論細長軸的車削加工

周兆華

摘 要：該文針對細長軸在車削加工時由于工件彎曲變形而影響工件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度問題。找出引起細長軸彎曲變形的因素：工件自身剛性差、工件內部殘余應力、切削力及切削熱。通過分析不同裝夾方式對工件剛性的影響、殘余內應力的影響、刀具參數和切削用量對切削力和切削熱的影響，提出通過選擇合適裝夾方式、時效處理消除內應力、選擇合理刀具參數及控制切削用量，同時在加工時使用切削液以降低切削熱等方法來提高細長軸的加工質量。

關鍵詞：細長軸 彎曲變形 殘余內應力 切削力 切削熱

中圖分類號：TM 16 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

機械加工中工件的長度和直徑比值>7時，稱為長軸，當工件的長度和直徑之比≥20時，稱為細長軸。細長軸在加工過程中由于其自身剛性差，抗彎力弱，在切削力、殘余內應力及切削熱的作用下易出現彎曲變形，從而影響刀具和工件相對運動的準確性，使加工出的工件中間粗，兩端細，嚴重影響工件的尺寸公差。同時由于工件的彎曲變形而引起工藝系統振動，使加工出的工件易出現振刀紋，影響工件的形位公差及表面粗糙度。因此，有效控制細長軸在加工過程中的彎曲變形是提高加工質量的有效途徑。

1引起細長軸彎曲變形的因素

（1）工件剛性差，由于自重在車削加工時易發生彎曲變形；

（2）工件的材料組織結構和熱處理產生的殘余內應力導致工件彎曲變形；

（3）切削力和切削熱使工件在車削加工時易發生彎曲變形。

2 提高細長軸加工質量的加工方法

影響細長軸加工質量的主要原因是在加工過程中工件彎曲變形。從前面的分析可知引起工件變形的主要原因為：工件自身剛性差、殘余內應力、切削力及切削熱。下面就逐個分析解決上述問題，以提高工件加工質量。

2.1 選擇合適的裝夾方式

對于細長軸由于剛性差引起的變形可通過合適的裝夾方式解決，常規的裝夾方式有：雙頂裝夾，一夾一頂裝夾，采用這兩種裝夾方式加工時可使用中心架及跟刀架增加支撐點，增加軸的剛性。

雙頂裝夾 即用雙頂尖頂工件兩端中心孔，對工件進行加工。外圓在一次裝夾中完成加工，能很好的保證工件的同軸度。但其剛性差，細長軸變形較大，而且容易產生振動，因此該方式較適宜長徑比不大，加工余量較小，同軸度要求較高的工件。采用此方式裝夾時，中心孔是主要定位基準，兩端中心孔應保證同軸度、角度、表面粗糙度要求，必要時對中心孔進行研磨。

一夾一頂裝夾 即床頭端用三爪或四爪卡盤加緊工件一端外圓，尾座端用頂尖頂工件另一端中心孔，該裝夾方式中，如果頂尖頂的太緊，除了可能將工件頂彎，還將阻礙車削時由于工件受熱伸長，導致工件受到軸向擠壓而產生彎曲變形；另外卡爪夾緊面與頂尖孔可能不同軸，裝夾后會產生過定位，也將導致工件產生彎曲變形，為了減少采用該裝夾方式引起的工件彎曲變形，可在尾座端使用彈性活頂尖，使工件受熱后可以自由伸長，同時可在卡爪和工件之間墊入開口鋼絲以減少卡爪與工件的軸向接觸長度，消除裝夾時的過定位。

以上兩種裝夾方式均是工件的兩端為支撐點，中間部分懸空，由于工件本身剛性差，在切削力和工件自身重力的作用下，在加工過程中可能發生彎曲變形，從而引起振動，影響工件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度。為了改變這一狀況，可在細長軸中間增加支撐點，通常采用中心架或跟刀架來增加支撐點，當工件可以分段切削時，中心架支撐在工件中間，對工件進行分段加工；對于不易調頭車削的工件，不能使用中心架支撐，而要用跟刀架支撐工件進行車削。

