论细长轴的车削加工

周兆华

摘 要：该文针对细长轴在车削加工时由于工件弯曲变形而影响工件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度问题。找出引起细长轴弯曲变形的因素：工件自身刚性差、工件内部残余应力、切削力及切削热。通过分析不同装夹方式对工件刚性的影响、残余内应力的影响、刀具参数和切削用量对切削力和切削热的影响，提出通过选择合适装夹方式、时效处理消除内应力、选择合理刀具参数及控制切削用量，同时在加工时使用切削液以降低切削热等方法来提高细长轴的加工质量。

关键词：细长轴 弯曲变形 残余内应力 切削力 切削热

中图分类号：TM 16 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

机械加工中工件的长度和直径比值>7时，称为长轴，当工件的长度和直径之比≥20时，称为细长轴。细长轴在加工过程中由于其自身刚性差，抗弯力弱，在切削力、残余内应力及切削热的作用下易出现弯曲变形，从而影响刀具和工件相对运动的准确性，使加工出的工件中间粗，两端细，严重影响工件的尺寸公差。同时由于工件的弯曲变形而引起工艺系统振动，使加工出的工件易出现振刀纹，影响工件的形位公差及表面粗糙度。因此，有效控制细长轴在加工过程中的弯曲变形是提高加工质量的有效途径。

1引起细长轴弯曲变形的因素

（1）工件刚性差，由于自重在车削加工时易发生弯曲变形；

（2）工件的材料组织结构和热处理产生的残余内应力导致工件弯曲变形；

（3）切削力和切削热使工件在车削加工时易发生弯曲变形。

2 提高细长轴加工质量的加工方法

影响细长轴加工质量的主要原因是在加工过程中工件弯曲变形。从前面的分析可知引起工件变形的主要原因为：工件自身刚性差、残余内应力、切削力及切削热。下面就逐个分析解决上述问题，以提高工件加工质量。

2.1 选择合适的装夹方式

对于细长轴由于刚性差引起的变形可通过合适的装夹方式解决，常规的装夹方式有：双顶装夹，一夹一顶装夹，采用这两种装夹方式加工时可使用中心架及跟刀架增加支撑点，增加轴的刚性。

双顶装夹 即用双顶尖顶工件两端中心孔，对工件进行加工。外圆在一次装夹中完成加工，能很好的保证工件的同轴度。但其刚性差，细长轴变形较大，而且容易产生振动，因此该方式较适宜长径比不大，加工余量较小，同轴度要求较高的工件。采用此方式装夹时，中心孔是主要定位基准，两端中心孔应保证同轴度、角度、表面粗糙度要求，必要时对中心孔进行研磨。

一夹一顶装夹 即床头端用三爪或四爪卡盘加紧工件一端外圆，尾座端用顶尖顶工件另一端中心孔，该装夹方式中，如果顶尖顶的太紧，除了可能将工件顶弯，还将阻碍车削时由于工件受热伸长，导致工件受到轴向挤压而产生弯曲变形；另外卡爪夹紧面与顶尖孔可能不同轴，装夹后会产生过定位，也将导致工件产生弯曲变形，为了减少采用该装夹方式引起的工件弯曲变形，可在尾座端使用弹性活顶尖，使工件受热后可以自由伸长，同时可在卡爪和工件之间垫入开口钢丝以减少卡爪与工件的轴向接触长度，消除装夹时的过定位。

以上两种装夹方式均是工件的两端为支撑点，中间部分悬空，由于工件本身刚性差，在切削力和工件自身重力的作用下，在加工过程中可能发生弯曲变形，从而引起振动，影响工件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度。为了改变这一状况，可在细长轴中间增加支撑点，通常采用中心架或跟刀架来增加支撑点，当工件可以分段切削时，中心架支撑在工件中间，对工件进行分段加工；对于不易调头车削的工件，不能使用中心架支撑，而要用跟刀架支撑工件进行车削。

