车工论文——超 细 长 轴 的 加 工

超 细 长 轴 的 加 工

摘要

细长轴的长径比大于20，刚性很差，在加工中产生的切削力、切削热、振动等因素都将直接影响工件加工的尺寸精度和形位精度。加工难度大，当用较高的切削速度加工长径比大于100的细长轴时，则加工难度更高。细长轴常规的加工方法为一夹一顶或两顶，而本文介绍的是一种新的加工方法——两拉加工法。 关键词 细长轴 两顶 两拉 前言

以前我车间加工长径大于40，直径公差、形位公差为6级精度的细长轴，采用常规的加工方法装夹加工，很难达到加工要求，且经常造成产品在精加工时报废，而影响产品交付日期、大大提高加工成本。我们经过多次分析、试验，在零件热处理、装夹、加工方法、刀具等方面采取了一定的技术措施，可加工出长径比大于100，直径公差、形位公差较高的细长轴。直径值小于5mm的超细长轴可用“两位”方法直接加工；由于工件自身重力的作用，直径大于5mm的超细长轴要采用“跟刀架、中心架”与“两拉”联合使用的方法加工。

正文

由于细长轴的长、径比很大，刚性很差。在车削时，受切削力、装夹力、自身重力、切削热、振动等因素的影响，容易出现以下问题：

（1）切削时产生的径向切削力与装夹径向分力的合力，会使工件弯曲，工件旋转时引起振动，从而影响加工精度和表面质量。 （2）由于工件自重变形而加剧工件的振动，影响加工精度和表面质量。

（3）工件转速高时，离心力的作用，加剧了工件的弯曲和振动。 （4）在加工中，由于切削热作用，也会引起工件弯曲变形。 因此，在车削细长轴时，无论对刀具、机床、辅助工具、切削用量的选择，工艺安排和操作技能都有较高的要求。 1 合理选择切削参数 1.1 切削用量的选择

（1） 切削速度V的选择 ： 图一是没有再生颤振时的切削速度与振动强度及稳定 （a） (b) 图一 车削速度对切削稳定性的影响

(a)切速V与振幅A的关系曲线 (b)V与awlim的关系曲线 性的关系曲线。从图（a）可知，车削时， 一般当V=30~70m/mm的速度范围内，容易产生振动，此时相应的振幅有较大值，高于或低于这个范围，振动呈现减弱趋势。当加工直径小于10mm时，取v≦30m/min；当加工直径大于10mm时，取v≧70m/min。图（b）

是极限切削宽度与切速的变化关系曲线。由图可知，在高速或低速范围进行切削，自振就不易产生。特别是在高速范围内进行切前，既可提高生产率，又可避免切削颤振，是值得采用的方法。 （2） 进给量f的选择：振动强度随进给量f的增大而减小，如图二（a），极限切削 (a) (b)

图二 进给量f对切削稳定性的影响

(a) f与A的关系曲线 (b) f与awlim的关系曲线

宽度随进给量的增大而增大，如图二（b）。为了避免颤振的产生，在许可的情况下（如机床有足够的刚度，足够的电机功率，工件的表面粗糙度参数值要较低等），应选取大的进给量。故粗车时取f=0.15mm，半精车时取f=0.1mm，精车时取f=0.06mm。 （3） 切削深度ap的选择：车削时，切削宽度aw=ap/sinkr，kr为刀具的主偏角。切削深 （a） (b )

图三 切削深度对切削稳定性的影响

(a)ap和A的关系曲线 (b)f和ap对稳定性的影响

度对切削稳定性的影响如图三所示，由图可知随着ap增大，振动不断加大。当f增大时，极限切断深度也随之加大。所以，为了加大极限切削深度aplim必须增加进给量f，这有利于发挥机床的功率，提高生产效率。故粗车时取ap =1mm，半精车时取ap =0.5mm，精车时取ap =0.1mm。

（4） 应尽量避免宽而薄的切屑的切削，否则极易颤振。 1.2 合理选择刀择刀具几何参数

刀具几何参数的合理选择，常常是实现稳定切削简便而行之有效的方法。

（1） 前角r0 ： 前角r0对振动的影响如图四所示，随着前角的增大，振动随之下降，但在切前速度较高的范围内，前角对振动的影响将减弱。由于细长轴车削速度一般不会太高， 图四 刀具前角对振动的影响 图五 刀具主偏角对振动强度的影响

