中細長軸類工件的車削加工
2018-5-21 來源：江蘇大學基礎工程訓練中心 作者：肖克霞 葉益民
摘要：細長軸及細長軸螺紋加工是機械加工中常見的較難車削的工件，由于細長軸剛性差，車削時產生的受力、受熱變形大，難保證加工廇量。通過采用合理的工裝、選擇合理的切削用量以及較好的刀具角度，則可確保細長軸和細長軸蟬紋加工的質量及其精度。
在機械加工中，許多零件的長度與直徑之比大于２０--２５（l／D＞２０--２５），如車床光桿、絲桿、材料力學試驗臺（本中心的主推產品）中的吊桿（見圖１）等，這類零件統稱為細長軸。細長軸零件剛性差、抗彎能力弱，在車削過程中因受到切削力、重力及切削熱等因素的影響而易發生彎曲變形，使零件形成錐度、腰鼓形、水波紋及竹節紋等狀況，不僅導致加工表面質量嚴重惡化，還縮短了機床和刀具壽命。
１．細長軸車削時產生變形的原因分析
在加工中，車削細長軸彎曲變形原因主要有：
（１）切削力導致變形。在車削過程中產生的切削力可分解為：軸向切削力廠、徑向切削力Ｆｐ和主切削力Fzc。不同的切削力對細長軸產生的彎曲變形影響是不一樣的。
軸向切削力Ｆ，．的影響。軸向切削力是平行作用在細長軸軸線方向的力，當軸向切削力超過一定數值時，就會把細長軸壓彎，從而使工件發生縱向彎曲變形（一般短軸類加工可忽略，它對工件彎曲變形的影響不是十分大）。
徑向切削力ＦＰ的影響（見圖２）。徑向切削力是垂直作用在通過細長軸軸線水平平面內的，由
于細長軸的剛性差，徑向力將會把細長軸頂彎，使其在水平面內發生彎曲變形。
(2)切削熱產生的影響。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，這種現象叫熱變形。
工件長度熱伸長量公式為
通過上式可看出，工件吊桿在加工時會伸長0.267mm。而在車削時，卡盤和尾架頂尖是固定的，這樣兩者之間的距離也是不變的，由于細長軸受熱后伸長量受到限制，從而導致細長軸受到擠壓產生彎曲變形。因此，提高細長軸的加工精度，要解決工藝系統的受力和受熱變形。
2、解決細長軸車削過程中變形的工藝方法
單位的教學產品材料力學多功能試驗臺中有一根吊桿長760mm、直接14mm（見圖3），是一個比較典型的細長軸零件。在最初的加工過程中由于加工工藝的不合理，車出的工件很難達到圖樣的要求，使零件產生錐度、水波紋及竹節紋等（見圖4）缺陷。通過改進裝夾方式、調整切削用量、改變切削方式等加工工藝的變化，最終加工出合格零件。
（1）采用一夾一頂方式。如果用普通頂尖，受切削熱影響，工件肯定受到軸向擠壓面產生彎曲變形，所以頂尖采用彈性活頂尖（見圖5）使長軸受熱后可以自由伸長，提高加工精度。同時在卡盤卡爪與細長軸之間墊入一個約3--5mm的開口鋼圈，減小卡爪與細長軸的軸向接觸長度，消除裝夾時的過定位，從而減小彎曲變形（見圖6）。
采用滾珠接觸的跟刀架。生產中用跟刀架輔助支撐，以增加工件剛性和穩定性。普通跟刀架兩爪支承，但由于工件本事的向下重力和工件校直不理想，車削時瞬時離開支承爪，接觸支承爪時就產生振動，易形成水波紋。最終選擇用滾珠接觸的三爪跟刀架，使工件上下左右移動受限制，只能繞軸線旋轉，減小車削振動和工件變形，而且滾珠接觸的跟刀架將滑動摩擦變為滾動摩擦，可減小摩擦阻力。
使用跟刀架時注意：1、主軸轉速不能過高，給支撐爪上潤滑油，防止過度磨損。2、各爪支撐力要調整合理，過松不能支撐，過緊影響工件形狀精度，容易出現竹節形兒影響加工質量。
