普車實習教學中防止細長軸加工振動及變形的探討

陳垚

工件的長度L與直徑d之比大于25（即長徑比L/d>25）的軸類零件稱為細長軸。細長軸的外形并不復雜，但由于其本身的剛度低，車削時又受到切削力、重力、切削熱等因素的影響，容易產生彎曲變形以及振動、錐度、腰鼓行、竹節形等缺陷，難以保證精度。在中等職業學校普車實習教學中，對這一課題的把握是非常不容易的。長徑比越大，加工的難度就越大。根據本人在普車實習教學環節的一些教學經驗總結了一些易于學生掌握的方法在這里探討一二。

一、加工前的準備工作

1.熱處理及校直

（1）細長軸在車削加工前，或在粗車與精車之間進行幾次調質處理消除內應力，是可以防止車削過程中的彎曲變形的。尤其對于長徑比比較大或段差較多的細長軸效果更好。

調質處理的前后工序之間需保持適當的加工余量。其值與軸的長徑比、材料的材質、熱處理的方法以及車削時的夾持方法等有關。據經驗，一般以3～7mm為宜。

（2）彎曲度過大的毛胚材料或曾經粗加工的細長軸，車削前應進行校直工作，務必使彎曲度的最大值不超過車削時的切削深度。為了消除校直而產生的內應力，最好再進行一次調質處理。

2.鉆中心孔時應注意的事項

為了保證中心孔和間有頂尖正確的接觸，可先在細長軸的端面用普通的麻花鉆頭鉆出一個小的圓柱孔，把細長軸裝夾在車床上，然后在靠近尾座處車削一段其長度略大于中心架的支撐爪寬度的圓柱部分。為了消除材料的彈、塑性變形和細長軸的跳動、橢圓度，以及獲得良好的表面粗糙的度，車削必須分粗精車進行，這樣與中心架的支撐爪端面的接觸部分能具有良好的狀態。然后在此處安裝中心架并調整好支撐爪，在車削端面后用中心鉆鉆出標準的中心孔。鉆中心孔時應充地澆注冷卻潤滑液；并在將近鉆削結束時極緩慢地進刀，就此可得到光滑而正確的中心孔了。

二、切削熱對工件彎曲影響及解決方法

1.切削熱對工件彎曲的影響

以加工長度為3000mm的細長軸為例，假設車削過程中因切削熱的影響使細長軸內部溫度升高并超過室溫高50℃，由于熱膨脹的結果它將會在軸向增長1.8mm。

△Lt=L.α.t=3000×0.000012×50=1.8（mm）

還應該指出的，細長軸并不是靜止地擱置在車床上，而是還以一定的轉速在旋轉著的。假設該軸的長度l為3000mm，進給量S為0.2mm/轉，那么每車削一次全長，將扭轉15，000次，這樣就自然地容易產生彎曲變形了。

2.針對切削熱影響工件彎曲的解決方法

為了防止細長軸在車削過程中產生熱膨脹而引起的彎曲變形，較妥善的措施是：

（1）在車削過程中充分澆注冷卻潤滑液（乳化液、極壓切削液、油類及其它），將細長軸表面因切削而產生的熱量帶走而不致傳入軸的內部，使軸的溫度盡量不要升高。

（2）采用有彈性的頂尖。該頂尖的芯子能夠向后移動，以補償細長軸的熱膨脹伸長。

三、車刀幾何形狀影響及合理選擇

1.前角影響及合理選擇

它直接影響刀尖的強度和切屑的形狀。增大前角，可使刀鋒銳利，減少切屑的變形和摩擦，使切屑容易流出；降低切削熱和切削力。車削細長軸時，應該選擇較大的前角，γ取20～30°為宜。并且盡可能把車刀的前面磨得光滑些（0.1μm），以減少切屑之間的摩擦。

2.主后角影響及合理選擇

主后角確定后，主后角越大刀鋒越銳利，可以減少與細長軸的摩擦，并使切削抗力變小，細長軸變形的可能性也就小了。但太大的主后角將會削弱刀具的強度；又因為工件較長，連續切削的時間也長，刀具磨損也會多些。因此，主后角α為7～10°為宜。

3.主偏角的影響及合理選擇

改變主偏角K后，不僅可以改變切削厚度和切削寬度，而且還可以改變徑向切削力Py和軸向切削力Px的比值。

車削細長軸時，引起振動和變形的切削力，主要是徑向切削力Py和切線方向切削力P2。為了減少徑向切削力Py，盡可能增大主偏角K，粗車時可取K=80～85°，精車時最好取K=93°左右。

