細長軸切削加工技術分析

遲 清

（濟南大學，山東 濟南 250002）

作為軸類零件，細長軸工件在不同機械中均有著普遍運用，其存在剛性差的問題，所以在開展細長軸切削加工處理時，切削震動、外力導致彎曲變形、道具磨損和工件熱伸長等是幾大關鍵質量影響因素。正因為剛性差、長徑比大是細長軸零件的顯著特點，所以受重力和切削力的綜合作用，工件會出現彎曲變形的狀況，在加工后會呈紡錘形，且在實際加工時也會因為外力而出現震動狀況，使工件表面質量大大降低。因為細長軸的軸向尺寸較大，會使一次走刀時間延長，從而存在磨損刀具問題，也可能會致使軸向的工件形成錐度。此外如果沒有合理地選取夾緊方式，受切削力的影響會出現熱變形狀況，進而形成附加力，同樣會壓彎工件，無法達到理想的工件加工質量。對此，在實踐工程開展時，需要通過調整工件夾緊定位、變換切削方式削弱影響力、優化切削參數或誤差補償等措施，有效提高細長軸零件加工質量。

1 夾緊方式

在細長軸切削加工過程中，主要會應用一夾一頂、兩端頂及一夾一拉三種夾緊方式。其中一夾一頂方式具有良好的夾持剛性，需要分別利用卡盤、頂尖進行夾緊和支撐，容易出現熱伸長尾臺鎖死導致無法釋放應力的狀況，從而增大工件軸向壓力，出現工件彎曲的后果。在該夾緊方式的豎直平面力學簡化模型中，進給力、主切削力分別為Ff、Fp，頂尖的頂緊力為F2，刀尖和工件接觸位置為C，具體詳見下圖1。

圖1 一夾一頂夾持方案的力學模型（以正向加工為例）

如圖所示，細長軸的裝夾方式是超靜定結構，需要準確保持尾臺、主軸的高度一致，避免形成附加力。在細長軸實際切削加工時，通常會將鋼絲圈設置在工件、卡爪間，降低卡爪、工件二者的接觸面，憑借兩端鉸支的支撐作用，能夠對切削力進行抵抗，使接觸摩擦力發揮主要作用，這種夾緊方式尤其適用于切削力不大，且細長軸工件剛性較好的條件。若存在較大的熱伸長量的情況下，則需要對尾臺頂尖進行調整，轉變為彈性頂尖，從而降低熱伸長所導致的變形問題。實際操作過程中都會將工件、頂尖緊密連結起來，選取最佳彈性元件，以此來降低切削力所導致的工件軸向運動，提高工件加工質量。

兩端頂的夾緊方式需要進行兩端鉸支，同一夾一頂夾持方案相比，夾持剛性較弱。在兩端頂的豎直平面力學簡化模型中，進給力、主切削力分別為Ff、Fp，頂尖的頂緊力為F2，刀尖和工件接觸位置為C，具體詳見下圖2。

圖2 兩端頂尖夾持方案的力學模型（以正向加工為例）

一夾一拉這種夾持方案要求應用專門軸向拉緊裝置，在應用過程中需要提前準確預估工件熱伸長，如果預拉伸量過大或過小，會損傷設備零件或導致熱伸長影響大的后果。該夾緊技術需要一端借助卡盤定心來夾緊，另一端則通過拉緊裝置、卡盤來預先拉伸細長軸，以此來有效降低加工時的熱伸長影響，對加工細長軸零件非常適用。該夾持方式對零件受力方向進行了調整，使拉緊裝置的預拉力替代頂尖壓力，由此降低了工件變形、熱伸長所導致附加力等狀況，對于細長軸零件加工非常適用。在運用的過程中，應精確估測工件的熱伸長，若預拉伸量較小，則不能降低熱伸長的干擾；反之若預拉伸量較大，則會導致設備內應力增大，從而導致損傷設備零件的后果。

2 切削方式

在對細長軸工件進行切削加工的過程中，一般采用的是正向加工方式，進給力Ff在作用的過程中，工件會出現失穩、彎曲問題，造成切削震動、加工超差的狀況。所以在實踐加工時，會選取沿主軸到尾臺端的走刀方向，這種切削方式為反向加工，這樣能夠使切削力的軸向分力得到削弱，降低工件受給進力的干擾。

實際零件加工時，都會利用對稱車削的工藝方式來降低切削力影響，具體操作需要于細長軸零件兩側，對正、反兩把車刀進行安裝，均按照軸向給進，車刀徑向切削力、主切削力兩個相反方向的作用力會相互抵消，從而有效避免了工件受力損傷，減少了零件變形問題的發生。

部分學者也指出可以采用雙刀細長軸切削工藝，即將兩把車刀安裝在相同一側，對工件進行分段處理，使細長軸長徑比降低，也能夠使工藝系統剛性得到提升，但是需要技術人員擁有較高的專業能力，能夠準確調控車道位置。基于工藝系統剛性層面進行分析，在處理工件變形問題時，可以采用中心架、刀架等輔助支撐結構，找準支撐結構同工件的接觸位置、支撐點，這樣才能夠起到減少變形的作用。

