車削細長軸的對策研究

馬元普

[摘要]文章從細長軸的結構特點出發，分析了影響細長軸加工精度的因素，并針對產生誤差的根源，從裝夾方法、跟刀架、車削方式、車刀角度等方面提出改進措施，從而滿足了加工要求，提高了生產效率。

[關鍵詞]細長軸；加工精度；影響因素

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.02.058

“車工怕桿，鉗工怕眼”是大家都熟悉的口頭語，細長軸工件長徑比（L/D）較大（≥25），剛性差，對于切削力、振動和切削溫度十分敏感。車削加工時，很容易產生彎曲變形和振動，從而影響加工精度，得不到準確的幾何形狀精度和理想的表面質量。尤其是加工絲桿和精車長軸外圓，若不能提高其機械加工精度，將極大地影響產品質量。

通過多年生產和實訓教學，筆者在這方面進行了研究和探討。

1影響細長軸加工精度的因素

1.1切削力

在切削過程中，有大小相等、方向相反的力分別作用在刀具和工件上，這個在切削過程中產生的力，稱為切削力。切削力是怎樣產生的呢？原來切削時，在刀具的作用下，切削層金屬、切屑和工件表面層金屬都會產生彈性變形和塑性變形。又由于切削沿前刀面流出，故有摩擦力作用于前刀面。同時，又因刀具和工件間的相對運動，還有摩擦力作用于后刀面。所以，變形抗力和摩擦阻力形成了切削合力Fr。切削合力可以分解成3個互相垂直的力：切向力（主切削力）Fz，徑向力（切深抗力）Fy，軸向力（進給抗力）Fx，如圖1所示。一般情況下，主切削力Fz最大，Fy、Fx小一些，隨著刀具幾何參數，切削用量、刃磨質量的不同，Fy、Fx相對于Fz的比在很大范圍內變化：

Fy=（0.15～0.7）Fz

Fx=（0.1～0.6）Fz

車削外圓時，Fz是計算切削功率的重要依據。Fy雖不作功，但能使工件變形或造成振動，對加工精度或已加工表面質量產生影響。

圖1切削合力和分力

Fx作用在進給機構上，用于設計或校核機床進給機構強度。由于細長軸剛性很差，車削加工時，Fy會使車刀同時在y、z方向產生變形，形成加工誤差，Fx在軸向對工件產生作用，如果軸的兩端為固定支承，會將工件“壓彎”。總之，裝夾不當，細長軸很容易因切削力及重力作用而彎曲變形，產生振動，特別是長徑比較大時，自重力越大，這種彎曲變形和振動就更為顯著，從而降低加工精度，造成表面粗糙。

1.2切削熱

車削時，由于切削熱的影響，工件隨溫度升高而逐漸伸長變形，這就叫“熱變形”。工件熱變形伸長量可按下式計算：

從上式可看出，在車削一般軸類時可不考慮熱變形伸長問題，但是車削細長軸時，因為工件長（L長），散熱性差（Δt高），軸向尺寸在切削熱的作用下，會產生相當大的膨脹，如果軸的兩端為固定支承，則會因受擠而彎曲變形。當軸以高速旋轉時，這種彎曲所引起的離心力將進一步加劇軸的變形與振動。

此外，加工細長軸一次進給所需的時間長，刀具磨損大，從而增加了工件的幾何形狀誤差。

由此可知，車削細長軸對刀具、機床精度、輔助工具精度、切削用量的選擇、工藝安排與具體操作技能都應有較高的要求，是一項工藝性較強的綜合技術。“車工怕桿”的原因也就在此。為消除和減少上述誤差，解決細長軸的加工精度問題，在實踐工作中我們從提高產品質量和生產效率入手，總結了一套車削細長軸的加工方法，并改進了工藝裝備，保證了細長軸的加工質量。

2提高細長軸加工精度的措施

2.1校直

校直可使車削余量均勻，減少車削振動，提高車削質量。坯料校直后，要求在任意1000mm的長度內其直線度誤差不大于2mm，這可使切削后的表面殘余應力保持較均勻，減少工件在使用中產生變形。

2.2調整尾座

使工件開始車削的一端外徑比另一端外徑大0.02mm～0.04mm，減少由于跟刀架爪腳或車刀磨擦所造成的錐形誤差。

2.3改善裝夾方法

（1）細長軸加工往往采用一夾一頂安裝工件，用這種裝夾方法時，由于頂尖孔與卡爪基面往往不同軸，因而會形成裝夾過定位而使工件彎曲變形。所以工件不宜夾得過長，一般在15mm左右，最好在毛坯的外圓上套上一個開口的φ4mm～φ5mm的鋼絲圈，再伸入卡盤用卡爪夾緊（鋼絲應在卡爪凹槽的同一圓周位置上），使毛坯與卡爪間成線接觸，起萬向調節作用，從而避免了接觸面過大。如圖2所示。

圖2毛坯裝夾與反向走車削示意

（2）在尾座上改用彈性回轉頂尖來適應工件熱變形伸長。

彈性頂尖的結構見圖3。頂尖1用深溝球軸承2、滾針軸承5支承徑向力，推力球軸承4承受軸向推力。在深溝球軸承和推力球軸承之間，放置三片厚2.5mm的碟形彈簧3。當工件變形伸長時，工件推動頂尖通過深溝球軸承，使碟形彈簧壓縮變形。生產實踐證明，用彈性回轉頂尖加工細長軸，可有效地適應工件熱變形伸長，工件不易彎曲，車削可順利進行。不過，頂尖頂住工件的松緊也要合理以既能隨工件轉動，又能用右手食指和拇指捏停頂尖為宜。

