階梯軸的車削振紋分析

彭 宏

（四川航天川南火工技術有限公司，四川瀘州 64600）

0 引言

機器的性能、裝配精度、使用年限受階梯軸零件的加工質量影響較大，尤其是軍用類軸零件在惡劣的條件下工作，且對安全性能要求也較高，所以它的加工精度就更加關鍵[1]。

1 階梯軸車削工藝分析

階梯軸的車削工藝直接影響著階梯軸的加工質量，因此，有必要對其加工工藝進行深入分析。由于階梯軸的剛性差、長徑比大，因此加工難度大，以圖1 所示的階梯軸加工為例，對階梯軸車削加工工藝進行說明。

圖1 階梯軸加工示意

1.1 加工技術要求

（1）尺寸精度。階梯軸作為傳動系統軸的重要組成零部件，與軸向配合零件的回轉精度和支撐軸承的使用壽命都受軸尺寸、精度的影響，因此對階梯軸的尺寸精度一般來說是比較高的，特別是軸與軸承相互配合的地方，其公差往往要求在10 μm 左右，對車削機床的性能及后期產品質量檢測技術的要求都非常高。

（2）位置精度。階梯軸上有不同尺寸的軸肩，軸肩的作用是定位不同內徑的安裝零件，如齒輪，軸承。階梯軸主要用來定位安裝零件，尺寸不同的軸肩能抑制零件沿軸線方向運動或抑制其運動趨勢，軸肩還能預防安裝的零件在工作中發生不同程度的滑移，且可以降低零件產生的軸向壓力，以防止對其他部位的零件產生影響[2]。如果階梯軸的位置精度較低將導致軸肩定位不準確，軸上零件與軸之間發生相對移動，降低運動精度，產生振動和噪聲，增加摩擦磨損，降低軸與軸上零件的使用壽命。由于軸上零部件磨損加劇，會產生大量摩擦熱，軸與各零件吸熱發生熱脹冷縮現象，將進一步影響系統的運行精度。

（3）軸的材料。階梯軸上通常配合著2 個及以上的運動零件，軸的主要作用是傳遞扭矩，其需要進行長時間、高強度、高負荷的工作狀態，軸的材料對軸的性能具有決定性的影響，不同材料加工的階梯軸的性能不同，使用高硬度的材料雖能保證軸的強度，但其可加工性能隨之降低，因此應按照階梯軸所處工況進行合理選擇。

（4）形狀精度。形狀精度是指經過車削加工之后的階梯軸的真實尺寸偏離公差帶中心的程度，所以尺寸公差對加工零件的尺寸精度具有絕對的評價作用，尺寸公差越大會導致精度降低，尺寸公差越小，尺寸精度越高[3]。尺寸公差并不是隨意給定的，它是指在零件加工過程中零件加工尺寸所允許變動的范圍，需要根據零件的裝配精度等要求進行確定。

（5）表面質量。表面粗糙度指的是被加工面存在微小距離和不平度。它的波峰或波谷之間的間隔很小，不能用肉眼分別，所以也可算作形狀誤差。粗糙度越大，表面越不光滑。機械零件的性能在很大程度上受表面粗糙度的影響，大致體現在：零件的耐磨性、疲勞強度、抗腐蝕性、密封性、配合穩定性、接觸剛度、測量精度。表面質量差的軸，在裝配以后軸和軸套或者其他工件之間摩擦會很大，會引起發熱，抖動等。如果粗糙度輪廓波峰很高，裝配后波峰會很快磨損，經過使用后會使配合間隙很大。如果粗糙度很小，潤滑油會難以附著在工件表面，用久了會損傷軸體。需要根據不同的使用情況來判斷軸的粗糙度加工。

1.2 車削過程中的問題

階梯軸由于其結構特性，在加工過程中軸的尺寸在變化，且軸的長度較長，直徑較小，在加工過程中容易產生顫振從而導致所加工的階梯軸無法達到設計要求。在加工軸肩處容易產生應力集中，產生熱變形和彈性變形，造成形狀誤差不滿足要求；在加工軸肩處時，由于車刀與工件的接觸面發生突變，切削力的大小和方向也發生變化，從而造成軸在軸線方向發生變形，產生局部的明顯應力集中現象對尺寸精度產生影響；由于車削時間長，在軸的表面容易產生加工硬化現象，加快刀具磨損；不同的裝夾方式也對加工質量有重要影響，反復裝夾對操作者的技術要求較高。

