論細長軸加工的的質(zhì)量缺陷及對策

1、論細長軸加工的質(zhì)量缺陷及對策楚雄技師學(xué)院 張雪峰擇要：本文從細長軸的定義、結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，分析了加工時易產(chǎn)生振動、變形等問題及產(chǎn)生的原因，詳細論述了細長軸的幾種典型車削加工方法的工藝特點及應(yīng)采用的工藝技術(shù)措施。關(guān)鍵詞：細長軸 質(zhì)量缺陷 對策長度與直徑之比大于25（即L/d>25）的軸叫細長軸。由于細長軸剛性很差，對車削加工的切削力、切削熱和振動等十分敏感，加工時極易產(chǎn)生變形，出現(xiàn)直線度、圓柱度等加工誤差，不易達到圖樣上的形位精度和表面質(zhì)量等技術(shù)要求，使切削加工很困難。L/d值越大，車削加工越困難。為此采用相應(yīng)的技術(shù)措施，選用合理的刀具和正確的輔助工具，提高工藝系統(tǒng)的剛性，通過車削、熱處理和

2、磨削等工藝方法來全面達到形位精度和表面質(zhì)量等技術(shù)要求。一、細長軸概述1、細長軸的定義及結(jié)構(gòu)特點工件長度與直徑之比大于25（即L/d>25）時稱為細長軸，細長軸因本身剛性較差，在加工中容易引起彎曲、振動，使加工困難。L/D值愈大，加工就愈困難。2、加工階段的劃分細長軸加工基本上可以劃分為三個階段，即粗加工階段，半精加工階段和精加工階段。各階段的劃分大致以熱處理為界，對于精密機床上使用的軸，還應(yīng)有一個光整加工的階段，以獲得很小的表面粗糙度，有時也為了獲得更高的尺寸精度和配合精度。3、在加工中容易出現(xiàn)的問題（1）在加工過程中，工件受熱伸長，引起彎曲變形，有時甚至?xí)构ぜㄋ涝陧敿庵g而無法加工

3、。（2）工件受切削力作用會產(chǎn)生彎曲，從而引起震動，影響工件的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度。4、細長軸的材料一般選用45鋼、65Mn鋼和40Cr鋼。二、細長軸的車削加工1、車細長軸時，細長軸裝夾在卡盤中，工件產(chǎn)生的最大彎曲變形為max=FL3/48EI如圖示。圖1 細長軸加工示意圖式中L-軸懸伸長度（mm）；E-軸的彈性模度（N/mm2）,對剛性軸來說E=2Ï105/N/mm2；I-軸截面的慣性矩（mm4）,I=d4/64；d-軸的直徑（mm）。當(dāng)工件材料及直徑一定時，max主要取定于F和支承長度L，因此為提高細長軸的剛性，采取以下措施：減小工件支承長度L1）使用中心架支承車削細長軸

4、 在車削細長軸時，使用中心架來增加工件剛性，使支承間的距離縮短一半，工件的剛性比不用中心架時有成幾倍的提高。一般車削細長軸使用中心架的方法有：中心架直接支承在工件中間。當(dāng)工件可以按分段車削時，中心架支承在工件中間，如圖1.圖1 用中心架車削細長軸在工件裝上中心架之前，必須在毛坯中部車出一段支承中心架支承爪的溝槽，其表面粗糙及圓柱誤差要小，并在支承爪與工件接觸處經(jīng)常加潤滑油。為提高工件精度，車削前應(yīng)將工件軸線調(diào)整到與機床主軸回轉(zhuǎn)中心同軸。為使中心架支承爪與工件保持良好的接觸，一般要進行研磨抱合。用過渡套筒支承細長軸 由于車削支承中心架的溝槽比較困難，中心架直接支承在工件中間加工細長軸的方法受到了