圖3彈性回轉頂尖

1-頂尖；2-深溝球軸承；3-碟形彈簧；4-推力球軸承；5-滾針軸承

2.4跟刀架的改進與正確使用

（1）快裝拆式三爪跟刀架。跟刀架是加工細長軸極其重要的附件。夾角90度的三爪結構比夾角105度的兩爪結構，易平衡徑向切削力，支承均衡性好。跟刀架爪腳采用耐磨的球墨鑄鐵材料，在粗加工和半精加工時爪腳都要研磨，使其對工件有較大的接觸弧面，根據工件不同的直徑，多配幾套級數的爪腳，并做成快裝拆式，如圖4所示，可減少研磨時間。

圖4快裝拆式跟刀架爪腳

（2）對跟刀架爪腳進行預磨損。研磨時將跟刀架的爪腳支緊工件上車過的一段外圓（這段外圓要表面粗糙，長度100毫米左右，其尺寸大小接近于加工所要求的尺寸而位置要盡量靠近卡盤），由大拖板作縱向來回移動，干磨跟刀架爪腳面（注意適時調整跟刀架爪腳，始終與工件接觸）。當接觸面達65%左右，再加乳化液精磨，直到爪腳圓弧有80%～90%部位與工件表面吻合，以增大爪腳和工件的接觸面積，減少爪腳在車削中的磨損。

（3）車支撐處外圓的要求：直徑圓度好，光潔，不能有其他變形等缺陷，支撐處外圓的長度一般比支撐爪長15mm左右。支撐處外

圓與毛坯外圓相交處，宜車一個40度左右的錐度（見圖2），以使接刀時切削力逐步增加，不會受突然沖撞力造成讓刀和工件變形。

（4）跟刀架爪腳（寬度約為零件直徑的1～1.5倍）應支于已加工表面，位于車刀后面0.5mm～2mm處，并逐步壓向工件，以手感無振為宜，并加油潤滑。粗車時，應將毛坯一次進給車圓，以免影響跟刀架的正常工作。當采用寬刃大進給車刀精車時，爪腳可位于車刀的前面，以防工件精車過的表面出現劃痕，間距同上。

2.5采用反向進給法

細長軸用一夾一頂法裝夾時，若用正向進給方式，則工件在軸向力Fx的作用下產生壓縮變形而彎曲。如采用反向進給方法，此時Fx對工件的作用（卡盤至切削所在點的一段）是拉伸而不是壓縮，同時采用彈性的尾座頂尖，有效補償了刀具至尾座一段工件的受壓變形和熱伸長，這樣就不至于將工件壓彎。反向進給法適于中速粗車和大走刀低速精車，并具有適應性強，對機床精度要求不高，加工效率較高等特點。

2.6選用合適的刀具角度和切削用量

粗車使用的刀具采用圖5所示的反偏刀，刀片材料為YT15硬質合金，主偏角κr=75～90度，以減小徑向切削力Fy，從而減小Fy引起的振動，前刀面上4mm～5mm斷屑槽，其目的也是減小切削力和切削溫度，防止工件的變形和振動。

精車使用圖6所示的寬刃彈簧車刀，彈性刀桿有利于減振和避免扎刀。采用W18Cr4V高速鋼刀片，同時，刀刃要光滑平直，前角大，切削輕快，使切屑排出流暢，這樣可解決由于切削熱產生線膨脹和徑向力使工件彎曲的問題。

刀具安裝時，粗加工和半精加工刀尖應高于工件中心0.2mm～

0.5mm，精加工刀尖應高于工件中心0.1mm～0.2mm，這樣安裝不僅增大了工作前角，而且使主后刀面起到約束工件上下竄動的作用，減少工件的低頻振動。如用低速寬刃車刀精車時，刀尖應等于或低于主軸中心。

切削用量的選擇：

粗車時，ap=1.5～3mm，f=0.3～0.5mm/r，v=25～35m/min，采用2%～3%乳化液充分冷卻。

精車時，ap=0.15～0.3mm，f=3～5mm/r，v=1.8m/min，采用30號機油充分冷卻。

需要強調的是，切削細長軸必須加注切削液充分冷卻，以降低工件的溫度，減小熱變形。并且還可防止跟刀架爪腳拉毛工件，提高刀具的使用壽命和工件的加工質量。

圖5反偏刀

圖6寬刃彈簧車刀

3實施效果

采用以上措施和精心操作，使細長軸的加工精度大大提高，如車削45鋼φ40Cp=CB×N×f1×f2×f3×…×fm×2000mm的細長軸，圓度0.01mm，圓柱度0.04mm，直線度0.05mm，Ra0.8um～1.6um，達到設計要求，提高效率4～6倍。

4結論

本文提出的加工方法，具有操作簡單、成本低、加工精度高等特點，并且符合普通加工廠家的實際生產狀況，具有良好的應用前景。

需要提出的是，由于細長軸加工工藝系統復雜，稍有疏忽就可能出現問題。在加工中，除了提供必要的工藝保證措施外，還應隨時眼看、耳聽、手摸發現問題和解決問題，不斷提高細長軸的加工工藝水平。

參考文獻：

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