细长轴加工工艺改进

一拖（洛阳）建筑机械有限公司（河南 471003）杨赞伟 陈艳萍 陈兴进 崔 陶

1.细长轴的特点

所谓细长轴就是轴的长度L与直径d之比大于25的细长工件。细长工件之所以难车，主要是由于它刚性差，在切削力和切削热的作用下，细长轴很容易产生弯曲变形，这样就破坏了刀具和零件相对运动的准确性。而相对工件来说机床和车刀的刚性好，所以车削过程中就使变形与振动等都集中在细长轴上，从而引起一系列问题，如：

（1）在车削时受切削力和重力的作用而引起弯曲变形，产生振动，从而影响加工精度和表面质量。

（2）在切削热的作用下，轴件会产生相当大的热膨胀，如果两端用固定支撑会使工件受挤压而产生弯曲变形。当轴以高速运转时，这种轴弯曲所引起的离心力会加剧轴的变形和振动。

（3）车削细长轴在高速小进给量精车时，刀具易于磨损，从而影响工件的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度。

（4）工件长径比愈大，刚性愈差，切削加工愈困难。

（5）由于以上原因，车削细长轴时往往采用较低的转速，限制了切削用量的增大，生产效率低。

2.动力输出离合器轴

从图1可以看出，该轴所用材料为合金结构钢19CN5，从外径形状看有九种变化，长径比L/d达60倍，构成了刚度差的明显特点。该工件中间有多个台阶，使用跟刀架不方便，如果使用中心架或分段车削，势必会造成加工误差大，影响产品质量和工作效率。

3.原生产情况

此零件是公司某主导产品的主要零件之一。该零件原来由专业厂制作，成本较高。为降低成本，公司开始自己加工制作，在C6140A型车床上用传统的细长轴加工工艺对动力输出离合器轴轴坯进行车削加工，弹性顶尖、中心架、跟刀架（两爪、三爪）试了多遍，结果跳动量最大的达3～4mm，一般工件跳动量在2mm左右，每人每班只能加工一件。就这样生产一年时间，后来为保证质量，提高生产效率，公司购买一台数控车床，由设备方专家开始调试，工件最小跳动量仍在1.2mm以上，工序草图更改多次，并多次放宽尺寸要求，仍未加工出一根不需校直的合格件。

图1

4.质量分析

（1）机床规格与实际轴类长度相差200mm，从动力输出离合器轴齿坯图上看，该工件全长1204mm，这台数控车床走刀行程长度为1.2m，而尾座顶尖至卡爪的最大距离为1m，无法在一次装夹中对该工件全长上进行加工。

（2）两次装夹使加工误差增大：第一次装夹是用加长爪卡住工件靠中间段，打中心孔，顶尖顶住车外圆；而另一段则悬空在机床主轴孔里。当高速运转时，由于金属质量分布不均匀，形成离心力，更加引起变形。当调头再加工时仍采用与上道工序同样的方法进行两端固定支承加工。就两次装夹加工来说，长径比仍不小于25倍。又因为卡爪与工件接触面积大，加工过程中，受切削力和切削热作用产生变形，而容易形成弯曲力矩，当取下工件时产生直线度变化更大。

（3）装夹方式不利于细长轴加工：采用跟刀架和中心架，虽然能够增加工件的刚度，基本消除径向切削力对工件的影响。但还不能解决轴向切削力把工件压弯的问题，特别是对于长径比较大的细长轴，这种弯曲变形更为明显；由于该细长轴台阶多，外径有九种变化，增加了使用跟刀架和中心架的调整频次和难度，对工人的技术素质要求高。

（4）精磨后不合格的原因主要是：①车加工后的工件摆差大，有些工件接刀处摆差达0.5 mm，形成偏心轴，无法校直，使磨削余量变大。②该工件表面淬火硬度55～57HRC，深1.5～3 mm，外硬内软。由于工件不直，留磨余量大，致使工件表层磨去厚薄不均，轴表面的硬度和抗弯强度不一样，在磨削过程中工件会产生新的变形。