采用一夾一頂方式，方法簡潔，不需過多的輔助工具和其他輔助加工。
（2）采用反向切削法車削細長軸。切削時車刀由卡盤向尾架方向進給，稱為反向切削法（見圖7）。這時在加工中產生的軸向切削力使細長軸承受拉力，消除軸向切削力引起的變形。
反向切削法在加工時，需預先加工出一段過渡軸，但不能保證其與加工軸同軸，所以決定不采用。
（３）采用雙刀車削。雙刀車削（見圖８）是采用前后兩把車刀同時進行車削。兩把車刀徑向相對，前刀正裝，后刀反裝。車削時兩把刀產生的徑向切削力相互抵消，因此工件受力變形、振動都很小，加工的精度好。但需要改裝車床中滑板，增加后置刀架，所以成本變高，只適用于專業大批量生產。
（４）合理選擇切削用量。切削速度（ｖ）的選擇。圖９所示為削速度（ｖ）的選擇。圖９所示為關系曲線。
從圖９中可看出，車削時ｖ—般在３０￣７０ｍ／ｍｉｎ的速度范圍內，容易產生振動，此時相應的振幅值較大；高于或低于這個范圍，振動呈現減弱趨勢。所以當加工直徑＜１５ｍｍ時，取ｖ＜３０ｍ／ｍｉｎ；當加工直徑＞１５ｍｍ時，取ｖ＞７０ｍ／ｍｉｎ。
進給暈／的選擇。在機床功率剛性許４情況下選大進給量。根據經驗，粗車時取戶0.１５ｍｍ／ｒ，半精車時／＝０．１ｍｍ／ｒ，精車戶０．０６ｍｍ／ｒ。
背吃刀量 （切削深度）的選擇。隨著切削深度的增大，車削時產生的切削力、切削熱隨之增大， 起細長軸的受力、受－熱變形也增大，因此在細長軸加工時，應盡量減少切削深度。根據
５）合理選擇刀具角度。刀具幾何角度中前角、主偏角和刃傾角對切削力的影響最大。前角ｙ。。前角大小直接影響切削力、切削溫度。增大前角可使被切削金屬層的切削變形減小，通過試驗可知，當前
（６）細長軸螺紋的加工。細長軸螺紋（Ｍ１２以下）在機床上難以加工，通常采取的方式是用
板牙直接套出來（見圖１０）。
加工時用普通板牙裝置套螺紋，發現容易產生半邊切削，造成牙尖損壞、質量差、效率低和廢品率高的現象。現改裝普通板牙套如圖１０所示，以彌補存在的不足，提高細長軸螺紋的加工精度。
超長螺桿套絲夾具包括工裝超長螺桿套絲夾具包括工裝前面有保證超長螺桿加工精度的圓孔（圓孔主要起導向作用）和用來聯接圓孔的保持架，后面有固定板牙圓套，圓套上有兩個螺紋孔（一個用來聯接支撐桿，另一個用來旋轉緊固螺釘，使板牙固定在圓套上）。在加工超長螺桿時，將棒料一端夾緊，另一端放在定位圓孔內（棒料直徑比圓孔直徑小０．０５￣０．１５ｍｍ），棒料旋轉，超長螺桿套絲夾具向前走，棒料經過超長螺桿套絲夾具內板牙的加工，可加工出高精度的超長螺桿。
（７）材力架吊桿的車削方法。通過上述試驗分析，決定采用以下方法解決生產中出現的問題。
首先對機床進行了兩方面的調整：①車床主軸的調整，車床主軸過松，很容易造成在車削過適當調緊，從而防止機床跳動和竄動對零件加工的不利影響。②尾座的調整，如果尾座的中心線和主軸的中心線不在一條水平線上，產生同軸度誤差，車出的工件一定會出現錐度。
其次對零件的加工工藝進行分析，確定了加工工藝（見附表）。
經過上述辦法可解決吊桿生產中出現的問題，使產品合格（見圖１１）。
加工工藝
３．結語
通過對車削加工中影響細長 軸加工質量因素進行分析，將剛性差、抗彎能力弱及受熱彎曲變形等問題，用調整機床的精度、改善裝卡方式、正確刃磨刀具角度和選擇合理切削用量等方法加以解決，從而有效地提高細長軸的加工質量，確保其加工精度。
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