浅析如何提高细长轴加工精度

    陈香平

    摘 要：在机械加工过程中，由于细长轴的长径比较大，刚性差，在切削力、重力和顶尖顶紧力的作用下， 横置的细长轴很容易弯曲甚至失稳，因此，车削细长轴时要想提高加工精度，必须采取减小切削热、采用反向进给车削， 选用合理的刀具几何参数、切削用量、使用中心架跟刀架等一系列有效措施。

    关键词：细长轴车刀; 中心架; 跟刀架; 切削用量; 切削热

    中图分类号：TG51? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ?文章编号：1006-3315（2019）05-113-002

    在机械加工过程中，有很多轴类零件的长径比L/d>25，称之为细长轴。由于细长轴的长径比较大，刚性差。因此在切削力、重力、切削热和顶尖顶紧力的作用下， 横置的细长轴很容易弯曲变形，产生振动、锥度、腰鼓形和竹节形等缺陷，难以保证加工精度。那么笔者认为，要想提高细长轴加工精度，必须做到以下几点：

    一、减小工件热变形产生的影响

    加工产生的切削热会引起工件热变形伸长，那么工件就会弯曲，车削根本无法进行。

    （一）采用一夹一顶的装夹方式

    卡盘爪的夹持部分不易过长，一般在15mm左右。同时可在卡爪的凹槽与细长轴之间垫入一个开口钢丝圈，这样以点接触，以减少卡爪与细长轴的轴向接触长度，使工件在卡盘内能自由调节其位置，消除安装时的过定位，减少弯曲变形。也不会因卡盘夹死而产生内应力。

    （二）应采用弹性回转顶尖

    弹性回转顶尖可以补偿工件热变形伸长。当工件受热变形伸长时，回转顶尖内部的蝶形弹簧会压缩变形，顶尖能自动后退，这样可以使细长轴受热后自由伸长，减少其受热弯曲变形。

    （三）采用反向切削法车削细长轴

    反向切削法是指在细长轴的车削过程中，车刀由主轴卡盘向尾架方向進给，这样在加工过程中作用在工件上的轴向切削分力使细长轴受拉，同时，由于细长轴的左端通过钢丝圈固定在卡盘内，右端支撑在回转顶尖上，可以自由伸缩，消除了轴向切削力引起的弯曲变形。也可以采用双刀车削细长轴，改装车床中滑板，增加后刀架，采用前后两把车刀同时进行车削，两把车刀，径向相对，前车刀正装，后车刀反装。两把车刀车削时产生的径向切削力相互抵消。工件受力变形和振动小，加工精度高，适用于批量生产。

    （四）加注充分切削液

    车削细长轴时，无论是低速切削，还是高速车削，加注充分的切削液，能有效的减少工件所吸收的热量，从而减少工件的热变形伸长。充分加注切削液可以降低刀尖切削温度，延长刀具使用寿命。

    二、选择合理的刀具角度

    车削细长轴时，由于工件刚性差，车刀的几何形状对减小作用在工件上的切削力，减小工件弯曲变形和振动，减小切削热的产生等都有明显的影响。特别是车刀的前角、主偏角和刃倾角对切削力的影响最大。

    （一）前角（γ）

    其大小直接影响切削力、切削温度和切削功率.增大前角，可以使被切削金属层的塑性变形程度减小，切削力明显减小。增大前角可以降低切削力，使车刀锋利，车削轻快。所以在细长轴车削中，在保证车刀有足够强度的前提下，尽量使刀具的前角增大，前角一般取γ=15°～30°。

    （二）主偏角（kr）

    其大小影响着3个切削分力的大小和比例关系。它是影响车削时背向力的主要因素，因此，车削细长轴时，在不影响刀具强度的前提下，尽量增大车刀主偏角，从而减小背向力，减小细长轴的弯曲变形。在车削细长轴时，一般采用kr=为80°～93°的主偏角。

    （三）刃倾角（λs）

    倾角影响着车削过程中切屑的流向、刀尖的强度及3个切削分力的比例关系。刃倾角在-10°～+10°范围内，3个切削分力的比例关系比较合理。在车削细长轴时，常采用正刃倾角+3°～+10°，以使切屑流向待加工表面。

    另外，前刀面应磨有R1.5～3mm的圆弧形断屑槽，使切屑顺利卷曲折断。应选择较小的刀尖圆弧半径和倒棱宽度。

    三、采用跟刀架和中心架

    采用一夹一顶的装夹方式车削细长轴，为了减少径向切削力对细长轴弯曲变形的影响，传统采用跟刀架或中心架。跟刀架一般是固定在床鞍上跟随车刀后面移动，承受作用在工件上的切削力，相当于在细长轴上增加了一个支撑，增加了细长轴的刚度，减少径向切削力。但在使用跟刀架时，必须使其支撑爪与工件的接触压力调整适当，并且一致。否则会在车削细长轴过程中车削“竹节”形，“腰鼓”形，影响加工精度。因此，调整跟刀架支撑爪时，应先调整后支撑爪，使其轻微接触到外圆为止，再调整下支撑爪和上支撑爪，要求每个支撑爪都能与轴保持相同的合理间隙，使轴可以自由转动。

    中心架是直接支撑在工件中间，它可以使工件的长径比减小一半，细长轴的刚性则可增加好几倍。工件装上中心架之前，必须在毛坯中间车出一段圆柱面沟槽作为支撑轴颈，为了以后精车，其直径略大于工件要求的尺寸。沟槽的表面粗糙度值应为R≤1.6μm，圆度误差小于0.05mm，否则会使工件出现方形误差。

    四、合理地控制切削用量

    切削用量选择的是否合理，对切削过程中产生的切削力、切削热、积屑瘤、工件的加工精度、表面粗糙度都有很大的影响。车削细长轴时引起的影响更大。

    （一）切削深度（ap）

    在工艺系统刚度和加工余量确定的前提下，尽量使用大的切削深度，但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。一般粗车时切削深度（ap）为1.5～2mm，精车时切削深度（ap）为0.5～1mm。

    （二）进给量（f）

    进给量主要影响车削力和工件表面粗糙度。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，但是也不能太大，一般粗车时进给量（f）为0.3～0.4mm，精车时进给量（f）0.08～0.12mm

    （三）切削速度（v）

    随着切削速度（v）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。一般粗车时切削速度（v）为50～60m/min，精车时切削速度（v）为60～100m/min

    总之，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。通过采用合适的方式方法，可以提高细长轴的加工精度。