故此在粗加工中取r0=20°，精车时取r0=25°。

（2） 主偏角Kr 主偏角Kr对振动强度的影响见图五，当切削深度和进给量不变时，随着主偏角的增大，振幅将逐渐减小，这是因为径向切削力减小了，同时实际切削宽度aw将减小。在粗车削细长轴时取Kr=75～80°，精车时取Kr=85～90°的刀具进行切削，可避免或减小振动。

（3） 后角a0 一般来说，后角对切削稳定性无多大影响，但当后角减小到2~3°时，使振动有明显的减弱，在生产中也发现，后刀面有一定程度的磨损后，会有显著的减振作用。 （4） 刀具圆弧半径rs 刀尖圆弧半径rs增大时，径向分量力随之增大，为避免自振rs越小越好。但随rs的减小，将会使刀具寿命降低，同时也不利于表面粗糙度的改善。故加工时，断屑槽宽度取R1.5～3,刀尖圆弧r=0.5.

2 细长轴加工中应采用的技术措施。 （1） 细长轴加工中传统的加工方法：

传统装夹方法一—两顶（即为一夹一顶），其一般都利用过定位原理，使用跟刀架或中心架作为辅助支撑来增加工件的刚性。通过调节尾座的回转中心提高工件的同轴度；在装夹时，尽量采用线接触以起到一定的方向调节的作用。这一加工方法，对要求不高的细长轴没有问题，但对于精度要求高或长径比很大的超细长轴就很难加工出合格产品。由于顶尖的顶力作用，致使轴在加工中受到的径向弯曲力加大，从而使轴的弯曲变形加大，轴的加工精度降低。再加之切削热及跟力架与中心架的摩擦热使工件产生热膨胀，工件胀长增大了轴的弯曲度，另外跟力架与中心架的脚爪中心线可能与轴中心线不完全同心。因此，一夹一顶的传统方法，加工超细长轴，即使使用中心架、跟刀架来增加零件的刚度，也不能很好的消除弯曲变形，，加工精度低。。 （2） 细长轴两拉加工法。

针对传统装夹方法的缺陷，可以采用两拉（即一夹一拉）的装夹方法来解决这一问题，装夹时仍需要在夹紧层上垫一开口钢丝圈，使工件与卡爪之间的夹持变为线接触，以起到类似万向节的作用，工件的另一端由改制的顶尖（如图六所示）拉紧，其拉紧力越大加工效果就越好。

根据前面的分析可知，两位加工方法，由于两端拉力，致使轴在 加工中受的径向弯曲力减小，而使轴的弯曲变形减小； 图六 改制顶尖

再加之切削热及摩擦热是使工件受热膨胀增长，两拉作用力能很好地防止工件胀长顶死而弯曲变形，故此，两拉加工方法与传统加工方法相比，能有效地提高工件的加工精度。 （3） 细长轴的两拉车削工艺：

细长轴一般采用先按改制后的顶尖内螺纹孔配车拉螺纹：粗车→半精车→精车→拉螺纹。装夹中如用跟刀架或中心架，应注意保证其各脚爪面有80%～90%的部位与工件配合。装刀要高于中心线0.1mm，以减小切削力。

首先：校直工件，然后进行粗车，切削时如没有出现问题，中途不能停车，因车刀不断有正常磨损，所以不时要用外卡（凭经验）测量刚切削出来的轴径变化。同时应适当微量进刀，补偿车刀的磨损量，粗车后表面粗糙度可达12.5。如开始切削工作出现有竹节、麻花、振纹等现象时，要退刀，这时可减慢一档速度或轴中间加可摆动的木垫作辅助支承（视加工轴的大小），即可减少离心力起减振作用。要注意的是：“粗车第一刀一定要切净黑皮”。因工件表皮的硬度不一，且有弯曲，所以粗车后的轴一定有弯曲变形现象，要视变形大小，再交校直工件。

其次：半精车，换上车刀，换上小一级数的跟刀架、中心回、卡爪的脚爪（视轴的大小而定），重复粗车时的各项程序进行切削，半精车后轴通常不会弯曲变形，表面粗糙度可达6.3左右。 最后：精车，刃口与工件接触面约是进给量的1.5~2倍，如采用低速精车，中途可随意停车测量工件尺寸变化，也可在切削中作微量补偿进给。这样虽然便于控制工件尺寸精度。但不便于提高其表面质量。我们在生产中多采用红硬性、耐磨性都很好的刀片，进行较高速切削，尺寸精度可达6级，表面粗糙度可达1.6以上。 （4） 采用合理的进给方式