5、一定的限制。為了擴大中心架的使用范圍，可采用附加一個過渡套筒的方法，來加工一些外徑不規(guī)則的工件(如架中心架處有鍵槽或花鍵或一些中段不需加工的細長軸等)。中心架支承爪與過渡套筒的外表面接觸，如圖2所示，過渡套筒的兩端各裝有四個螺釘，用這些螺釘夾緊毛坯表面，并調(diào)整套筒外圓的軸線與主軸旋轉(zhuǎn)軸線相重合，即可車削。圖2 用過渡套筒支承細長軸中心架的使用 中心架一般有兩種。一種為普通中心架，另一種為滾動軸承中心架。滾動軸承中心架的構(gòu)造與普通中心架相同，不同之處在支承架的前端裝有三個滾動軸承，以滾動摩擦代替滑動摩擦，它的優(yōu)點是耐高速、不會研傷工件表面，缺點是同軸度稍差。使用中心架時通常先用百分表找正工件兩端

6、外圓，然后以外圓為基準(zhǔn)，先下后上調(diào)整中心架三個支承爪與工件輕輕接觸即可，技術(shù)較熟練時也可用目測透光法觀察支承爪與工件之間的跳動間隙來調(diào)整三個支承爪。2）使用跟刀架車削細長軸 在對不能用中心架支承的細長軸進行車削時，通常使用跟刀架支承來增加工件的剛性，使用跟刀架的目的是防止工件彎曲變形及抵消徑向切削力，提高車削細長軸的形狀精度和減小表面粗糙度。跟刀架的選用 跟刀架固定在床鞍上，車削時跟隨在車刀后面一起移動，切削作用點和支承點之間的距離約為510mm，一般有兩個支承爪，和三個支承爪兩種。如圖3.（a）兩爪跟刀架 （b）三爪跟刀架圖3 跟刀架從理論上來說，兩爪跟刀架隨車刀移動，抵消徑向切削力，車刀給

7、工件的切削抗力Fr（圖3a），使工件貼在跟刀架的兩個支承爪上。但由于工件本身有一向下的重力，車削時工件會因離心力作用瞬時離開支承爪、瞬時接觸支承爪而產(chǎn)生振動。所以比較理想的中心架需要用三爪中心架，如圖3b所示。由三爪和車刀抵住工件，使之上下、左右都不能移動，車削時穩(wěn)定，不易產(chǎn)生振動。跟刀架的使用 車削時三爪跟刀架的支承爪與工件表面應(yīng)保持良好的接觸，接觸壓力不宜過大，壓力過大，會把工件車成“竹節(jié)形”。如果跟刀架大支承爪壓力太小，甚至沒有接觸，那就不能起到跟刀架的作用。因此，在調(diào)整跟刀架支承爪的壓力時，要特別注意。跟刀架主要用于細長光軸的加工，使用跟刀架需先在工件右端車削一段外圓，根據(jù)外圓調(diào)整支承

8、爪的位置和松緊。跟刀架使用調(diào)整起來較麻煩，特別是一根細長軸的幾次走刀，就得不斷地調(diào)整。3）減少工件的熱變形伸長 細長軸車削時熱擴散性差、線膨脹大，當(dāng)工件兩端頂緊時易產(chǎn)生彎曲變形。如車削直徑為25mm，長度為1200mm的細長軸，材料為45鋼，車削時因受切削熱的影響，使工件比室溫升高30，則細長軸熱變形伸長量L= aLt=11.59×10-6×1200×40=0.556mm。由于工件一夾一頂裝夾，工件無法伸長，只能本身產(chǎn)生彎曲。細長軸一旦產(chǎn)生彎曲后，車削就很難進行。因此加工細長軸時，減少工件的熱變形主要可采取以下措施：使用彈性回轉(zhuǎn)頂尖 用彈性回轉(zhuǎn)頂尖加工細長軸，可有

9、較地補償工件的熱變形伸長，工件不易彎曲，車削可順利進行。車削細長軸時，不論是低速切削還是高速切削，都必須加注切液充分冷卻，抑制工件溫度上升，從而有效控制熱變形。刀具應(yīng)經(jīng)常保持銳利狀態(tài)，以減小車刀與工件的摩擦發(fā)熱，從源頭上控制熱變形。減小工件所受切削力1）防振切削用量和合理的刀具幾何參數(shù)。選擇細長軸車削時的切削用量，除保證工件的質(zhì)量，刀具的耐用度，勞動生產(chǎn)率外，還要根據(jù)細長軸的結(jié)構(gòu)特點，使切削變形小，應(yīng)嚴(yán)格控制切削力和切削溫度，防止切削過程中產(chǎn)生振動。表1 車削細長軸切削用量推薦表 切削用量工序切削深度（mm）ap進給量（mm/r）切削速度（m/min）粗 車1.520.300.405060精