2.2减少残余应力

工件在加工过程中，由于原材料自身组织结构、热处理、机械加工等因素的影响，工件中存在一定的内应力，在后续的加工过程中会由于内应力的释放引起工件的变形，从而影响工件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度，特别是细长轴在加工过程中由于工件内部残余应力的影响，工件更容易发生弯曲变形。为了改变这一状态，细长轴在热处理后的加工时一定要分半精加工和精加工，以便内应力释放，同时还可以在半精加工和精加工之间安排无损检测，以检测热处理可能出现的缺陷，防患于未然。对于部分工件由于内应力过大，无法通过分半精加工和精加工释放内应力，此时要通过去应力时效消除残余应力，以方便后续的加工。

2.3有效控制切削力和切削热

切削力和切削热在加工过程中随刀具参数和切削用量的变化而变化，切削热的变化还和工件自身的散热性有关系，但对于已确定的工件，工件自身的散热性已确定，只能从刀具参数及切削用量等因素改变，并且配合使用切削液。

（1）选择合理的刀具参数。

为了减少车削细长轴时产生的弯曲变形，要求车削时产生的切削力越小越好，而在刀具的几何角度中，前角、主偏角、刃倾角对切削力的影响最大。

前角（γ0） 前角大小直接影响切削区的变形、切削力、温度、功率消耗等。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，增大前角可降低切削功率，降低温度，减小切削热。当工艺系统刚性差时，前角应大些。因此在车削细长轴时，在保证车刀有足够强度的前期下，尽量使刀具的前角增大，前角一般取γ0=15°～30°。

主偏角（Kr） 主偏角大小影响着3个切削分力的大小和比例关系，随着主偏角的增大，径向切削力明显减小，切向切削力在Kr=60°～90°时却又所增大。在Kr=60°～75°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，一般采用Kr≥60°。

刃倾角（λs） 刃倾角影响着车削过程中切削的流向、刀尖的强度及3个切削分力的比例关系，随着刃倾角的增大，径向切削分力明显减小，但轴向切削力和切向切削力却有所增大，λs=﹣10°～10°时，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λs=3°～10°，以使切削流向待加工表面。

除以上要求的刀具参数外，还应降低切削刃表面粗糙度值，刀刃保持锋利；车刀前应磨有R1.5～3 mm的断屑槽，使铁屑弯曲折断；不磨或磨的很小的刀尖圆弧过渡刃和倒棱，保持刀尖的锋利，减小径向切削力。

（2）合理控制切削用量。

切削用量的选择是否合理，对切削过程中产生的切削力的大小，切削热的多少是不同的，因此对车削细长轴时引起的变形也是不同的，所以车削细长轴切削用量的选择原则是：尽可能减少径向切削分力，减少切削热。

切削深度（ap） 切削深度增加，主切削力将会增加，使得工艺系统容易变形，振动大，工件的加工精度下降，粗糙度增大。结合细长轴本身刚性差的特点，在细长轴加工时尽量减少切削深度。

进给量（f） 进给量增加会使切削层厚度增加，切削面积增加，主切削力、摩擦力增加，进而引起切削力增加，但切削力不是按比例增加的，如果从提高切削效率的角度看，增大进给量比增减切削深度有利

切削速度（v） 提高切削速度有利于降低切削力。这是因为，随着切削速度的增加，切削温度增加，刀具与工件之间的摩擦力减小，细长轴的受力变形减小，但切削速度过高时细长轴在离心力作用下容易发生弯曲变形，破坏切削过程的平稳性，所以切削速度应控制在一定范围内，对长径比较大的工件，切削速度要适当降低。

通过前面的分析可知，通过合理选择刀具参数和切削用量可以降低切削力和切削热，从而有效控制工件的加工质量。同时在切削过程中还应使用切削液，切削液可降低切削温度，减小摩擦，提高刀具的耐用度，减小工件、刀具的热膨胀，提高加工精度。

3 结语

细长轴加工是机械加工中较常见的一种加工方式，在加工过程中由于工件自重、残余内应力、切削力、热变形等因素影响，使其加工质量不易保证，但在加工过程中可根据工件的具体状况选择合适的装夹方式、合理的刀具参数、切削用量及先进的加工方法，以提高工件的加工质量。

参考文献

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