采用反向进给，即车刀向尾座方向作进给运动，这样作的目的是减小车削的轴向分力对工件弯曲变形的不利影响，工件已加工部分受轴向拉伸，弯曲变形减小。且反向进给相对于正向进给而言，平稳性和抗振性好，更容易保证产品的质量。 （5）使用冷却液充分冷却

在零件加工时，由于切削热引起零件变形，变形量公式为： △L=L.a.△t

式中：△L——工件伸长量，单位为mm L——工件总长，单位为mm a——材料线膨胀系数，1um/℃ △t——工件升高温度，℃。

由变形量公式可知，热度形量与温升成正比，因此，必须有效控制零件温升。采用冷却液对加工工件进行充分冷却、润滑，吸收

切削产生的热量，改善刀具与工件的摩擦情况，降低切削热、减小热变形和刀具磨损，从而提高加工精度。

结 论：通过多次实验，按照本文提出的加工方法能加工各种超细长轴，包括比车床加工范围长两倍以内的细长轴，能保证工件的尺寸精度和形位精度。 参考文献

1、机械制造工艺学（修订本）机械工业出版社出版 1982年1月北京第一版

2、金属切削工具 上海科学技术出版社出版 1984年12月第1版

3、金属工艺学 高等教育出版社出版 1982年4月第2版

本文作者(姜广美),请您在阅读本文时尊重作者版权。

摘要: 从细长轴车削加工的特点入手,着重研究和探讨在细长轴车削加工中,车刀主要几何参数的选择、切削用量三要素的选择,以及车削细长轴经常遇到的问题的处理方法,这对生产实践具有很好的指导作用。

关键词: 细长轴;几何参数;切削用量;解决办法1 细长轴的加工特点

所谓细长轴是指轴的长径比l/d≥20 的轴,当l/d≥100时则称为细长杆。细长轴加工特点:

1)刚性差细长的工件由于自重下垂,高速旋转时受到离心力、车削时受到切削力都极易使其产生弯曲变形。工件弯曲越大,车削时振动越大,表面质量精度也越难以保证。

2)热变形大细长轴车削时热扩散性差、线膨胀大,当工件两端顶紧时易产生弯曲变形。

3)加工疵病多在细长轴加工的整个工艺过程中,要求操作者技术水平高,操作细心,如某一加工环节处理不当,就容易产生问题,如径向跳动、弯曲及产生竹节、波纹、锥度等加工疵病。因此,在车削细长轴时,对机床的调整、辅具的应用、刀具、切削用量等都提出了较严格的要求。

2 具体措施

2.1 使用中心架或跟刀架

1)使用中心架支承车细长轴。中心架直接支承在工件中间 当工件可以分段车削时,中心架支承在工件中间,这样支承,L/d值减少了一半,细长轴车削时的刚性可增加好几倍。在工件装上中心架之前,必须在毛坯中部车出一段支承中心架支承爪的沟槽,表面粗糙度及圆柱度误差要小,否则会影响工件的精度。车削时,中心架的支承爪与工件接触处应经常加润滑油。为了使支承爪与工件保持良好的接触,也可以在中心架支承爪与工件之间加一层砂布或研磨剂,进行研磨抱合。

2)用过渡套筒支承车细长轴。用上述方法车削支承承中心架的沟槽是比较困难的。为了解决这个问题,可加用过渡套筒的处表面接触。过渡套筒的两端各装有四个螺钉,用这些螺钉夹住毛坯工件,并调整套筒外圆的轴线与主轴旋转轴线相重合,即可车削。

3)使用跟刀架支承车细长轴。跟刀架固定在床鞍上,一般有两个支承爪,跟刀架可以跟随车刀移动,抵消径向切削时可以增加工件的刚度,减少变形。从而提高细长轴的形状精度和减小表面粗糙度。跟刀架的设计原理来看,只需两只支承爪就可以了,因车刀给工件的切削抗力,使工件贴住在跟刀架的两个支承爪上。但是实际使用时,工件本身有一个向下重力,以及工件不可避免的弯