10、車0.5010.080.1260100注：精車時采用寬刃精車刀合理的刀具幾何參數(shù)我們從實驗得知，當(dāng)前角r0增加100，徑向分力Fr可以減少30%；主偏角kr增大100，徑向分力Fr可以減少10%以上；刃傾角s取負(fù)值時，徑向分力Fr也有所減少。由于車削細長軸時工件剛性差，刀具幾何形狀對工件產(chǎn)生的振動非常敏感，為減少細長軸彎曲，要求徑向切削力越小越好，而刀具的前角和主偏角是影響徑向切削力的主要因數(shù)。在不影響刀具強度的情況下，盡量增大車刀主偏角。主偏角kr=900（裝刀時裝成850880），配磨副偏角kr=80100 。刀尖圓弧半徑s=0.150.2mm，有利于減少徑向分力。前角r0

11、60;其大小直接著影響切削力、切削溫度，對切削過程中的振動、車刀的強度影響極大。一般采用r0=150300。加大前角，則刀刃銳利，從而可降低切削力和切削溫度。根據(jù)選擇前角最佳數(shù)值，細長軸車刀的前角r0=200300，并且在前刀面磨出圓弧型或直線型的卷屑槽，配磨負(fù)倒棱，使徑向分力減少，出屑流暢，卷屑性能好，切削溫度低，因此能減輕和防止細長軸彎曲變形和振動。因前角r0較大，后角0應(yīng)取得小些。但過于小會導(dǎo)致刀具后刀面與加工表面之間產(chǎn)生強烈摩擦而發(fā)熱，故為了保證刀刃有足夠的強度，一般應(yīng)取0=4060為佳。刃傾角s影響著車削過程中切屑的流向、刀尖的強度及3個切削分力的比例關(guān)系。隨著刃傾角的增大，徑向切削

12、力明顯減小，但軸向切削力和切向切削力卻有所增大。在車削細長軸時，常采用正刃傾角s=3050，以使切屑流向待加工表面，從而降低表面粗糙度。車削細長軸車刀見圖4圖4 細長軸車刀2）用前后雙刀架“對刀”切削，使徑向切削力相互抵消利用誤差抵消以提高加工精度這一思路的開拓，發(fā)展了利用切削力和受力變形相抵消的新方法。在實踐中加工L/D>25的細長軸時，既不用中心架，也不用跟刀架，而是采用了前后雙刀“對刀”切削，同時適當(dāng)?shù)倪x用刀具幾何角度，使徑向力相互抵消，這樣就可以用高切削速度和大進給量同時進行半精車和精車，獲得良好的效果。如圖5示，這種加工方法采用了前后兩把車刀徑向相對，同時沿著車刀軸向走到。車刀

13、1是正裝半精車刀，車刀2是反裝了的精車刀。精車刀具有負(fù)后角，因此后刀面對工件產(chǎn)生了摩擦，起到了一定的壓光作用，同時還增加精車刀所產(chǎn)生的切削力，使之與半精車（切削余量大）所產(chǎn)生的切削力相平衡。徑向切削力相互抵消，清除了細長絲杠切削容易變形的缺陷。圖5 對刀切削示意圖圖6為“對刀”切削的雙刀架示意圖。在車床床鞍上裝上前后兩個中拖板刀架，中拖板的絲杠改成左右旋螺紋傳動。圖6 雙刀架示意圖半精車和精車的切削用量=110 m/min（n=840r/min）, ap=1.0mm和0.6mm，=1.8 mm/r。走刀一次，切削時間是半分鐘，生產(chǎn)效率比采用跟刀架的方法提高了好幾倍。3）用大進給量反向切削的方法

