細長軸車削變形和加工研究

高鵬

【摘要】細長軸加工中產生的振動對加工精度有著重要的影響。理論上用有限元法分析采用不同裝夾方法導致的細長軸加工變形;實踐上運用不同的加工工藝，進行多次試驗、并設計了新型拉緊式夾具;能夠較好地控制振動和變形，從而保證了加工精度，提高了加工效率。

【關鍵詞】有限元分析;工藝;夾具

由于細長軸長徑比大、剛性差，在車削時，切削熱、振動、切削力、重力、切削力等因素對其加工有著重要的影響。如圖一所示，飾品機械中的圓柱蝸桿【梭桿】，工件長度為378mm，直徑為φ10mm，長徑比L/d≈40，表面粗糙度和精度都有較高的要求。如果采用傳統的車削方法，車削時易產生振動和彎曲變形，從而嚴重影響加工的精度和效率。為此，理論上進行變形分析研究，實踐中經過大量試驗并設計出新型拉緊夾具，采取了一定的工藝措施，可加工精度要求較高的細長軸。

圖一 ?圓柱蝸桿【梭桿】

一 影響細長軸加工變形的因素和常見加工誤差

影響細長軸加工變形的因素如圖二所示。振動導致切削異常現象，造成細長軸加工表面的各種形狀誤差，常見的細長軸車削加工誤差的分為三類：（1）表面粗糙有細小針葉狀的振紋（2）麻花形誤差有扭曲的帶狀振紋（3）竹節狀形狀和尺寸誤差。

圖二 ?多種因素對細長軸精度的影響

二 細長軸車削變形的理論分析

（1）裝夾方法

三種裝夾方法：一夾一頂方式，前端采用三爪卡盤夾緊、尾部采用彈性活頂尖;兩端頂方式，前端采用死頂尖、尾部采用彈性活頂尖;一夾一拉【兩端拉】方式，前端采用三爪卡盤夾緊、尾部采用死頂尖定位并采用專用夾具拉緊;這三種方式都采用可調浮動跟刀架作為輔助支承。

（2）受力模型

細長軸車削過程中，切削力及其作用點是動態變化的;為了分析細長軸車削過程中變形，把工件材料認為是理想彈性體，約束進行簡化：將卡盤夾緊處簡化為固定約束;尾部采用彈性活頂尖頂緊或拉緊的方式，認為頂緊（或拉緊）力是恒定的，頂尖處可簡化為一簡支約束。

（3）切削力的計算

圖三 細長軸車削時受力分析

細長軸車削時受力如圖三所示，Fv為主切削力，Ff為進給切削力，Fr為徑向切削力，F為總切削力。在切削鋼件梭桿時切削力的大小近似計算如下：

Fv≈2000×ap×f=2000×1.2×0.12=288（N）

Ff≈0.25×Fv =0.25×288=72（N）

Fr≈0.4×Fv =0.4×288=115.2（N）

公式中：ap—切削深度，mm;

F—進給量，mm/r;

（4）變形的有限元分析

細長軸車削時受到徑向、切向、軸向3個方向的外力，采用有限元法取10個結點，進行徑向、軸向即如圖三所示的X、Y、Z三個方向的變形進行了分析，分析的結果如圖四、圖五所示。通過分析，在同等切削條件下，一夾一拉方式加工變形只有一夾一頂方式的1/3—1/5;所以采用一夾一拉【兩端拉】裝夾方式比其他兩種傳統裝夾方法，可有效地減小振動和變形。

圖四 一夾一拉方式細長軸的變形曲線

圖五 一夾一頂方式細長軸的變形曲線

三 細長軸加工的工藝方法

3.1 合理選擇裝夾方法

細長軸加工中常用的裝夾方法有：1、一夾一頂方式 ?2、兩端頂方式;用跟刀架或中心架作為輔助支撐來增加工件的剛性，對剛性較好的可以采用，但對于長徑比很大的細長軸，由于頂尖的頂力作用，致使軸在加工中受到的徑向彎曲力加大，從而使軸的彎曲變形加大。再加之切削熱的作用，工件熱伸長增大了軸的彎曲變形。因此，一夾一頂的傳統方法，加工細長軸，不能很好的消除彎曲變形。一夾一拉【兩端拉】方式拉緊力越大加工效果就越好;根據前面的分析可知，由于兩端拉力，致使軸在加工中受的徑向彎曲力減小，而使軸的彎曲變形減小;即使切削熱使工件受熱膨脹增長，拉緊力能有效地防止工件伸長變形，因此，一夾一拉【兩端拉】方式加工方法與傳統加工方法相比，能有效地加工精度。