曲,因此,当车削时,工件往往因离心力瞬时离开支承爪、接触支承爪而产生振动。如果采用三只支承爪的跟刀架支承工件一面由车刀抵住,使工件上下、左右都不能移动,车削时稳定,不易产生振动。因此车细找轴时一个非常关键的问题是要应用三个爪跟刀架。

2.2 减少工件的热变形伸长

车削时,由于切削热的影响,使工件随温度升高而逐渐伸长变形,这就叫“热变形”。在车削一般轴类时可不考虑热变形伸长问题,但是车削细长轴时,因为工件长,总伸长量长,所以一定要考虑到热变形的影响。由于工件一端夹住,一端顶住,工件无法伸长,因此只能本身产生弯曲。细长轴一旦产生弯曲后,车削就很难进行。减少工件的热变形主要可采取以下措施:1)使用弹性回转顶尖。用弹性回转顶尖加工细长轴,可有较地补偿工件的热变形伸长,工件不易弯曲,车削可顺利进行。2)加注充分的切削液。车削细长轴时,不论是低速切削还是高速切削,为了减少工件的温升而引起热变形,必须加注切液充分冷却。使用切削液还可以防止跟刀架支承爪拉毛工件,提高刀具的使用寿命和工件的加工质量。3)刀具保持锐利。以减少车刀与工件的摩擦发热。

2.3 合理选择车刀几何形状

刀具几何参数的合理选择,常常是实现稳定切削简便而行之有效的方法。

1)前角r0。前角r0对振动的影响,随着前角的增大,振动随之下降,但在切前速度较高的范围内,前角对振动的影响将减弱。由于细长轴车削速度一般不会太高,故此在粗加工中取r0=20°,精车时取r0=25°。

2)主偏角Kr。主偏角Kr对振动强度的影响,当切削深度和进给量不变时,随着主偏角的增大,振幅将逐渐减小,这是因为径向切削力减小了,同时实际切削宽度aw将减小。在粗车削细长轴时取Kr=75～80°,精车时取Kr=85～90°的刀具进行切削,可避免或减小振动。

3)后角a0。一般来说,后角对切削稳定性无多大影响,但当后角减小到2～3°时,使振动有明显的减弱,在生产中也发现,后刀面有一定程度的磨损后,会有显著的减振作用。

4)刀具圆弧半径rs。刀尖圆弧半径rs增大时,径向分量力随之增大,为避免自振rs越小越好。但随rs的减小,将会使刀具寿命降低,同时也不利于表面粗糙度的改善。故加工时,断屑槽宽度取

R1.5～3,刀尖圆弧r=0.5。

2.4 合理选择切削用量

1)切削深度(t)。在工艺系统刚度确定的前提下,随着切削深度的增大,车削时产生的切削力、切削热随之增大,引起细长轴的受力、受热变形也增大。因此在车削细长轴时,应尽量减少切削深度。

2)进给量(f)。进给量增大会使切削厚度增加,切削力增大。但切削力不是按正比增大,因此细长轴的受力变形系数有所下降.如果从提高切削效率的角度来看,增大进给量比增大切削深度有利。随着数控技术的不断创新和突破,五轴加工被越来越多的行业所采用,如航空航天、电力、船舶、高精密仪器、模具制造等。然而,自动编程软件在五轴加工技术中起关键性作用,因为刀具轨迹的工艺排布、刀具夹头与工件或与工装夹具之间的干涉检查、毛坯残留量的识别,都由软件自动考虑,编程人员是无法通过计算来实现的,他们只是根据经验进行切削参数的优化,来得到更合理更有效的加工轨迹。

3)切削速度(v)。提高切削速度有利于降低切削力。这是因为,随着切削速度的增大,切削温度提高,刀具与工件之间的摩擦力减小,细长轴的受力变形减小。但切削速度过高容易使细长轴在

离心力作用下出现弯曲,破坏切削过程的平稳性,所以切削速度应控制在一定范围。对长径比较大的工件,切削速度要适当降低。 3 结论

细长轴的车削加工是机械加工中比较常见的一种加工方式。由于细长轴刚性差,车削时产生的受力、受热变形较大,很难保证细长轴的加工质量要求。通过采用合适的装夹方式和先进的加工方法,选择合理的刀具角度和切削用量等措施,可以保证细长轴的加工质量要求。

参考文献:

[1]劳动和社会保障部教材办公室组织编写,车工工艺学,中国劳动社会保障出版社,2005.6.

[2]王先逵,机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,2006.

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