3 調整切削參數及刀具角度

加工細長軸工件的過程中，技術人員還需要對切削參數、刀具幾何角度進行調控，保障加工效率和水平。通常切削深度較小，進給量較低，且切削速度較快的情況下，能夠有效降低切削力。然而切削深度較小、進給量較低時也有可能會導致細長軸加工效率不高，但是若切削速度加快，則會產生離心力，所以還要嚴格控制切削速度。細長軸切削力會受到刃傾角、主偏角、前角的影響，所以還需要按照標準規定來科學選擇刀具結合角度。

4 誤差補償

在消除加工變形這一問題上，眾多學者開展了深入的研究，因為不能從原理角度上消除加工變形問題，所以在實際加工過程中需要對不同方式和手段進行整合，一定程度上緩解切削力、熱伸長引發的變形問題，保障細長軸加工質量。然而這對技術操作人員有著較高的要求，所以實際加工難度較大，細長軸零件加工效率還有待提升。國內研究人員指出可以借助誤差補償的方式來降低細長軸零件加工變形影響，在研究中結合細長軸變形規律、特征，可以對變形力學數學模型進行構建，預先判定零件變形量，以此為依據來調整進刀量，最大限度降低工件變形狀況，使加工質量得到改善。

在誤差補償研究上，部分研究人員深入探究了刀架作用機理，對細長軸切削系統模型進行構建，開展相關仿真實驗，通過實踐研究來保障加工效率；一些學者研究基于切削力測量理論，深入探究了細長軸加工誤差的在線補償措施；也有研究人員分析了細長軸切削加工震動和補償，指出工件材料、形狀、熱處理、夾緊方式、工藝系統等多種不同因素均會影響細長軸加工變形和切削震動，所以非常有必要對準確的力學數學模型進行構建，但這在實施過程中存在一定難度，還有待進一步研究和分析。

5 切剝加工工藝規劃方案要點

5.1 明確中心位置，鉆中心孔

針對細長軸零件開展切削加工操作的過程中，可以選用最普遍的基準——中心孔，明確中心位置，為后續工序的有序開展奠定基礎。采用鉆中心孔的方式，可以有效控制工序余量，有效解決零件不平衡量及頂尖應用問題，可以保證零件加工精度。

應對機床主軸、夾具定位二者的位置關系進行精確地調節，確保刀具、細長軸零件位置的合理性，在此基礎上確定零件支撐軸徑的幾何中心，打出中心孔。對于待加工的細長軸坯件，可以利用三爪卡盤進行夾持，以免卡爪同坯件的毛刺邊緣相接觸，減少機床主軸中心線、坯件幾何中心不統一狀況的發生。細長軸坯件也要合理控制主軸的伸長長度，要按照直徑方向讓刀具開展切削處理，完成車刀平毛坯端面處理任務。如果主軸伸長長度較大，很可能引發坯件震動而損傷刀尖的現象，也會因為磨損發熱縮短刀具使用時間，降低了斷面加工質量。結束平斷面操作之后，細長軸零件應將主軸伸長長度控制在5 mm到10 mm的范圍內，并借助尾座中心鉆對中心孔進行鉆削，在縮短伸出長度時能夠有效提高加工穩定性。

5.2 軟爪夾持已加工表面

通過三爪卡盤對細長軸工件進行夾持，會對已加工零件造成一定程度的損傷，出現變形的狀況，同時引發無法確保零件同軸度和定位不精確等一系列的問題。這就需要用軟爪替代三抓卡盤的硬爪，進一步修正軟爪夾持面。因為軟爪所應用的材質相對較軟，所以不會對所夾持的細長軸工件避免產生損傷，還對軟爪的形狀、直徑進行調整，從而更好地滿足零件不同的加工及設計需求。軟爪夾持已加工表面這一改進可以有效減輕在零件表面形成的局部壓強，避免變形狀況的出現，使零件定位精確性、裝夾穩定程度得到了有效保障。由于一些細長軸零件還可能進行二次裝夾住加工，而應用軟爪就不會出現形位公差狀況，無需耗費大量的時間來進行校正，使加工效率得到了顯著改善。

5.3 冷卻液的運用

在細長軸零件加工時，還會應用到冷卻液，不僅可以起到冷卻效果，還具有潤滑作用。應在前面放置能夠開啟冷卻液的代碼指令，在系統完成冷卻液噴出操作后執行切削操作。完成零件加工后，也要在前面放置關閉冷卻液的代碼指令，使工件能夠得到良好的冷卻處理。合理運用冷卻液，能夠有效對環境溫度進行降低，在切削加工后還有利于更準確地測量尺寸，減少了測量誤差。

6 結語

在進一步提升細長軸零件加工質量的過程中，必須要持續改進、優化細長軸切削加工技術，增強加工效率及精確度。加工技術人員需要嚴格按照標準開展作業，優化選取夾緊方式、切削方式，并控制好設備參數，合理的設置刀具幾何角度，將切削進度控制在合理范圍內，以此來改善加工精度，使細長軸工件加工質量得到保障。