2 階梯軸車削加工參數選擇

2.1 刀具參數的選擇

車刀的主要結構如圖2 所示。

圖2 車刀的主要結構

（1）主偏角Kr：徑向切削力與刀具主偏角成負相關的關系，當主偏角從0°增大到90°的過程中，徑向切削力隨之減小，而徑向切削力越大對軸的彎曲變形影響越大，因此需要盡量減小徑向切削力，從而減小徑向切削力對軸彎曲變形的影響，保證階梯軸的尺寸穩定性。為此，在加工過程中刀具主偏角Kr應盡量保持在80°～90°，以減小切削振動的發生。

（2）副偏角Kr’：在加工階梯軸的過程中需要加工退刀槽，為了保證刀具與工件之間不發生干涉，應使凹槽的倒角小于刀具副偏角的角度。

（3）前角γ：適當的增加前角可降低摩擦和切削變形，具體措施可采取：減小切削溫度、切削力、刀具磨損，減少積屑瘤的同時提高加工質量等。但是前角太大會減小刀頭的強度，所以前角的大小要取合適。

（4）后角：適當的增加后角可降低加工表面和后刀面間的摩擦，減小刀具磨損還可通過減小切削刃鈍圓半徑和表面粗糙度值的方式實現。但是考慮到后角太大會降低刀刃強度和散熱能力，所以其大小要選擇恰當。

（5）副后角：副后角通常取與后角相同的值。

（6）刃傾角：刃傾角是用來掌控切屑的流向、控制切削刃與工件接觸時的位置和平穩性。不連續切削時，刃傾角為是零，工件和切削刃同時接觸和切離，并會產生振動；假如刃傾角不為0，那么切削刃上的點慢慢切入工件和切離工件，即切削過程穩定[4]。選取刃傾角時，須按刀具的情況具體分析，通常可按加工性質進行選擇。

2.2 切削用量的選擇

切削用量的三要素分別是切削速度、進給量、背吃刀量。

切削用量選取的原則：①通過對工件加工余量和加工要求的判斷，選則準確的背吃刀量，一般來說，背吃刀量隨切削余量的減小而減小；②在允許的切削力范圍內選取恰當的進給量，加工工藝系統包含機床進給系統、工件剛度以及加工表面的粗糙度要求；③根據刀具和材料的材質確定切削速度，避免產生加工硬化從而加快刀具的磨損失效；④根據機床的功率范圍，確定切削用量的小[5]。切削參數見表1。

表1 切削參數

3 切削試驗示例

利用上述加工參數對階梯軸進行加工，通過對粗加工后的成品（圖3）觀察可以清晰地發現在軸段上產生了明顯的振紋，其表面質量不符合加工要求，通過對加工過程進行分析可以發現，粗加工階段系統剛性不夠，從而工件上產生振紋，所以需要對中心架的安裝位置進行調整，以保證加工系統的剛性[6]。

圖3 粗加工階梯軸

在階梯軸的粗加工過程中，振紋不會在凹槽區域產生，精加工過程中，該區域不會產生振動，通過改變切削參數可以提升工件加工質量；假如在粗加工過程中，凹槽突然發生振紋，從而會影響精加工時的余量，刀具在切削留有振紋的表面時，其切削厚度會規律性地波動，階梯軸相應地會發生自激振動，從而精加工后，工件表面還是會產生振紋，這會嚴重影響到加工質量，即階梯軸車削的最關鍵的部分是如何確保粗加工過程中凹槽的表面質量。為了準確找到中心架安裝的位置。在不斷調整位置的過程中發現：安裝位置改變的同時，階梯軸表面質量也不斷在變化，中心架的位置越靠左，就越能提升階梯軸的表面質量，尤其在距離安裝位置右端面300 mm 處時，其表面質量為最高，即該位置是最佳安裝位置，如何準確找到最佳的支撐位置，只有多次試切調試來解決，但是該方法對操作者的操作技能具有較高要求。

經過對中心架位置進行調整后，軸段的加工表面以及軸段軸肩處的加工細節如圖4 所示，加工表面質量得到明顯改善，從圖中可以看出軸段表面光滑無明顯振紋，說明中心架的位置調整對于振紋的控制是有效的。

圖4 軸段軸肩細節

4 結束語

對階梯軸車削加工的技術要求及車削加工存在的問題進行詳細地分析說明，同時對加工過程中的刀具幾何參數選擇及切削用量參數的選擇進行闡述，以某階梯軸為研究對象，通過車削實驗明確車削過程中振紋產生的原因并通過改變中心架位置的方法對加工過程進行調整，使所加工階梯軸的表面質量得到大幅度提升。