普车实习教学中防止细长轴加工振动及变形的探讨

陈垚

工件的长度L与直径d之比大于25（即长径比L/d>25）的轴类零件称为细长轴。细长轴的外形并不复杂，但由于其本身的刚度低，车削时又受到切削力、重力、切削熱等因素的影响，容易产生弯曲变形以及振动、锥度、腰鼓行、竹节形等缺陷，难以保证精度。在中等职业学校普车实习教学中，对这一课题的把握是非常不容易的。长径比越大，加工的难度就越大。根据本人在普车实习教学环节的一些教学经验总结了一些易于学生掌握的方法在这里探讨一二。

一、加工前的准备工作

1.热处理及校直

（1）细长轴在车削加工前，或在粗车与精车之间进行几次调质处理消除内应力，是可以防止车削过程中的弯曲变形的。尤其对于长径比比较大或段差较多的细长轴效果更好。

调质处理的前后工序之间需保持适当的加工余量。其值与轴的长径比、材料的材质、热处理的方法以及车削时的夹持方法等有关。据经验，一般以3～7mm为宜。

（2）弯曲度过大的毛胚材料或曾经粗加工的细长轴，车削前应进行校直工作，务必使弯曲度的最大值不超过车削时的切削深度。为了消除校直而产生的内应力，最好再进行一次调质处理。

2.钻中心孔时应注意的事项

为了保证中心孔和间有顶尖正确的接触，可先在细长轴的端面用普通的麻花钻头钻出一个小的圆柱孔，把细长轴装夹在车床上，然后在靠近尾座处车削一段其长度略大于中心架的支撑爪宽度的圆柱部分。为了消除材料的弹、塑性变形和细长轴的跳动、椭圆度，以及获得良好的表面粗糙的度，车削必须分粗精车进行，这样与中心架的支撑爪端面的接触部分能具有良好的状态。然后在此处安装中心架并调整好支撑爪，在车削端面后用中心钻钻出标准的中心孔。钻中心孔时应充地浇注冷却润滑液；并在将近钻削结束时极缓慢地进刀，就此可得到光滑而正确的中心孔了。

二、切削热对工件弯曲影响及解决方法

1.切削热对工件弯曲的影响

以加工长度为3000mm的细长轴为例，假设车削过程中因切削热的影响使细长轴内部温度升高并超过室温高50℃，由于热膨胀的结果它将会在轴向增长1.8mm。

△Lt=L.α.t=3000×0.000012×50=1.8（mm）

还应该指出的，细长轴并不是静止地搁置在车床上，而是还以一定的转速在旋转着的。假设该轴的长度l为3000mm，进给量S为0.2mm/转，那么每车削一次全长，将扭转15，000次，这样就自然地容易产生弯曲变形了。

2.针对切削热影响工件弯曲的解决方法

为了防止细长轴在车削过程中产生热膨胀而引起的弯曲变形，较妥善的措施是：

（1）在车削过程中充分浇注冷却润滑液（乳化液、极压切削液、油类及其它），将细长轴表面因切削而产生的热量带走而不致传入轴的内部，使轴的温度尽量不要升高。

（2）采用有弹性的顶尖。该顶尖的芯子能够向后移动，以补偿细长轴的热膨胀伸长。

三、车刀几何形状影响及合理选择

1.前角影响及合理选择

它直接影响刀尖的强度和切屑的形状。增大前角，可使刀锋锐利，减少切屑的变形和摩擦，使切屑容易流出；降低切削热和切削力。车削细长轴时，应该选择较大的前角，γ取20～30°为宜。并且尽可能把车刀的前面磨得光滑些（0.1μm），以减少切屑之间的摩擦。

2.主后角影响及合理选择

主后角确定后，主后角越大刀锋越锐利，可以减少与细长轴的摩擦，并使切削抗力变小，细长轴变形的可能性也就小了。但太大的主后角将会削弱刀具的强度；又因为工件较长，连续切削的时间也长，刀具磨损也会多些。因此，主后角α为7～10°为宜。

3.主偏角的影响及合理选择

改变主偏角K后，不仅可以改变切削厚度和切削宽度，而且还可以改变径向切削力Py和轴向切削力Px的比值。

车削细长轴时，引起振动和变形的切削力，主要是径向切削力Py和切线方向切削力P2。为了减少径向切削力Py，尽可能增大主偏角K，粗车时可取K=80～85°，精车时最好取K=93°左右。

