工細(xì)長軸過程中，由于交變沖擊式切削力和離心力作用，將會產(chǎn)生強(qiáng)烈振動。使得整個工藝系統(tǒng)各個接觸部位的接觸剛度與機(jī)械性能產(chǎn)生變化。

切削加工細(xì)長軸時，由于受到切削力、重力、離心力、切削熱等綜合因素影響使工藝系統(tǒng)各接觸部位的剛度和機(jī)械性能發(fā)生變化，使得切削區(qū)域（包括跟刀架支撐爪部位）發(fā)生異常現(xiàn)象，從而使得細(xì)長軸產(chǎn)生各種形狀誤差。常見誤差如下兩種：

（1）竹節(jié)形缺陷。如圖1 所示，產(chǎn)生竹節(jié)形誤差的原因是使用跟刀架后，支撐爪對零件施加了不合適的壓力。如果支撐爪的壓力過小或不接觸，跟刀架不起作用； 如果壓力過大，工件將對車刀產(chǎn)生擠壓，切削深度變大，加工出的直徑變小。跟刀架繼續(xù)移動，支撐爪支承在外圓的直徑較小部位，當(dāng)接觸壓力突然減小，甚至脫離，背向力會把細(xì)長軸推開，切削深度變小，加工出的直徑變大。接著，跟刀架又運(yùn)動到直徑大的外圓上，又把細(xì)長軸壓向車刀，加工出的外圓直徑減小。就這樣一直持續(xù)，細(xì)長的工件將會產(chǎn)生“竹節(jié)”形誤差。

圖1 竹節(jié)形誤差

（2）腰鼓性缺陷。細(xì)長軸裝夾時，經(jīng)常采用兩頂尖裝夾。由于零件細(xì)長，剛性不夠，在切削力的作用下，由于彈性變形將會產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象，細(xì)長軸產(chǎn)生腰鼓形的圓柱度誤差 ，如圖2 所示。

圖2 腰鼓形誤差

3 細(xì)長軸加工方法的改進(jìn)

根據(jù)細(xì)長軸的結(jié)構(gòu)特點，現(xiàn)在大多采用反向進(jìn)給消除軸向力引起的工件彎曲變形。但是，采用此法，需要對機(jī)床、裝夾方法、夾具等進(jìn)行以下改進(jìn)：

3.1 機(jī)床的調(diào)整

加工需要用到機(jī)床的大部分導(dǎo)軌或全部導(dǎo)軌，所以機(jī)床的加工精度對軸類零件加工質(zhì)量的影響不可忽視。首先，檢測主軸中心與尾座套筒是否在同一中心線上，車床導(dǎo)軌不能發(fā)生高低不平或橫向水平移動；然后，檢驗調(diào)整主軸間隙，主軸回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，大、中、小滑板配合間隙適當(dāng)，最后機(jī)床導(dǎo)軌平直沒有凸凹情況。

3.2 改進(jìn)工件的裝夾方法

加工細(xì)長軸時，經(jīng)常使用一頭夾和一頭頂?shù)难b夾方法 ，同時在卡盤卡爪的下面墊入鋼絲，直徑是4mm 左右。這樣裝夾，可以把工件與卡盤的卡爪之間的接觸變?yōu)榫€接觸，當(dāng)工件夾緊時，卡爪破壞掉產(chǎn)生的彎曲變形力矩。裝夾工件時，采用彈性活絡(luò)頂尖，如果工件受熱后產(chǎn)生熱變形頂著頂尖，彈性活絡(luò)頂尖可以軸向伸縮，用來減少工件變形，使工件彎曲變形減少。如圖3 所示。