3.2合理選擇切削用量

切削用量對細長軸加工有顯著的影響;當工件材料為中碳鋼或中碳合金鋼，選用刀具材料為YT15硬質合金時的切削用量如下：

（1）切削速度VC的選擇：車削細長軸時，一般當VC=60m/mm左右時，容易產生振動。故粗車時，取VC≦50m/min;精車時取VC≧70～100m/min。

（2）進給量f的選擇：粗車時取f=0.12—0.2mm/r，精車時取f=0.05—0.08mm/r。

（3）切削深度ap的選擇：車削細長軸時，隨著ap增大，振動和變形不斷增大。故粗車時取ap =0.8-1.2mm，精車時取ap =0.08-0.12mm。

3.3 合理選擇刀具幾何形狀

合理地選擇刀具幾何形狀，能夠保證細長軸加工的平穩性，保證零件的加工精度和表面質量。

（1）前角γ。：為減少切削力和切削熱，應該選擇較大的前角，隨著前角的增大，振動隨之下降。因此在粗加工中取γ。=15-20°，精車時取γ。=25°-30°。車刀前面磨出R1～2.5的斷屑槽，有利于斷屑和排屑。

（2）主偏角κr：刀具的主偏角是影響徑向切削力的主要因素，在不影響刀具強度情況下，盡量增大車刀主偏角。因此在粗車削細長軸時取κr=80～85°，精車時取κr=85～93°。

（3）主后角α。：后角為4～5°時，對振動有明顯的抑制和減弱作用，后刀面超越急劇磨損階段，達到一定程度的磨損時，會有顯著的減振作用。

（4）刃傾角λs：選擇正刃傾角，取λs=3°使切削屑流向待加工表面，避免劃傷已加工表面并使削屑卷屑效果良好。

（5）刀具圓弧半徑rε：刀尖圓弧半徑rε增大時，徑向切削力隨之增大，為避免振動rε越小越好。但隨rε的減小，會使刀具壽命降低，同時也不利于表面粗糙度的改善。選擇較小的刀尖圓弧半徑rε=0.2-0.4。

3.4 使用乳化液進行充分冷卻

由于切削熱引起零件伸長變形，伸長變形與溫升成正比，因此必須有效控制零件溫升。采用乳化液對加工工件進行充分冷卻、潤滑，降低切削熱、減小熱變形和刀具磨損，從而提高加工精度。

四 細長軸加工的新型夾具【拉具】

圖六 細長軸車削加工的夾具【拉具】

1、U型卡圈 2、拉緊螺套 3、莫氏0號頂尖 4、芯軸 5、密封圈 6、端蓋螺母 7、推力球軸承 8、單列向心球軸承 9、外調整套筒 10、內調整套筒 11、拉具主體 12、圓螺母M18? 13、聯接螺套 14、哈夫卡具 15、螺母M10? 16、螺栓M10×25

根據細長軸車削加工易產生振動和變形，而采用一夾一拉【兩端拉】方式，能很好地防止彎曲變形，能有效地提高工件的加工精度和加工效率;為此設計了細長軸車削加工的新型夾具【拉具】如圖六所示。頂尖3通過莫氏0號錐度與芯軸4配合，芯軸4用推力球軸承7、單列向心球軸承8承受徑向力和軸向力。工件加工出工藝臺階如圖一所示，頂件3在頂緊工件保證定位精度的同時，又通過U型卡圈1和拉緊螺套2與芯軸4緊密相連;拉具主體11通過聯接螺套13和哈夫卡具14與車床尾夾相連，車床尾架在床身上鎖緊后，向后拉動夾具實現工件的拉緊。實踐證明，用新型夾具【拉具】加工細長軸，很好地防止彎曲變形，能有效地提高工件的加工精度和加工效率。

結 論

通過理論分析和實踐中反復試驗，采用一夾一拉【兩端拉】方式的裝夾方法加工細長軸，能夠有效地控制振動和變形，改善細長軸的加工質量，保證了加工精度，提高了加工效率。

參考文獻：

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[2] 張幼幀. 金屬切削原理及刀具. 航空教材編寫組.1984

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