細長軸的加工工藝分析

宮樹紅

（首鋼長治鋼鐵有限公司， 山西 長治 046031）

某機械廠需要加工細長軸結構（見圖1），由于細長軸的工藝加工比較特殊，不同于一般長軸的長徑加工技術要求，工廠需要采用校直機對棒料進行校直，在C630 機床運用跟刀架，通過一頂一夾裝夾的方式搭配小切削用量。但是在這樣的車削加工過程中，整個系統所受外力影響發生變形，依然無法在C630 車床上車削獲得如圖1 所示的表面質量[1]。系統變形關鍵在于工件變形，所以提升工件剛性作為解決超細長軸車削工藝質量問題的關鍵，通過分析工件的受力情況，建立切削作用力下工件發生彎曲變形的解析模型，在此基礎上優化工藝措施，達到加工工藝目標[2]。

圖1 細長軸（mm）

1 細長軸結構分析

細長軸的長徑比在20 以上，長徑比越大工藝剛性也就越差，易發生彎曲變形情況。通常情況下細長軸包括兩類結構形式，一類是光杠、機床絲桿和操縱桿之類的長絲杠、無臺階光軸結構，在此種細長軸結構加工中，可以選用跟刀架、中心架達到輔助支撐效果[3]。另一類是在細長軸兩側均有臺階，還有個別中心空細長軸情況，但是這類在加工操作中整體難度較大，極易發生振動與變形。拉絲機收線軸作為比較典型的細長軸工藝案例，作為中間粗兩端細的工藝結構，在細長軸兩端設計了軸承擋外圓，但是這種外圓一般有著較高的加工工藝技術要求，對形位公差、表面粗糙度和工藝尺寸精度均有嚴格要求。

2 細長軸加工工藝

通常情況下，細長軸加工工藝過程可以劃分為粗加工、半精加工、精加工，在加工中應當安排多次處理工序，這樣才能對加工工序中所受內應力這一影響因素進行有效消除。例如減少細長軸加工工件的彎曲變形，包括人工時效、調質處理、正火等工序，在細長軸加工中兩端中心孔是關鍵基準，這就需要在精加工前對兩端中心孔進行高品質研磨[4]。在粗加工中因為余量較多及較大切削力，所以完成細長軸工件加工后發生較多的變形彎曲情況，反向切削工藝因為走刀反向主軸進給尾座方向，進而形成切削作用力，再加上工件安裝中產生軸向夾緊作用力，這樣就會有效減小切削作用力造成的工藝影響，改善切削環境，減少加工工藝中的跳動震動，也就有效降低了工件變形彎曲發生率。另外在細長軸車削加工中，要保證分裝在中拖板前后兩端的兩個刀架可以同時進刀、退刀，兩把刀可以抵消徑向切削力，這樣就無需中心架與跟刀架輔助支撐，能夠有效提升生產效率。

3 正向切削彎曲變形及受力分析

由于細長軸工件存在細長技術特點，剛性較差，所以極易在切削力作用下發生變形，通常在加工過程中可以安裝跟刀架，用力平衡徑向切削力作用（Fy），來妥善解決細長軸工件出現“頂彎”情況，但是這種操作卻不能解決軸向切削力作用（Fx）下產生的工件“壓彎”問題，對此應當運用小切削用量[5]。對于車削細長軸關鍵要解決工件發生彎曲變形，正向切削的受力情況（見圖2）。

圖2 正向切削情況下軸受力力學模型

依據材料力學理論可以建立細長軸力學模型，公式如下[6]：

4 工藝優化

4.1 夾具

依據上述分析，正向切削和有關工夾方式未能達到生產要求，根據反向切削受力情況分析為依據，提出合理工件裝夾方案。在反向切削過程中可以產生使工件受拉力作用的軸向切削力Fx，減小所受徑向切削力Fy影響作用下的壓彎幅度，可以有效減小切削振動[9]。這時可以認為工件僅僅Fy會所致彎曲變形（見圖3）。

圖3 反向切削軸受力情況及力學模型

同理可求解反向切削情況下梁撓軸線的微分方程式如下：

經過計算卡盤夾緊的頂尖支承在正向切削、反向切削的加工彎曲變形量，能夠發現反向彎曲的變形量呈逐漸遞減趨勢。

4.1.1 調整工件裝夾方式

在一夾一頂裝夾中，可以對三爪卡盤自定心裝夾方式下，保證細長軸工件的軸線，能夠保證工件的設計基準與定位基準相重合，尾座頂尖彈性設計，能夠對刀具和尾座這段工藝過程中，因產生受壓作用力所致變形發熱情況進行有效補償，這樣可以避免工件壓彎。還要保證彈性頂尖的中心線，經過調整能夠與車裝主軸相一致，并且運用恰當頂尖頂住工件適中松緊度，轉動工件保證拇指、食指捏住頂尖能夠停止轉動。并運用粗車刀車出50～80 mm 范圍內，裝上三爪跟刀架，使用托架輔助支承，跟刀架支承爪裝設于刀尖后1～2 mm 范圍內，運用跟刀架作用軸向切削力，避免振動全長度粗車，在精車過程中車刀和跟刀架位置互換，可以運用粗車過的表面完成定位，確保切削區域和支承部位冷卻潤滑。

