細長軸車削加工問題淺析

于志良

摘 要：細長軸屬于軸系零件，是機加工中常見的加工零件。在加工細長軸中由于長度與直徑比值太大，剛性差，因此在切削力作用下，如其他措施采取不當，會造成細長軸在機加工過程中產生彎曲變形等加工缺陷，給生產帶來影響。

關鍵詞：細長軸;切削加工;加工缺陷分析;提高措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.007

1 細長軸零件概述

工件長度與直徑之比超過一定數值（機械設計手冊規定為數值大于等于20）的軸類零件稱為細長軸。鐵路機車車輛零件中如傳動軸、調整螺桿;機床光杠等都屬于細長軸。

細長軸車削的加工特點：

細長軸由于長度與直徑之比超過一定數值，因此抗彎曲能力差，剛性弱，車削時如果裝夾不當，車刀幾何角度選擇不當，并且不采取穩定措施（如中心架、跟刀架等輔助設備），容易產生加工缺陷，導致加工質量的降低。

2 細長軸車削加工中出現加工問題的分析

在車床上加工削細長軸常見的加工問題主要有：加工彎曲、竹節形、多邊形、錐度、表面粗糙度降低等。

（1）彎曲。產生彎曲的原因很多，主要有以下幾方面：

1）坯料自重和本身彎曲，應該經過矯直和熱處理然后再進行加工;2）工件裝夾不良，尾座頂尖與工件中心孔頂的過緊;3）刀尖與跟刀架支撐塊間距離過大。

（2）竹節形和多邊形。一夾一頂的裝夾方式中，會導致出現切削力，并且該力主要分為兩種類型，一種是徑向切削力，用Py表示，另外一種是軸向切削力，用Px表示，前者如果出現，會導致細長軸發生彎曲現象，致使在水平面的情況下發生變形，如果出現后者切削力，通常情況下，相關零部件不會受到影響，而因為細長軸自身剛性比較差，因此，一旦軸向切削力達到相應的程度，則容易導致細長軸發生彎曲現象。

1）在選擇刀具切削用量以及幾何參數時，容易發生選擇不合適情況，致使發生切削力超過一定規范標準。2）在切削過程中出現熱變形情況，有關工件在受熱情況下甚至出現伸長等現象。

在實施車削時，往往尾架頂尖以及卡盤不會發生任何移動，所以，尾架頂尖以及卡盤的位置不會發生變化，距離保持不變，因為即使細長軸受熱，則不會發生伸長量超過限制情況，但是容易受到軸向的負荷，致使出現變形彎曲等情況。

竹節形和多邊形的產生主要與跟刀架的應用存在關聯性。跟刀架在應用過程中一旦零件受到不適當的支撐工件負荷力，則容易導致加工精度受到影響。

如果該壓力幾乎為零，或者兩者之間不存在任何接觸，則不會產生任何作用，導致零件剛度不會提高，如果該壓力比較大，則零件在壓力作用下會朝著車刀推進，致使切削的深度大幅度提高，車削直徑則往往非常小，如果與刀架同步推移，則小直徑外圓處會受到支撐塊的作用，導致工件與支撐塊之間發生脫離現象，導致工件外向發展，切削深度大幅度降低，車出的直徑逐漸擴大啊，而跟刀架會順著大直徑圓移動，車刀會受到工件的壓力，致使直徑大幅度降低，整個過程會呈現出一定規律，使得攻堅最終變為竹節形狀。

（3）錐度。尾座頂尖與主軸軸線對床身導軌的不平行和刀具的磨損是產生錐度的主要原因。

（4）表面粗糙度。表面粗糙度達不到工件的技術要求，是車削細長軸時的一個普遍問題，主要原因如下：1）車削時的振動;2）跟刀架支撐塊材料選用不當，與工件接觸和摩擦不良，造成表面粗糙度降低;3）刀具幾何參數選擇不當，造成表面粗糙度降低。

3 提高細長軸加工精度的措施

雖然車細長軸的難度較大，但它也有一定的規律性，主要抓住中心架和跟刀架的使用、解決工件熱變形伸長以及合理選擇車刀幾何形狀和切削用量等幾個關鍵技術，問題就能解決。

（1）裝夾方法選擇。如果應用的裝夾方法為雙頂尖樁夾，則安裝過程沒有存在任何錯誤，并且能過有效定位工件的位置，實現同軸度的有效確定，在細長軸裝夾過程中，由于剛性問題，導致細長軸出現變形情況，同時容易出現振動現象。

（2）通過跟刀架和中心架防止出現細長軸變形現象。如果應用的裝夾方式為一加一頂方法，則在細長軸車削時能過防止細長軸受到徑向切削力的影響，原有的方法在使用時會通過中心架和刀架來實施，即加入相應的支撐件，從而為細長軸的剛度提供保障，避免細長軸受到徑向切削力的干擾。

（3）切削用量有效控制。1）切削深度（t）。在對工藝系統剛度進行有效控制的基礎上，如果切削深度出現上漲趨勢，則相應的切削熱以及切削力會隨之出現增加，所以，在細長軸車削過程中要有效避免切削深度出現減少情況。2）進給量（f）。切削厚度會受到進給量的影響，往往前者出現增加情況，則后者會隨之增大，但是兩者之間不是呈現出正比關系，對應的受力變形系數出現降低情況，例如依照切削效率來分析，盡可能選擇增大進給量，從而為切削質量和效率提供保障。3）切削速度（v）。提高切削速度有利于降低切削力。

（4）選擇合理的刀具角度。1）前角（γ）。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。增大前角可以降低切削力，所以在細長軸車削中，在保證車刀有足夠強度前提下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γ=15°～30°。2）主偏角（kr）。刀具的主偏角是影響徑向切削力的主要因素，隨著主偏角的增大，徑向切削力明顯減小，切向切削力在60°～90°時卻有所增大。在60°～75°范圍內，3個切削分力的比例關系比較合理。在不影響刀具強度情況下，應盡量增大車刀主偏角，一般采用大于60°的主偏角，取kr=80°～93°。3）刃傾角（λs）。刃傾角影響著車削過程中切屑的流向，隨著刃傾角的增大，徑向切削力明顯減小，但軸向切削力和切向切削力卻有所增大。選擇正刃傾角，取λs=3°使切削屑流向待加工表面，并在車刀前面磨出R11.5～3的斷屑槽，使切削順利卷曲折斷。

（5）采用反向進給切削法。在車削長度與直徑比比較大的細長軸時，可采用反向進給切削法，車刀從卡盤方向往尾座方向進給。使工件受軸向拉力，能消除振動，提高加工質量。

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