高速切削細長軸類零件的研究與探討

孔憲華，王 亮

（河南機電職業學院，河南 鄭州 451191）

0 引 言

隨著先進制造技術的發展，無論是日常生活還是專業領域，人們對機械產品的質量要求越來越高，這就需要在加工產品的同時不斷的改革和創新，應用更多新的科學技術和生產工藝來滿足產品質量的需求。

細長軸類零件的生產制造無論是車床工藝系統（機床—工件—刀具）優化還是加工工藝方案的選取一直是公認的難題。我們把長度與直徑之比大于25（即L/d>25）的軸叫細長軸，由于細長軸本身剛性比較差，切削力、振動和切削溫度對于細長軸的機械加工精度和表面質量的影響非常明顯，同時車削工藝系統的剛性不足，也常常會使工件在加工中產生腰鼓形、麻花形、竹節形等缺陷，所以要改善此類零件加工質量和提高生產效率，合理采用高速切削技術，能有效地降低各種因素對細長軸類零件加工時的不利影響。

1 高速切削對切削力的影響

圖1 切削模型

圖2 切削速度和切削力的關系

由于細長軸類零件本身的剛性差，加工時因切削力的作用而容易變形，從而影響加工精度和表面質量，所以必須降低切削力。如圖1所示，采用傳統切削速度時，切屑理論斷裂層中的延展材料隨著塑性變形而發生應變硬化，塑性剪切應變限制在材料的部分弱剪切區，由于應變硬化了材料，并且不斷地在材料中擴散，會使切削力增加；相反，如果切削速度夠快，使應變硬化來不及發生，變形只發生在小范圍內，會使切削力遠遠小于傳統速度時的切削力[1]。正因此，才得到了如圖2所示的切削速度和切削力的關系曲線，在傳統速度0~800 m/min區間，切削力隨著切削速度的增大而增大；但是超過了800 m/min左右的峰值之后，在800~1200 m/min的區間內，切削力隨著切削速度的增大而減小。實踐證明，高速切削在加工細長軸類零件時可以使切削力降低30%以上，同時高速切削采用了較小的背吃刀量，那么可以使剛性較差、易變形的細長軸零件減少其變形，提高加工精度。

2 高速切削對振動的影響

加工細長軸類零件時，減小刀具與工件之間的相對振動可以有效地避免車削加工時易產生的彎曲、錐度、鼓形和棱帶。振動主要取決于切削系統的工作頻率和機床的低階固有頻率，當兩者偏離時就不會發生共振，震動就越小，加工過程就平穩[2]；通過圖3，我們可以觀察到，當切削速度達到40~60 m/min時，切削系統的工作頻率和機床的低階固有頻率最接近，振幅最大，振動劇烈,但是隨著切削速度的增加，兩者的頻率慢慢的偏離，振幅反而慢慢的變小。采用高速切削有利于避免震動，減少工件的熱變形和內應力，提高了細長軸類零件加工的精度和表面質量。

3 高速切削對切削溫度的影響

根據切削過程我們知道，工藝系統產生的熱主要傳遞到刀具、工件和切屑當中，其中切屑帶走的熱占了絕大部分。

圖3 切削速度與振幅的關系

圖4 切削溫度與速度的關系

圖4 為切削過程中，不同切削速度下最高切削溫度的實驗結果與模擬結果[3]的比較，隨著切削速度增大，切削溫度也隨之提高，但切削速度增大到一定范圍后，切削溫度的變化越來越遲緩，切削溫度基本不再升高，之所以會這樣正是因為隨著切削速度的增大，切屑以很高的速度被排出，帶走大量的熱量，且速度越高帶走的熱量越多，可以達到90%以上，從而使得傳遞給刀具和工件的熱量大大減少。如果按照切削專家薩洛蒙的假設，當速度繼續增大，切削溫度反而降低，切削力也大幅度下降。由于實驗條件有限，結論并未得到有力的證實。但是，采用高速切削，降低了切削系統的溫度，減少了工藝系統的熱變形，有利于提高細長軸類零件的加工精度。

4 結束語

由此可見，細長軸類零件的加工主要解決此類零件的剛性差、振動激烈和切削熱大而引起的問題；為了有效地避免這些因素對工件加工精度和表面質量的影響，除了傳統使用中心架和跟刀架增加剛度減小變形的方法外，采用高速切削也是一種實用而可行的新手段。

[1] 武文革，辛志杰.金屬切削原理及刀具[M]．北京：國防工業出版社，2009.

[2] 韓榮第，郭建亮.細長桿車削淺析[J]．機械研究與應用，2004（3）:15-16,21.

[3] 聶宇宏，杜美憬，謝凱弘，等.切削速度對切削過程溫度分布影響的研究[J]．工具技術，2009（7）:26-28.