4.1.2 調整跟刀架、托架、石蠟塊

需要對跟刀架各支承爪與工件間隙進行不斷調整，經澆注機油形成動壓油膜，經差動螺桿調整托架拖輪與工件接觸面，2 個拖輪組合形成V 形塊，這樣可以有效改善工件自定心，依據工件長度，在工件下面墊放不等距石蠟塊，方便切削過程中可以隨時放取，還要確保拖板可以正常進給。石蠟塊可以直接在床身墊放，具體的墊放厚度需要以保證工件提供輕微托牢作用力為宜，將石蠟塊制作半圓弧凹坑，能夠達到潤滑、消減振動作用。在這種一夾一頂的裝夾方式下，通常在車削工件、卡爪兩者之間，由于較長接觸面產生過定位情況。為了預防預加應力所致變形與完成車削后重新恢復彎曲應力，需要將Φ4 mm×30 mm 規格的一個鋼絲圈，墊進工件裝夾部位和卡爪之間，保證墊入長度達到15～20 mm，這樣工件的圓柱面和卡爪兩者之間就可以構成線接觸。

4.2 工件刀具

事先需要利用專用校直機對棒料進行校直，經百分表校正工件和機床主軸保持同軸。因為細長軸的安裝結構剛性較差，無法承受較大切削力，因此對車刀刃磨技術要求極高，需要確保車刀的鋒利性，正確的車刀幾何角度，其中會對主偏角、前角、刃傾角有較大影響。在粗加工過程中，為了減小切削力應當控制車刀主偏角在90°以上，一般為93°；增大前角可以有效減少工件加工中的切削力和切削熱，對前角取值通常控制在15°；前刀面磨出3 mm 左右直線型斷屑槽，此斷屑槽要控制深度在1.5 mm～2 mm 范圍內，取刃磨刃傾角約為10°，這樣能夠讓切削產生切屑流向待加工表面。在精加工過程中，由于余量不多，所以切削力也較小，為了確保與工件質量要求相符，就要確保車刀的鋒利程度，刀尖圓角小且磨有修光刃，一般刃傾角為負值，這樣能夠有效預防車刀磨鈍情況下扎入工件。隨著近年來數控技術水平不斷提升，數控刀具被廣泛應用于普通車床中，很好的解決了刀具刃磨角度與安裝要求。

4.3 機床

主軸純徑向移動和軸向移動并不會影響外圓加工，主軸純角度擺動會對工件形狀精度造成主要影響，但是工件圓柱度僅僅為0.03 mm 公差，需要對機床主軸跳動量調整在0.01 mm 以內滿足要求，導軌在垂直面彎曲并不會很大程度影響加工精度，所以可以對這一精度影響因素忽略不計，但是不可以忽視水平面內同樣大小的導軌彎曲。所以可以對床身導軌處于水平面上直線度進行調整，控制在0.04 mm 以內，還要調整導軌和各拖板之間形成合適間隙[7]。

4.4 輔助調整

在細長軸加工中所運用的跟刀架、中心架、尾座頂尖等，均屬于輔助性支撐，在對這些輔助性裝置的操作中，為了能夠有效增強細長軸加工工件的整體剛性，以及在切削加工工藝中，保證同軸度與圓柱度。在切削工藝中跟刀架，通常適用于對無臺階、細長絲杠這兩類細長軸產品加工，但是也有一定局限性，所以調整中心架就十分重要。在安裝中心架的過程中，要以細長軸工件的重量、長度、轉速等為依據，對中心架支撐爪所在位置及時調整，保證細長軸的加工工件在表面旋轉軸心，可以和車床主軸保持軸向重合，在加工中需要提前進行潤滑處理，這樣是為了有效預防過熱所致磨損情況[8]。在進行細長軸加工過程中，無論一夾一頂，或者是雙頂尖，在不同的加工工藝形式中，尾座頂尖都是細長軸加工所必需的輔助類支撐設備，應當在粗加工中應用彈性回轉頂尖，可以對切削熱所致細長軸工件發生熱變形情況有效補償。精加工需要運用硬質合金固定頂尖，較高定心精度與極好的剛性，更可以確保工件質量要求[9]。

4.5 切削用量選擇

在細長軸切削工藝加工中，切削用量作為主要參數，切削速度用VC表示，走刀量用f 表示，吃刀深度用t 表示，在切削中想要充分發揮加工機床與刀具的性能，就要保證切削用量選在合適范圍內，這樣才可以充分提升生產效率，保障細長軸工件的加工質量。在粗加工過程中為了減少加工耗時，將多數不必要的加工余量去除，僅剩合適的精加工余量，這樣可以通過大切深、大走刀的方式，選用合適的切削用量。在粗加工細長軸中，吃刀深度在t=2～3 mm，走刀量f=0.3～0.4 mm，切削速度控制在120～150 m/min 范圍內，確保流暢穩定的切削過程。精加工中為保障工件的加工質量，選用雙頂尖加工工藝，利用中心架、跟刀架等輔助支撐，提高整個結構的安裝剛性，控制精加工的切削用量。一般細長軸精加工中，吃刀深度在0.1～0.2 mm 之間，走刀量在0.10～0.15 mm 之間，切削速度需要以細長軸的工件加工長徑比與外圓尺寸為依據，對切削速度適當提升，同時也要注意預防出現震紋缺陷。

5 結語

在細長軸加工中，需要結合毛坯加工形式、重量和產品批量，合理選用加工工藝，正確選擇裝夾工藝，保證車刀幾何角度與切削用量合理性，成功克服切削中剛性較差、易彎曲變形等因素，從多方面確保細長軸加工質量要求。