圖3 細(xì)長軸的裝夾

3.3 改進(jìn)跟刀架

裝夾細(xì)長軸時，如果采用跟刀架，可以大大提高工件的剛度，減少工件彎曲變形，可以使切削時的徑向切削分力減小，減小工件的振動與變形。車削使用的跟刀架一般有兩個支承塊。造成支撐塊與工件的接觸面積小，剛度不夠。可以對支撐塊進(jìn)行改進(jìn)，使其變?yōu)槿齻€弧面支承的跟刀架，如圖4 所示。支承塊選用耐磨性較好的HT200 灰鑄鐵制作，HT200 灰鑄鐵磨損小，不會刮傷零件的表面，可以保證加工的精確度，還能使零件表面的光潔度得以提升，并能夠把切削液注入其中。每個支承塊的軸心線相互互成90 度，支承塊弧面與工件的配合間隙應(yīng)控制在0.02～0.03mm 范圍內(nèi)，并且與工件接觸良好。這樣可以使得支承塊對工件的作用力作業(yè)在半徑方向且通過軸心線。這樣設(shè)計，工件的上、下、左、右移動都將受到限制，無法移動，只能繞其軸線旋轉(zhuǎn)，可用來減小車削振動和工件的變形。

圖4 跟刀架

3.4 工件進(jìn)行熱處理

當(dāng)工件彎曲變形時，車削細(xì)長軸會使得加工余量不均勻，甚至沒法繼續(xù)車削。即使第一刀能車圓，車削后的彎曲變形也是不可忽視。因此，工件毛坯可以進(jìn)行時效和調(diào)直處理，用來消除熱鍛時毛坯產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與彎曲變形。根據(jù)工件的長度尺寸、加工余量、選擇校直方法，保證第一刀車圓，并留有足夠的半精車和精車余量。在粗車過程中，如果產(chǎn)生彎曲，也要及時采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄕ{(diào)直，保證精車順利進(jìn)行。

3.5 輔助托架

細(xì)長軸的裝夾，除了可以使用中心架、跟刀架等支承工件外，還可以在工件下面放置可調(diào)節(jié)式的托架。可調(diào)節(jié)托架一方面能托牢工件，另一方面還有消振作用。如圖5 所示。

圖5 托架

3.6 合理地控制切削用量

細(xì)長軸的剛度差，切削用量取值應(yīng)該適當(dāng)減小。一般情況可參考表1。

表1 切削用量取值

3.7 合理選擇車刀的幾何角度

細(xì)長軸加工時，因為工件剛度底，刀具幾何角度的選取對切削力、切削熱、振動和工件彎曲變形的影響不可忽視。一般情況下：

為了減小切削力和切削熱，細(xì)長軸車刀前角一般取值為200～300，并在前刀面磨出圓弧形或直線形的斷屑槽，以便較好的斷屑。為了提高刀具的使用壽命，還可以磨出負(fù)倒棱。

由于前角取值較大，后角取值應(yīng)小些，但不能過小，因為過小會增加后刀面與工件加工表面之間的摩擦而發(fā)熱。一般情況下，后角應(yīng)取為60～80 最佳。

車刀主偏角的取值大小主要影響徑向力。不影響刀具強(qiáng)度情況下，增大主偏角可使徑向力減小，而軸向力增大。當(dāng)反向進(jìn)給時，加強(qiáng)了工件的拉伸作用，兩者都可減少在切削過程中產(chǎn)生的振動，有利于提高加工精度。主偏角一般取值為800～930。

除此之外，安裝刀具時，刀尖可以高于工件中心0.1～0.3mm。這樣，可以使使車刀后面與工件有輕微的接觸，防止工件上下竄動，可以減少工件的低頻振動，增加切削平穩(wěn)性。實踐證明這種車削效果較好。

3.8 使用切削液充分冷卻

切削液具有冷卻作用和潤滑作用[5]。在加工細(xì)長軸的時候，使用切削液可以減小切削力，帶走加工過程中產(chǎn)生的切削熱，降低刀具和工件的熱度，減小工件因熱變形產(chǎn)生的尺寸誤差。一般使用冷卻性能較好的乳化液進(jìn)行充分冷卻。

4 小 結(jié)

文章就細(xì)長軸難加工的原因進(jìn)行了總結(jié)，并對常見誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析。對提高細(xì)長軸的加工精度提出了具體的改進(jìn)方法，比如機(jī)床、刀夾具、工件裝夾等方面。采用這些方法可以使得加工精度得以明顯提高。