径向切削力Py的降低，不仅提高了细长轴的稳定性，而且也减少了细长轴表面与移动的跟刀架的支撑爪之间的摩擦，从而提高细长轴直径尺寸的精度。另外，主偏角K增大后，每转切削的宽度也相应地减少了，因而切削力也随之减少，从而减少细长轴的变形和振动。

4.刃倾角的影响及合理选择

将车刀的切削刃磨成具有10～15°的刃倾角，这不仅能使车刀容易切入细长轴；而且可以减少切削力；并且还能够控制切屑向细长轴的待加工表面流出，保护已加工表面的光度。

四、使用中心架和移动跟刀架技巧

细长比值大的细长轴，由于刚性差、加上自身重力而产生了挠度，很难承受较大的切削力。因此在车削过程中往往需要使用一个至几个中心架；有时还需要增加移动的跟刀架一起使用。

1.固定中心架的使用

刚性比较好的细长轴在车削前，先在其端面钻一个中心孔，然后把它夹持在车床上；接着在靠近顶尖处和轴的中间（准备安装固定的中心架的位置）分别车削一段直径完全相同，长度约60～80mm的圆柱部分。在车削中间一段时，最好用弹簧车刀（或者把车刀装在弹簧刀杆内）车削，因为这样做可防止车削时产生振动，更重要的可使车削后的圆柱体不出现椭圆度和获得良好的表面粗糙度。

中心架安装后，还应将它的左右两个支撑爪的端面与工件按触（凭操作者手的惑觉）的基础上，进一步调节这两个支撑爪迫使细长适当的抬高一些，以消除挠度e。

如果调节工作做得正确的，那未用百分表检验顶尖处和中间已车削过的圆柱部分的外径时，百分表中读数应该是相同的。

最后盖好稳定扶料架的上盖，随即调节好上面那个支撑爪，使其端面与细长轴表面轻微接触即可。

2.移动跟刀架的使用

装置在溜板上的移动跟刀架是跟随车刀移进的。它可以抵抗切削中的切线方向切削力和径向切削力Py，增强细长轴在切削时的稳定性，防止振动而获得较好的形状精度和表面光度的车床附件。

移动跟刀架的使用方法，基本上与固定的中心架的使用方法相同，但较为更复杂些，必须认真地处理。采用移动的跟刀架的车细长轴，长径比l/D都在25以上，刚性很差。车削过程中瞬时产生的工件直径Φ，车刀刀尖与车刀对面的支撑爪（下称旁支撑爪）端面之间的距离S。

移动跟刀架沿着旋转的细长轴轴向移进时，支撑爪端面与细长轴表面连续不断的摩擦而磨损，导致S将逐渐增大，直径Φ也会随之增大。

旁支撑爪与细长轴之间的摩擦，是由径向切削力Py所引起的；而上支撑爪与细长轴之间的摩擦，是由切线方向切削力P2所引起的。P2与Py之比约为1：0.4之间，所以上支撑爪容易磨损。在实际工作中也表明，上支撑爪比旁支撐爪需要调节的机会多些。如果不充分认识这一点，或因工作疏忽而使细长轴出现Φ>S的情况。这样不仅使细长轴的直径尺寸出现误差；而且使车刀在切削时的实际切削角度发生变化，影响切削效率。

实际生产中还表明，支撑爪的调节还与的几何角度有关。例如P2/Py随主偏角Φ增大而增大，上支撑爪的磨损程度也随之严重，需要调节的机会也更多些了。调整移动的跟刀架的支撑爪，应根据支撑爪的磨损程度及时地微量的调节（上、旁两个支撑爪分别向细长轴的中心移进）。若不小心谨慎地操作，立即会使细长轴的直径出现一节大，一节小的形状，称为「竹节形」。

使用移动的跟刀架车削的细长轴，在每次车削前最好能进行一次校直工作，使其弯曲度小于车削一次的切削深度t，以便一次进给就能把弯曲部分全部切去。如果细长轴车削后的表面留有部分未切去的缺陷。则缺陷与旁支撑爪端面接触，在其对面的车刀就会车出呈凸棱。更由于移动的跟刀架具有几个支撑爪，因此细长轴表面将会呈现2～3条螺旋形的凸棱。

除此以外还应注意，学生无论是使用固定的中心架或是移动跟刀架，都不宜使支撑爪对细长轴压得太紧。其危害性除了以上已经谈及的以外，还因为细长轴在车削过程中是以一定转速在旋转着的，它既要承受切削力。还需克服与支撑爪之间的摩擦力，所承受的扭力较大，是促使它弯曲变形的一个重要因素。