徑向切削力Py的降低，不僅提高了細長軸的穩定性，而且也減少了細長軸表面與移動的跟刀架的支撐爪之間的摩擦，從而提高細長軸直徑尺寸的精度。另外，主偏角K增大后，每轉切削的寬度也相應地減少了，因而切削力也隨之減少，從而減少細長軸的變形和振動。

4.刃傾角的影響及合理選擇

將車刀的切削刃磨成具有10～15°的刃傾角，這不僅能使車刀容易切入細長軸；而且可以減少切削力；并且還能夠控制切屑向細長軸的待加工表面流出，保護已加工表面的光度。

四、使用中心架和移動跟刀架技巧

細長比值大的細長軸，由于剛性差、加上自身重力而產生了撓度，很難承受較大的切削力。因此在車削過程中往往需要使用一個至幾個中心架；有時還需要增加移動的跟刀架一起使用。

1.固定中心架的使用

剛性比較好的細長軸在車削前，先在其端面鉆一個中心孔，然后把它夾持在車床上；接著在靠近頂尖處和軸的中間（準備安裝固定的中心架的位置）分別車削一段直徑完全相同，長度約60～80mm的圓柱部分。在車削中間一段時，最好用彈簧車刀（或者把車刀裝在彈簧刀桿內）車削，因為這樣做可防止車削時產生振動，更重要的可使車削后的圓柱體不出現橢圓度和獲得良好的表面粗糙度。

中心架安裝后，還應將它的左右兩個支撐爪的端面與工件按觸（憑操作者手的惑覺）的基礎上，進一步調節這兩個支撐爪迫使細長適當的抬高一些，以消除撓度e。

如果調節工作做得正確的，那未用百分表檢驗頂尖處和中間已車削過的圓柱部分的外徑時，百分表中讀數應該是相同的。

最后蓋好穩定扶料架的上蓋，隨即調節好上面那個支撐爪，使其端面與細長軸表面輕微接觸即可。

2.移動跟刀架的使用

裝置在溜板上的移動跟刀架是跟隨車刀移進的。它可以抵抗切削中的切線方向切削力和徑向切削力Py，增強細長軸在切削時的穩定性，防止振動而獲得較好的形狀精度和表面光度的車床附件。

移動跟刀架的使用方法，基本上與固定的中心架的使用方法相同，但較為更復雜些，必須認真地處理。采用移動的跟刀架的車細長軸，長徑比l/D都在25以上，剛性很差。車削過程中瞬時產生的工件直徑Φ，車刀刀尖與車刀對面的支撐爪（下稱旁支撐爪）端面之間的距離S。

移動跟刀架沿著旋轉的細長軸軸向移進時，支撐爪端面與細長軸表面連續不斷的摩擦而磨損，導致S將逐漸增大，直徑Φ也會隨之增大。

旁支撐爪與細長軸之間的摩擦，是由徑向切削力Py所引起的；而上支撐爪與細長軸之間的摩擦，是由切線方向切削力P2所引起的。P2與Py之比約為1：0.4之間，所以上支撐爪容易磨損。在實際工作中也表明，上支撐爪比旁支撐爪需要調節的機會多些。如果不充分認識這一點，或因工作疏忽而使細長軸出現Φ>S的情況。這樣不僅使細長軸的直徑尺寸出現誤差；而且使車刀在切削時的實際切削角度發生變化，影響切削效率。

實際生產中還表明，支撐爪的調節還與的幾何角度有關。例如P2/Py隨主偏角Φ增大而增大，上支撐爪的磨損程度也隨之嚴重，需要調節的機會也更多些了。調整移動的跟刀架的支撐爪，應根據支撐爪的磨損程度及時地微量的調節（上、旁兩個支撐爪分別向細長軸的中心移進）。若不小心謹慎地操作，立即會使細長軸的直徑出現一節大，一節小的形狀，稱為「竹節形」。

使用移動的跟刀架車削的細長軸，在每次車削前最好能進行一次校直工作，使其彎曲度小于車削一次的切削深度t，以便一次進給就能把彎曲部分全部切去。如果細長軸車削后的表面留有部分未切去的缺陷。則缺陷與旁支撐爪端面接觸，在其對面的車刀就會車出呈凸棱。更由于移動的跟刀架具有幾個支撐爪，因此細長軸表面將會呈現2～3條螺旋形的凸棱。

除此以外還應注意，學生無論是使用固定的中心架或是移動跟刀架，都不宜使支撐爪對細長軸壓得太緊。其危害性除了以上已經談及的以外，還因為細長軸在車削過程中是以一定轉速在旋轉著的，它既要承受切削力。還需克服與支撐爪之間的摩擦力，所承受的扭力較大，是促使它彎曲變形的一個重要因素。