細長軸的切削加工精度及切削效率的控制研究*

寇欽德，王 彬，郭潤蘭

(1．甘肅瑞盛亞美特高科技農業有限公司，甘肅蘭州 730300;2蘭州理工大學，甘肅蘭州 730050)

0 引言

細長軸類零件的長徑比(長度與直徑的比值)一般不小于25，廣泛應用于不同的機械場合，如，鉆桿、絲桿、光桿、導向軸、傳動軸、羅拉軸等。但在實際的加工過程中，其長徑比越大，抗彎能力越差，越易發生彎曲變形，另外，由于受外力(如，切削力、慣性力)所產生的震動、切削熱等的影響，增大了切削加工難度，無法保證細長軸的加工精度。但伴隨著現代工業技術的快速發展，對細長軸類零件的精度要求也變得越來越高。如何提高其加工精度，并使其能滿足現代工業發展的需求是當前應該解決的問題［1］。

通過分析細長軸的誤差來源和加工難點，結合當前我國細長軸的加工經驗，提出了提高細長軸類零件的切削加工精度及切削效率的有效方法，這為細長軸的加工提供了一定的技術指導。

1 切削加工時的誤差來源

細長軸實際的加工過程中，由于較大的長徑比及外力的影響，不可避免的會產生許多加工誤差，同時這些誤差對零件的精度有著直接影響。一般在利用普通數控機床加工細長軸時(如圖1)，其機床誤差包括很多種，如滾動誤差、垂直度誤差、偏轉誤差、定位誤差等等。其中，有些誤差通過一定方式進行消除或者減小，但有些誤差是無法避免的［2-4］。

與普通的機械加工相同，車削加工細長軸時，諸如夾具、機床、人為因素、刀具等因素產生的多種誤差對細長軸的質量及精度有很大的影響。具體的誤差來源如表1，而眾所周知，由于細長軸的長徑比大于25，所以在加工時，刀具的切削力所引起的彎曲變形是最主要的一部分誤差。

圖1 機床誤差

表1 誤差來源分析

2 細長軸的彎曲變形分析

2．1 細長軸彎曲變形的原因

細長軸在加工時受設備、人為因素、刀具的影響較為嚴重，故其一直是機械加工中的一個難點。其中，造成細長軸彎曲變形的原因主要有三個:①初始的彎曲變形，在工件未進行加工之前就存在的彎曲，即就是毛坯原本所就有的彎曲;②毛坯裝卡之后，因為長徑比較大，其在自重作用下發生的彎曲變形;③加工工件過程中所產生的彎曲變形。另外，細長軸的彎曲變形破壞了原先刀具與工件之間的準確位置，切削速度和切削穩定性都受到了很大程度的影響，大大的影響了零件的表面粗糙度和加工精度［4-5］。

2．2 加工過程中產生變形的原因

2．2．1 切削力引起的變形

切削細長軸時，切削力對其有極大的影響，無論軸向的切削力還是徑向的切削力轉移到軸心形成的合力均會將工件“頂彎”，從而引起變形，如圖2。而這兩種不同方向的切削力對工件的影響也有一些差別，前者是作用力與軸線方向上平行，從而形成了一個彎矩，當車削力的數值大于規定值，導致工件發生縱向的變形;后者因為垂直作用在軸線的水平面內，但因為細長軸有很差的剛性及不高的硬度，故徑向力很容易頂彎細長軸，從而發生彎曲變形［6-7］。

圖2 切削力引起的形變

2．2．2 切削熱引起的變形

在加工過程中，刀具和工件的表面之間必然會有碰撞和摩擦，所產生的熱量會導致工件的軸向伸長，使其發生伸長的變化，而輔助工件兩端的工具位置是不變的，故工件的軸向伸長由于受到擠壓作用的影響，加大了其自身的彎曲變形，溫度越高所產生的彎曲亦越大。所以在加工細長軸時，若要提高其加工精度，就必須要對工藝系統的受力情況及受熱變形問題進行控制［8-10］。

3 提高細長軸加工精度的方法

伴隨著科技的快速發展和機械制造水平的提高，細長軸所達到的加工要求也有了一定的限制，在加工難度不斷增加的同時，只有采取恰當的方法才能保證和提高其加工精度，并防止彎曲變形情況的發生。以下是提高細長軸加工精度的一些方法［11］。

