淺析細長軸切削用量及刀具角度優化措施

李章峨

（遼寧豐田金杯技師學院，遼寧 沈陽 110015）

0 引言

工件的長度L和直徑D之比大于25 的軸類零件，稱為細長軸[1]。細長軸的加工技術含量較高，由于細長軸本身的柔、軟、彎等特性，使工件的剛性不足，車削過程中易產生彎曲變形，易車削成中間粗、兩端細的腰鼓形。細長軸本身由自重而引起彎曲變形，使中部下垂，在旋轉過程中，受離心力作用而產生機械振動，導致加工過程中細長軸的幾何形狀公差很容易超差。多年來，這個加工難點一直困擾著加工人員，經過反復試驗、歸納，總結出細長軸的加工工藝方法，提高細長軸加工質量。

1 工件分析

在車床進行細長軸的車削，是有較復雜的工藝過程。細長軸由于L/D＞25 倍時此軸太細，剛性很差，加工過程中易彎曲變形。如圖1 所示，細長軸其重要尺寸及精度要求：尺寸精度：、1000±0.5、幾何公差：軸的外輪廓圓度要求0.007、以中心孔A 為基準的輪廓跳動量0.02、表面質量Ra ≈1.6μm。其他要求：2 × A3 共計 2 處（測量基準與安裝基準統一：兩側中心孔）；C1 共計2 處（1 ×45°）。

2 問題淺析

在車削時的主要問題如下。1）車削過程中，由于切削熱傳導給工件，使工件溫度升高，工件就開始伸長，產生熱變形，這就叫“熱變形”。在車削一般軸類時可以不考慮熱變形伸長問題，但是車削細長軸時，因為工件長，伸長量大，要考慮熱變形的影響[2]。2）由于兩頂尖間對長度的限制會使兩頂尖孔被破壞，有時會自動彎曲。一旦細長軸產生彎曲，細長軸的加工就很難進行。為此，可以使用彈性回轉頂尖來補償工件熱變形伸長。當工件伸長時，工件推動頂尖，使頂尖內的蝶形彈簧壓縮變形。這樣可以對工件熱變形進行補償。通過長期的生產實踐證明，用彈性頂尖加工細長軸，可以有效地補償工件的熱變形伸長，工件在車削時不易產生彎曲變形，車削可以順利進行。3）工件由于在高速的旋轉中產生離心力而使工件彎曲，另外工件在自重的情況下也會使工件彎曲變形。由于細長軸剛性不足，車削時工件易產生震動，導致出現工件變形，使工件的幾何形狀公差嚴重超差，達不到工件尺寸精度和形狀精度的基本要求。4）在跟刀架的選用上，一般都會選擇2只卡爪的跟刀架。使用時由于跟刀架的卡爪與工件的接觸力不宜控制，所以會出現2 種不同的加工狀況，如果壓力過大會把工件車成“竹節形”。其原因是當剛開始車削時，由于尾座頂尖的作用下能夠正常地加工，車過一段距離后卡爪就會把工件壓向車刀，使背吃刀量增加，工件的直徑就車小了。當跟刀架卡爪移動到車小的工件外圓時，卡爪與工件表面脫離，在車刀徑向力的作用下，工件向外讓開，使背吃刀量減小，工件的直徑又增大了。往復的規律變化產生了“竹節形”。如果壓力過小會把工件車成“麻花形”其原因是由于卡爪與工件間隙的存在，及工件的自重旋轉時產生的離心力，由于工件的不規則的旋轉使得車刀的切削深度不斷變化，而使工件產生扭曲的形狀。

3 解決工藝方法與措施

結合毛坯尺寸φ28×1000 機床型號CA6140或CA6150，根據工件圖的具體要求制定加工工藝內容，見表1。車削細長軸時，因為工件剛度較差，切削用量應適當減小[2]，根據加工工藝內容制定選擇合理的切削用量，見表2。

圖1 細長軸

表1 加工工藝內容

表2 切削用量表

4 車刀幾何角度選擇

為了減小切削力對細長軸切削變形的影響，經過反復驗證，得到以下的切削角度能較好的完成細長軸的加工。1）利用主偏角為90°的偏刀消除徑向力的影響安裝車刀時要保證車刀的主偏角Kr93°。2） 磨有橫向卷屑槽保證刃傾角λ=5°。3）刀頭材料YT15。YT30。均可。4）要保證車床剛性良好車刀安裝可略高于中心0.1 mm ～0.2 mm。

車刀幾何形狀如圖2 所示。

圖2 刀具角度

在機床剛性和精度保證的情況下，刀刃Ra 可達0.8 左右，確保刀具質量合格。

5 精加工以磨代替車削

由于生產任務的逐漸增多，現有的工藝方法滿足不了實際的需要。然后又對工藝進行了研究評判，增加了無心磨削的工藝過程，無需精車加工，使車削的效率進一步提高，改進后的粗車、半精車切削用量以及刀具的選擇如下。

刀具選擇如下。1）60°螺紋車刀、45°彎頭外圓車刀（減小主偏角，減小軸向切削力）。2）材質：YT15（高速切削提高效率）。3）車刀角度γ- 前角（-3°～-5°）、α-后角（8°～10°）、λ為 -3°～-5°（刃傾角）、Kr-主偏角為 45°～60°、Kr’ - 副偏角為6°～8°、修光刃長度為1.5f。4）切削用量選擇：ap為1 mm～2 mm、f為0.71 mm/r～0.81 mm/r、vc為60 m/min ～90 m/min （在工件表面形成較為明顯的進給量的紋理）。5）跟刀架選擇。

選擇兩爪跟刀架（鑄鐵材質，研爪時確保接觸面形成進給量的紋理），此項工藝改變，使車床加工細長軸的方法更容易掌握，跟刀架與工件的接觸更加平穩，雖然工件加工后存在一定的彎曲，經過后序的磨削達到產品的質量要求，保證了生產的順利完成。在解決實際問題的同時，對操作者的能力提升也起到了積極的促進作用。

由于切削用量與刀具的改進，細長軸車削有了穩定的工藝方法和穩定的質量保證，在生產實踐活動中對細長工件的加工積累了寶貴的經驗。以前由于質量問題影響了正常工作，影響了生產任務的完成。現在經過改進后的工藝方法和工藝流程確保了生產任務的完成尤其對確保質量的合格起到了關鍵作用。

6 結語

相關車削細長軸的關鍵技術除了跟刀架的使用，還要避免工件的熱變形伸長，以及合理選擇刀具的幾何角度3個方面。鑒于這3 個方面的原因，為我們提供了清晰的可借鑒的教學課題。我們針對3 種不同情況的不同要求，逐一進行了細致的實踐，不僅找出了問題產生的原因，而且我們找到了解決問題的方法，無論是在工藝方法、工藝流程、尺寸精度、形狀精度上均有較大的改善。在實現細長軸的加工要求、保證尺寸精度和形狀精度的基礎上，總結出合理的穩定的加工方法和工藝流程，這樣不僅為細長軸加工找到了解決問題的方法，同時對于職業教育、車削加工專業的學習也提供了可靠的依據及方法，對工藝過程進行了歸納與總結。