14、加工細長軸消除軸向切削力引起的彎曲變形分析細長軸在軸向車削時的受力情況和變形狀態(tài)后，可以看出，采用跟刀架只是消除了徑向切削力吧工件“頂彎”的因素，還沒有解決軸向切削力也會使工件“壓彎”的問題。在使用了跟刀架之后，后者就成了主要矛盾，軸向切削力引起彎曲變形的原因有三點：細長軸的一頭被夾持在卡盤中，另一頭施以軸向切削力時，就像材料力學(xué)中已經(jīng)分析過的，若一根子上施加一個偏置壓力，就容易產(chǎn)生彎曲變形，何況這根桿子又細又長，所以彎曲變形特別大。見圖7圖7 順向進給是是對細長軸起的壓縮作用工件有了上述彎曲變形后，在高速回轉(zhuǎn)下，由于離心力慣性作用，又加劇了變形，并引起振動。工件在切削熱的作用下必然產(chǎn)生熱伸長

15、。一根1米的細長軸溫升400的細長軸軸向伸長量達到0.5mm，而卡盤和尾座頂尖之間的距離又是固定了的，工件軸向沒有伸縮的余地，因此產(chǎn)生了軸向力，加劇了工件的彎曲。為了消除和減小上述原始誤差，可以改變進給方向，這就產(chǎn)生了大進給量反向切削加工細長軸的方法。它包括了：進給反向由卡盤一端指向尾座，對工件的作用是拉伸（見圖8），采用彈性活頂尖，工件不會被壓彎。圖8 反向切削加工細長軸示意圖采用了大進給量和大的主偏角車刀，增大了Fx力，還消除了徑向的顫抖，使切削平穩(wěn)。伸縮式頂尖使工件在熱伸長下也有伸縮余地。采用“縮頸法”增加工件柔性，消除軸心線歪斜的影響。即在卡盤一端工件上車出一個縮頸部分，縮頸直徑為d=

16、D/2(為工件胚料)，工件在縮頸部分的直徑減小了，柔性就得到了增加。如圖9示圖9 縮頸法在用粗車刀車出5080mm一段長度以后裝上跟刀架，跟刀架的支承塊裝在刀尖后面12mm處，然后進行全長度的粗車（圖10-a）。精車時跟刀架的支承塊狀在刀尖前面，以粗車過的表面作為支承面，以避免支承塊劃傷精車過的工件表面（圖10-b）。表2為反向切削的方法加工細長軸實際加工兩個典型的數(shù)據(jù)。 圖10 反向切削粗、精車跟刀架安裝法表2 反向車削細長軸的切削效果加工材料毛胚尺寸（mm）工件尺寸（mm）工序n(r/min)（m/min）走到次數(shù)（mm/r）ap(mm)切 削 效 果（mm）精度粗糙度錐度圓度徑向跳動45

17、剛ø45ø20×1500（L：d=75）粗車600508530.65ø20-0.017Ra1.250.010.0010.040.64.50.62.75精車12081.750.2545鋼ø40ø35×4097（L：d=117）粗車2903610.302.45Ra1.250.040.0030.0050.250.35精車141.5212140.020.052、細長軸的拉夾車削細長軸的車削方法較多，但它們都有一個共同的特點，就是工件必須用頂尖裝夾，受壓時易失穩(wěn)彎曲。拉夾是將尾座的裝夾方式由彈性頂緊改為彈性拉緊，同時采用反向切削，并對車刀的幾何形狀和切削用量做了該進。彈性尾座拉緊裝置如圖11所示。使用時，工件夾入卡盤的一端，圖11 彈性尾座拉緊夾具卡爪面與工件面間墊入ø50×20 mm的鋼絲，夾入長度約1520mm，使工件與卡爪間為線接觸。工件先車好另一端外圓后夾入彈性尾座拉緊夾具的彈性夾套2的內(nèi)孔。夾持好工件后，轉(zhuǎn)動車床尾座手輪，使尾座頂尖套后退，通過尾座頂尖套14和彈性夾套2靠手感把工件拉緊。然后再按車細長軸的工藝安裝跟刀架，防振墊木等，反向走刀車削，車削過程中要隨時檢查調(diào)整尾座拉緊力。三、