3．1 細長軸的加工裝夾

細長軸自身有重量重、長度長的特點，故在機床加工時導致其容易變形和有很差的剛性，在不斷變化的沖擊式離心力和切削力作用下，使細長軸會發生很強的振動，這將導致加工系統所接觸的部位有接觸剛度和機械能的變化，包括裝夾部位等切削部位、軸的加工表面發生變化，且零件的形位誤差和加工誤差均超過了規定范圍。要解決該問題，就必須要對細長軸的毛坯進行正確的裝夾。

一般對細長軸進行裝夾時，有兩種方式:①兩頂尖;②一夾一頂。因為細長軸本身就具有一定重量，當利用兩頂尖的方式進行裝夾時，會由于自身重力而發生彎曲變形，而且當進行加工時，會受到切削力的作用，有可能導致細長軸的頂出和脫落。所以，在實際加工時，要選用一夾一頂式對細長軸的裝夾。

3．2 輔助支撐的選擇

一般細長軸所采用較好的定位方式為一夾一頂的方式，但這種裝卡方式會不能控制細長軸由于熱變所引起伸長量，而且因為切削力的影響對導致細長軸產生徑向彎曲，所以需要利用一些輔助支撐工具(如，中心架和跟刀架等)來減小切削力造成的影響和提高細長軸的剛性。當精車細長軸時，由于已切除毛坯上的非圓部分，故可以利用中間支承的方式來增加系統的切削剛性。

3．3 切削受力的改善方法

對于有比較高剛性的細長軸而言，軸向切削力對其的影響并不大。我們知道，細長軸在加工的過程中所受的影響因素很多，軸向力只是其中的一種，而軸向力可以頂彎剛性比較差的細長軸。所以，車削細長軸時，可以采用反向切削法，該方法是刀具從卡盤向尾座沿著車床導軌的反向進行進給，該方法不僅可以解決切削力頂彎細長軸的問題，還可以減小切削力所造成的切削變形，同時，還可以提高細長軸的加工精度和效率。

4 結語

細長軸的外形雖然比較簡單，但因為其的長徑比一般大于25，剛性比較差，很容易發生彎曲變形，在對其加工時，對加工工藝有很高的要求，但技術很難掌握，但影響細長軸加工的因素很多，其中，很多因素對其加工精度有著直接或者間接的影響，所以分析和確定這些因素是十分主要的。筆者在對其彎曲變形的原因有一定了解的基礎上，提出了提高細長軸加工精度的方法(如，裝夾方式、輔助支撐的選擇、切削受力的改善方法等)。

眾所周知，細長軸是以特定的轉動速度在一個移

利用Goodman-Smith疲勞極限圖對構架的四個關鍵位置進行校核，校核結果如圖10所示，校核點的應力全部位于包絡線內部，滿足疲勞強度要求。

表5 構架關鍵位置應力情況 /MPa

圖10 構架疲勞極限圖

5 結論

以某型動車組構架為研究對象，參考《暫規》標準，對構架的強度進行了校核。

(1)在超常工況下，構架的應力小于材料的屈服極限，不會產生永久塑性變形。

(2)根據模擬運營工況下計算的應力結果，對構架的關鍵位置進行了疲勞校核，校核點的應力全部位于疲勞極限圖內部，滿足疲勞強度要求。

［1］ 張曙光．高速列車設計方法研究［M］．北京:中國鐵道出版社2009．

［2］ 商躍進．有限元原理與ANSYS實踐［M］．北京:清華大學出版社，2012．

［3］ 吳 丹．高速轉向架構架強度及模態分析研究［J］．蘭州交通大學學報，2013(1):161-163．

［4］ 米彩盈．鐵道機車車輛結構強度［M］．成都:西南交通大學出版社，2007．

［5］ 宋向輝．動車轉向架構架強度分析［J］．機械研究與應用，2012(2):1-3．

［6］ 周英雄，王 勇，宋 燁．高速動車轉向架構架靜強度試驗和仿真研究［J］．機械，2014(7):1-5．