5.工艺改进

具体措施如下：

（1）毛坯校直处理与机床的选用：毛坯校直在2mm以内，如果正火或调质处理后的毛坯弯曲度大，经校直后必须经过时效处理、消除内应力；选用1.5m加工长度的卧车即可。

图2

（2）设计制作尾座拉紧夹具（见图2）：尾座拉紧装置是将尾座的装夹方式由传统的顶紧改为拉紧。在车削过程中，细长轴始终受到轴向拉力，解决了轴向切削力把细长轴压弯的问题。同时在轴向拉力的作用下，会使细长轴由于径向切削力引起的弯曲变形程度减小；补偿了因切削热而产生的轴向伸长量，提高了细长轴的刚性和加工精度。夹具结构是一根加长专用尾座套筒，它没有尾座套筒的莫氏锥度孔，而在左端安装拉紧装置，其他部分与机床的尾座套筒相同。

（3）设计并制造跟刀滚压器：由于工件长径比L/d大，拉紧力只能在一定程度上起到减小变形作用，当采用较高的金属切除率时仍有变形和振动。另外也为了便于使工件可靠地达到图样要求，降低对工人的技术素质要求，我们又针对动力输出离合器轴的几何形状，设计了“跟刀滚压器”。图3所示跟刀滚压器是利用自定心卡盘原有的三个等度分配且能同步进给的条件，配置上具有伸缩性的压缩弹簧，可调力，并能用定扭矩扳手检测出压力大小，设置支承架固定在大滑板原有的螺孔位置上的跟刀滚压装置。该装置不同于一般的跟刀装置，调整方便，自动对中。车削细长轴时，当滚压力大于或等于切削力时，使工件产生弯曲变形的力为零，以起到缓冲、吸振、增强工件抵抗切削力的作用，达到提高生产效率、提高加工精度的目的。

图3

（4）选择刀具合适几何参数：为减小切削力、切削热、径向力，取前角25°、后角5°～8°，主偏角75°、90°两种，刀尖圆弧半径0.3～0.5 mm，刃倾角5°～8°，负倒棱宽0.15～0.2mm，断屑槽宽3～4mm。为保证刀具有足够的强度和良好的散热条件，优选副偏角8°～10°、副后角2°～4°。这些刀具的选择，使刀具实用性增强，粗精加工不用换刀，寿命长，磨一次刀可加工3～4件。当切削用量的吃刀深度0.5～2.5 mm，进给量0.5～2.5 mm/r，切削速度60～70m/min时，切屑呈银白色或淡黄色，形成弦月状或螺旋状顺下方排出。

（5）选择合适的冷却和润滑措施：选用80%的柴油加20%的N15全损耗系统用油可以起到良好的冷却润滑作用。与乳化液相比具有渗透性强、润滑效果好的特点，有利于提高刀具寿命，半精车和精车时更加显著。

（6）选择装夹方式：工件装夹不当时，会造成加工误差。一是基准位移误差；二是夹紧误差，当卡爪与工件接触面积大时，在夹紧力的作用下，引起弯曲力矩，加工完毕后，取下工件时产生回弹造成加工误差大。为减少装夹误差，笔者采取了两点措施：①夹住毛坯中部，用顶尖直接顶住端面，（主轴230r/min避免离心力大将悬空在主轴孔的另一半甩弯），分别在毛坯两端车出工序基准，待杆部车好后，再以杆部为基准分别打出两端中心孔，以减少加工误差。②在车好后的工序基准上套上一个直径4mm弹簧开口钢丝圈，减少卡爪与工件轴向接触面，消除安装时的过定位，起到万向调节作用，避免夹紧工件时产生弯曲力矩，减少弯曲变形。

6.结语

这次动力输出离合器轴的成功实践，一举改变动力输出离合器轴加工的被动局面，有效解决了制约公司生产的瓶颈因素。现在每人每天可加工5～6件，最大跳动量不大于0.15mm。从加工后的质量看，比工序图样要求的0.3mm提高精度50%；使下道工序便于加工；从产量看比原有工效提高4倍。特别是尾座拉紧和跟刀滚压器夹具的设计运用，有效解决了细长轴加工难题，不仅提高了加工效率，还大幅降低了制造成本。