2.2減少殘余應力

工件在加工過程中，由于原材料自身組織結構、熱處理、機械加工等因素的影響，工件中存在一定的內應力，在后續的加工過程中會由于內應力的釋放引起工件的變形，從而影響工件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度，特別是細長軸在加工過程中由于工件內部殘余應力的影響，工件更容易發生彎曲變形。為了改變這一狀態，細長軸在熱處理后的加工時一定要分半精加工和精加工，以便內應力釋放，同時還可以在半精加工和精加工之間安排無損檢測，以檢測熱處理可能出現的缺陷，防患于未然。對于部分工件由于內應力過大，無法通過分半精加工和精加工釋放內應力，此時要通過去應力時效消除殘余應力，以方便后續的加工。

2.3有效控制切削力和切削熱

切削力和切削熱在加工過程中隨刀具參數和切削用量的變化而變化，切削熱的變化還和工件自身的散熱性有關系，但對于已確定的工件，工件自身的散熱性已確定，只能從刀具參數及切削用量等因素改變，并且配合使用切削液。

（1）選擇合理的刀具參數。

為了減少車削細長軸時產生的彎曲變形，要求車削時產生的切削力越小越好，而在刀具的幾何角度中，前角、主偏角、刃傾角對切削力的影響最大。

前角（γ0） 前角大小直接影響切削區的變形、切削力、溫度、功率消耗等。增大前角，可以使被切削金屬層的塑性變形程度減小，切削力明顯減小，增大前角可降低切削功率，降低溫度，減小切削熱。當工藝系統剛性差時，前角應大些。因此在車削細長軸時，在保證車刀有足夠強度的前期下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γ0=15°～30°。

主偏角（Kr） 主偏角大小影響著3個切削分力的大小和比例關系，隨著主偏角的增大，徑向切削力明顯減小，切向切削力在Kr=60°～90°時卻又所增大。在Kr=60°～75°范圍內，3個切削分力的比例關系比較合理，在車削細長軸時，一般采用Kr≥60°。

刃傾角（λs） 刃傾角影響著車削過程中切削的流向、刀尖的強度及3個切削分力的比例關系，隨著刃傾角的增大，徑向切削分力明顯減小，但軸向切削力和切向切削力卻有所增大，λs=﹣10°～10°時，3個切削分力的比例關系比較合理，在車削細長軸時，常采用λs=3°～10°，以使切削流向待加工表面。

除以上要求的刀具參數外，還應降低切削刃表面粗糙度值，刀刃保持鋒利；車刀前應磨有R1.5～3 mm的斷屑槽，使鐵屑彎曲折斷；不磨或磨的很小的刀尖圓弧過渡刃和倒棱，保持刀尖的鋒利，減小徑向切削力。

（2）合理控制切削用量。

切削用量的選擇是否合理，對切削過程中產生的切削力的大小，切削熱的多少是不同的，因此對車削細長軸時引起的變形也是不同的，所以車削細長軸切削用量的選擇原則是：盡可能減少徑向切削分力，減少切削熱。

切削深度（ap） 切削深度增加，主切削力將會增加，使得工藝系統容易變形，振動大，工件的加工精度下降，粗糙度增大。結合細長軸本身剛性差的特點，在細長軸加工時盡量減少切削深度。

進給量（f） 進給量增加會使切削層厚度增加，切削面積增加，主切削力、摩擦力增加，進而引起切削力增加，但切削力不是按比例增加的，如果從提高切削效率的角度看，增大進給量比增減切削深度有利

切削速度（v） 提高切削速度有利于降低切削力。這是因為，隨著切削速度的增加，切削溫度增加，刀具與工件之間的摩擦力減小，細長軸的受力變形減小，但切削速度過高時細長軸在離心力作用下容易發生彎曲變形，破壞切削過程的平穩性，所以切削速度應控制在一定范圍內，對長徑比較大的工件，切削速度要適當降低。

通過前面的分析可知，通過合理選擇刀具參數和切削用量可以降低切削力和切削熱，從而有效控制工件的加工質量。同時在切削過程中還應使用切削液，切削液可降低切削溫度，減小摩擦，提高刀具的耐用度，減小工件、刀具的熱膨脹，提高加工精度。

3 結語

細長軸加工是機械加工中較常見的一種加工方式，在加工過程中由于工件自重、殘余內應力、切削力、熱變形等因素影響，使其加工質量不易保證，但在加工過程中可根據工件的具體狀況選擇合適的裝夾方式、合理的刀具參數、切削用量及先進的加工方法，以提高工件的加工質量。

參考文獻

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