細長軸加工精度分析

王柄超，宗戰，黃浩倫，呂安康

（中國石油西部鉆探青海鉆井公司，青海 海西州 816400）

軸類零件主要用于支撐機器的傳動，傳遞扭矩以及承受一定的載荷，其加工精度對于機械設備的使用壽命具有十分重要的影響。隨著機械使用要求的不斷提高，就對軸類零件的尺寸、幾何形狀、相互位置以及表面粗糙度等加工精度提出了較高的要求。細長軸是指長度與直徑之比大于25的軸，在實際的加工過程中會受到多種因素的不良影響，導致其加工精度難以保障。因此，為了提高機械設備的使用壽命，就要采取有效的改善措施，對影響細長軸加工精度的因素進行有效的控制，將加工誤差控制在合理的范圍內，進而確保細長軸的加工質量符合要求。

1 細長軸加工精度的影響因素

1.1 機床的精度及磨損

（1）主軸的回轉精度。在加工過程中，當主軸發生徑向跳動后，其回轉軸線相對于刀具位置發生變化后，就會導致工件半徑發生一定的變化，進而對工件加工圓度造成直接影響；當主軸發生軸向竄動后，其回轉軸線就會發生一定的變化，進而對內外圓相對于端面的垂直度造成直接影響；當主軸發生擺動后，其回轉軸線相對于刀具在軸向和徑向位置都發生了一定的變化，對工件的圓度和圓柱度造成不良影響。

（2）車床導軌的幾何精度。導軌在垂面上的縱向平直度是指導軌與主軸之間的平行度，其發生變化后主要體現在對刀具中心高度的影響。如圖1所示，隨著刀尖位置的下降，h就會減小，工件半徑就會發生相應程度的增加，其增加量為△R，對工件加工精度帶來不小的影響。導軌在垂面上的橫向平直度是指床身前、后導軌不在統一水平上，導致刀架發生不同程度的傾斜。如圖2所示，隨著導軌高度差a的不斷增加，細長軸半徑的變化值y也不斷增加，導致其精度難以保障。

1.2 刀具磨損

圖1 縱向平直度對加工精度的影響示意圖

在加工過程中，刀具的切削行程L可以表示為：L=πDX/1000f，其中，D為工件的直徑，X為刀具移動的距離。當刀具發生磨損后，若L小于起始磨損長度L1時，刀具磨損程度的計算公式為：M=L·uB/L1，其中，M為刀具的磨損程度，μm；L1為1000m；uB表示刀具的起始磨損量；若L大于L1且小于快速磨損長度L2時，刀具磨損程度的計算公式為：M=uB+(L-L1)/1000u0，其中，u0為單位磨損；L2為8km。

圖2 橫向平直度對加工精度的影響示意圖

1.3 工藝系統受力變形

（1）車床的彈性變形。在車床進行切削的過程中，其切削力主要分布在三個不同的方向上，即Px(Fx)、Py(Fy)、Pz(Fz)，車刀上的后角使得這三個力之間互相造成影響，其中尤以Y方向的上的切削力最為敏感。車床在Py力的作用下，所發生的變形為：

Y車床=Py[(x/L)2/K主軸箱+(L-x)2K尾架/L2+1/K刀架]

其中，K主軸箱為主軸箱的剛度；K尾架為尾架的剛度；K刀架為刀架的剛度。

由上式能夠看出，機床受力變形對工件直徑變化之間的關系為2倍，因此，機床變形對工件的加工精度影響較大。

（2）工件縱向截面的受力變形。工件在Py力作用下的變形為：y工件=PyL3(x/L)2[(L-x)L]2/3EI。式中，E為工件的彈性模數，I為圓環截面的慣性矩，根據公式計算的工件受熱及熱變形對加工精度的影響如表1所示。

