细长轴的车削加工方法

贺小平 程习文

摘 要：细长轴车削时面临许多技术难题，是因為细长轴在加工中刚性差，在切削时受切削力、重力、切削热等因素影响产生弯曲变形，产生震动、锥度、腰鼓形和竹节形等缺陷，难以保证加工精度。通过对细长轴类零件车削加工时产生弯曲变形的原因分析，阐述了保证细长轴加工质量的工艺方法、切削用量以及刀具几何角度的选择本文对细长轴加工精度的主要难点和车削的主要环节作了全面、详细的分析，然后从工件的装夹方法、车削细长轴时的切削用量和车刀的角度等方面，通过分析细长轴加工各关键技术问题对细长轴加工的影响，找到改进方法，从而提高细长轴加工的精度，保证合格率。

关键词：细长轴；跟刀架；弹性活动顶尖；反向切削

引言：通常轴的长度与之直径比大于20～25（即L/d≥20～25）的轴称之为细长轴。这类零件一般在车床上进行加工。在车削加工过程中，由于其刚性差，在切削力和切削热的作用下，细长轴很容易产生弯曲变形，使加工出来的细长轴产生中间粗、两头细的形状，严重影响零件的加工精度。可见细长轴的加工难度为众人所周知。在车削过程中产生的切削力和其本身质量、离心力的作用下，极易产生振动和弯曲变形；再由于细长轴热扩散差，线膨胀大，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， 车削细长轴时必须改善细长轴的受力问题。 加工方法： 采用反向进给车削， 选用合理的刀具几何参数、切削用量、拉紧装置和轴套式跟刀架等一系列有效措施。。。

一、造成细长轴车削弯曲变形的因素

细长轴是机器上的重要零件之一。用来支配机器中的传动零件，使传动零件有确定的工作位置，并且传递运动和转矩。由于细长轴的加工精度要求高，但细长轴本身的结构特点使之刚性差、振动大，所以加工起来存在一定的难度。

1.切削热产生的影响

车床加工工件时产生的切削热，会引起工件热变形伸长。由于在车削过程中，卡盘和尾架顶尖都是固定不动的，因此两者之间的距离也固定不变。细长轴受热后延长量会被限制，因为挤压的存在，细长轴很容易出现弯曲变形的情况。要想提高细长轴的加工精度，防止细长轴弯曲变形实质上是控制工艺系统的受力及受热变形的问题。

2.细长轴刚性很差。在车削加工时，如果装夹不当，很容易因切削力及重力的作用而产生弯曲变形，从而引起振动，降低加工精度和表面粗糙度。

3.细长轴的散热性差。在切削热的作用下。工件轴向尺寸会变热伸长，如果轴的两端为固定支承，则会因受热膨胀受限而产生弯曲变形，甚至会使工件卡死在顶尖间而无法加工。

4.细长轴轴向尺寸较长，加工时一次进给所需时间长。刀具磨损大，从而影响零件的几何形状精度。

二、解决细长轴加工变形问题的措施

在细长轴加工过程中，为提高加工精度，应根据不同的生产条件，采取不同的措施，才能保证细长轴的加工精度。

1.选择合适的装夹方法

在普通车床上车削细长轴的两种传统装夹方式中，采用双顶尖装夹，工件定位准确，容易保证同轴度。但用这种方法装夹细长轴，其刚性较差，细长轴弯曲变形较大，而且容易产生振动。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，也能导致细长轴产生弯曲变形.所以采用一夹一顶装夹方式时，顶尖必须采用弹性活顶尖，使细长轴受热后可以自由伸长，减少其受热弯曲变形；还可以在卡爪与细长轴之间垫入一个开口钢丝圈，以减少卡爪与细长轴的轴向接触长度，消除安装时的过定位，减少弯曲变形，以保证细长轴的加工精度。

2.机床的调整

细长轴的加工过程需要使用床身导轨的全部或大部分，因此机床本身的精度对加工效率、质量有着相当重要的影响。由于机床导轨面磨损程度不同，因此首先要对机床做适当的调整。使主轴中心和尾座顶尖中心线与导轨全长平行。

3.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不同，所以应该根据实际加工状况合理选择切削用量。

3.1切削深度（t）：切削深度是指在工艺系统刚度确定的前提下，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。

3.2进给量（f）：车床车削时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。

3.3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，所以切削速度应严格控制。对长径比较大的工件，切削速度要适当降低。

4.采用适当的车削方法

4.1一夹一顶上中心架，或两顶尖上中心架，正装车刀车削，适用于允许调头接刀车削的工件。

4.2一夹一顶上跟刀架，正装车刀车削，适用于不允许调头接刀车削的工件。两爪跟刀架不适用于高速切削，三爪跟刀架适用于高速切削。

4.3一夹一顶或一夹一拉，卡盘夹紧面用开口钢丝圈，上跟刀架，反向进给，适用于精车长径比大于50倍的轴

5.直接减少细长轴受力变形

5.1采用传统的跟刀架和中心架，相当于在细长轴上增加了一个支撑，增加了细长轴的刚度，可有效地减少径向切削力对细长轴的影响。

5.2采用轴向夹拉法车削细长轴，轴向夹拉车削是指在车削细长轴过程中，细长轴的一端由卡盘夹紧，另一端由专门设计的夹拉头夹紧，夹拉头给细长轴施加轴向拉力，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。

5.3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进给， 这样在加工过程中产生的轴向切削力使细长轴受拉，消除了轴向切削力引起的弯曲变形。

5.4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。

5.5采用磁力切削法车削细长轴：我们采用的磁力切削法的原理与反向切削法原理基本相同。在车削过程中，细长轴由于受到磁力拉伸的作用，可以减少细长轴加工时的弯曲变形，提高细长轴加工精度。

结论：综上所述，在日常的加工过程中通过采用合适的装夹方式和先进的加工方法，选择合理的刀具角度和切削用量等措施，保证细长轴刚性，尽可能减少车削时产生的受力、受热变形较大的问题，是解决细长轴变形问题的关键。实践证明：车削细长轴时，只要做到采用合理的装夹方法和加工方法，正确选择刀具的几何角度及切削用量，恰当的冷却润滑，就可以保证细长轴的加工精度，避免返修，报废情况的发生，提高工作效率，节约生产成本。

参考文献：

[1] 余新旸.机械制造基础[M]北京：北京大学出版社.2014.

[2] 顾崇衔.机械制造力学分析[M]北京：机械设计与制造，2004.