表1 工件受熱及熱變形對加工精度的影響表

1.4 切削熱

在加工細長軸的過程中，刀具與工件和切削之間具有高速的相對運動，在摩擦力的作用下就會產生大量的熱量。隨著熱量的不斷積累，細長軸的溫度就會逐漸升高，當超過其極限承受溫度后，細長軸就會發生不同程度的變形，對加工精度造成不小的影響。細長軸由于其自身尺寸的特點導致其熱擴散性能較差，在刀具的不斷切削過程中，熱量的擴散量遠小于聚集量，就會導致細長軸中不斷積累熱量，引起細長軸發生非常大的線膨脹，從而導致工件發生彎曲變形。一旦細長軸發生變形后，在高速旋轉的過程中，彎曲就會導致產生較大的離心力，進一步加劇工件的彎曲程度，最終就會導致車削工序無法正常進行。

2 提升細長軸加工精度的措施

2.1 改進裝夾方式

在細長軸的加工過程中，其裝夾一般采用卡盤和頂尖相結合的方式，為了避免工件在加工過程中發生移動，通常情況下頂尖都會進行強力的頂緊。但是頂尖頂的過緊會對細長軸的受熱變形帶來不小的阻礙，造成細長軸不能進行自由的伸長，導致其發生一定的彎曲；而頂尖頂的較松，就會導致加工過程中的穩定性較差，細長軸會發生移動，進而影響到加工精度。此外，頂尖孔與裝夾基面通常情況下不是同軸的，導致裝夾的過定位而使工件發生彎曲。通過在三爪卡盤與工件之間加入一個適宜厚度的鋼絲圈，將工件與卡爪之間的接觸變為線接觸，進而能夠對方向進行有效的調節，避免內應力的產生，同時還可以將頂尖設計為具有一定的彈性，有利于工件受熱時進行自由伸長，改進后的裝夾見圖3。

2.2 改進刀架

圖3 裝夾與進給示意圖

普通跟刀架與工件之間的接觸面積較小、剛性較差，無法滿足細長軸的切削要求。通過采用下圖所示的跟刀架結構，其中的三個支撐之間間隔90°，支撐材料選用HT200，軸向寬度控制在50～60mm之間。每進行一次給進操作后，其支撐面圓弧就要在徑向上進行一定的調整，同時對加工面進行更進一步的修磨，進而確保兩者之間的接觸面積大于支撐弧總面積的90%以上。通過使用改進后的跟刀架對細長軸進行加工，能夠確保工件被牢固的固定于刀具和3個支撐塊之間，進而對其上下左右等方向上的變形進行有效控制，為確保細長軸的加工精度符合要求提供可靠的保障。此外，為了避免由于工件自重所導致的彎曲變形，需要在工件的中間部分增設一可移動的木墊塊，木墊與工件接觸部位可鑿成半圓弧面，運轉時加機油潤滑，既可防止工件下垂，又有減震作用。

2.3 選擇合理的幾何角度和切削方法

在加工細長軸的過程中，為了將工件的彎曲變形控制在合理的范圍內，要求在x軸方向上的Px盡可能小，而Px主要是由刀具的前角和主偏角決定的。在確保刀具具有足夠強度的前提下，可以適當增加前角的度數，進而能夠有效減小Px的大小，從而將加工誤差控制在合理的范圍內。例如，γ0取20°，主偏角取90°，刃傾角取3°。在車削細長軸的過程中，要結合細長軸的加工要求，優選適宜的切削方法，通過采取反向進給車削方法，能夠通過Px將細長軸進行有效的拉緊，并向彈性頂尖的方向進行一定程度的壓縮，進而減小車削過程中細長軸的變形量，從而確保細長軸的加工質量。

3 結語

總而言之，細長軸的加工精度對于機械設備的正常運轉具有十分重要的現實意義，但是在細長軸的實際加工過程中，會受到多種因素的不良影響，導致其加工精度難以得到有效保障。因此，在細長軸的加工過程中要采取可靠的控制措施，對影響加工精度的因素進行合理的控制，為細長軸的精確加工提供可靠的保障。