數控車床加工細長軸研究
2022-7-1 來源：南京工業大學工程訓練中心 作者：趙錦偉
摘要：在大型機器的傳動結構和零部件中，細長軸的應用較為廣泛。因其有著剛性差、加工時受重力、切削力、切削熱等影響特性，致使此類零件的加工較難。文章通過分析在數控車床上加工細長軸容易出現的變形、精度、表面粗糙度等問題，提出采用合適的裝夾方式和加工方法等措施，來進一步保證細長軸的加工質量和加工效率。
關鍵詞：細長軸；加工；剛性；表面粗糙度
1. 加工細長軸產生誤差的原因
1.1 對細長軸的分析
根據定義，長度與直徑之比大于 25（即 L/D>25）的軸稱之為細長軸，它是車削加工中的一個難點，單件或者小批量的生產可以在數控車床上完成。過去整個加工過程都是單純的利用高速鋼車刀在低速狀態下車削，由于細長軸的剛性較差，刀具切削時產生的徑向力較大，工件會發熱并產生震動，當這些因素累積起來時，細長軸便會發生彎曲現象，嚴重時甚至斷裂，無法達到加工的要求，顯然這種低效方法需要改進。為了避免加工時長軸發生彎曲變形，在結合使用硬質合金車刀的同時，需對整個加工過程進行詳細分析，比如夾具、機床輔具、工藝安排、刀具參數和切削用量、切削方法等方面采取改進措施，來提高長軸的質量。
1.2 力變形與熱變形引起的誤差
內應力又稱為殘余應力，即在沒有外力的作用下或將外力去除后工件內部仍殘留下來的應力。工件內部留有殘余應力，材料只會暫時處于一種穩定的狀態。隨著時間的延長，殘余應力會逐漸消失，工件也會恢復到沒有應力的狀態，最終在零件上產生誤差，無法滿足零件的加工要求。
細長軸毛坯被夾在卡盤上后，由于自身受重力作用，末端便會呈微下垂狀態。剛性較弱的細長軸受多種力的作用時，很容易造成彎曲變形，甚至會發生斷裂。若零件剛開始加工就發生變形，必會影響后續的車削。不僅無法順利完成任務，且在一定程度上對資源會造成浪費。總之，減少長軸的受力，對整個加工起著至關重要的作用。
一般情況下加工時受熱程度是均勻的，長軸的溫度會慢慢上升，直徑逐漸變大，這些由于發熱導致直徑變大的一小部分零件在車削中會被刀具切除。加工完待工件冷卻后，零件的直徑尺寸、圓柱度等便會產生誤差。例如，如果是用兩頂尖裝夾，細長軸內部的熱量會使其有微小的伸長，即產生輕微的彎曲變形，直接導致圓柱度誤差。
2. 提高細長軸加工質量的措施
2.1 合適的裝夾方法
粗加工一般采用一夾一頂的方法。當頂尖頂得太緊時，細長軸在車削中因受熱而無法伸長，最終發生彎曲變形。所以條件允許時，可采用彈性頂尖。這樣，面對零件的伸長，彈性頂尖可以在軸線方向上進行伸縮，把工件的彎曲程度降到最低。
精加工一般采用兩頂尖裝夾。此方法能夠更加準確的對長軸進行定位，保證同軸度。但由于零件剛性差容易變形震動的原因，此方法只適用于裝夾長度與直徑之比、精車余量較小及同軸度要求較高的零件，而且加工時需加注充足的冷卻液來帶走切削熱。
2.2 合理的車削方法
為了降低零件因受力、受熱等造成的影響，可使用跟刀架和中心架等輔具。也就是在細長軸表面增加一部分支撐來有效地降低徑向力帶來的變形。此外，還能有效地提高零件剛性，使其更加定。但是，該方法需保證支承面與工件表面要完全吻合或支承面對細長軸的壓力要適當，達到輔助工具正面作用的效果。正常情況下刀具的走刀方向是正向，即從尾座向卡盤方向的進給。必要時可以將車刀采用反方向進給，即車刀沿卡盤向尾座方向車削。這樣可以使切削過程中產生的軸向分力指向尾座中的彈性頂尖，有效補償零件的伸長變形。
對于細長軸的精車過程即使采用高轉速，表面粗糙度也不一定能達到要求。而白鋼刀因具有韌性好、耐沖擊的特性，為了提高表面粗糙度，可以結合著使用一把刀刃寬度為3mm 左右的手磨白鋼刀，精車時利用白鋼刀采用低轉速、低背吃刀量一刀成形，并添加適量的液壓潤滑油，保證尺寸精度和表面粗糙度。
2.3 刀具角度及切削三要素的選擇
選用合理的刀具幾何參數，主要為了減少直徑方向上的切削力。刀具的前角即前刀面與基面的夾角，前角較大的鋒利刀刃，其強度必然較弱。因此，在保證刀具切削部分強度合適的前提下，可以盡量增大刀具的前角來減小徑向力，建議合理的前角范圍為 15°~25°。主偏角定義為在基面內主切削刃與刀具進給運動方向的夾角，當車刀主偏角減小時，主切削刃車削過渡表面的深度會增加，這樣既降低了切削刃的承載負荷，也增大了刀具的散熱面積，提高了刀具的壽命。
但唯一不足的是刀具切削深度的增加容易使剛性較弱的細長軸產生微弱的震動和變形。結合實際情況，推薦主偏角合適的范圍為 75°~85°。刃傾角即主切削刃與基面的夾角，刃傾角的大小可正、可負，也可為零，但它的主要作用是用來控制切屑排出的方向。為了使切屑能夠流向待加工表面，建議刃傾角的選擇范圍為：3°~6°。以上 3 種角度的選取，可以提前用砂輪將硬質合金刀具的各個角度磨削到位。同時，對于整個加工過程，需要分別磨削粗車刀具和精車刀具進行分步車削，提高整個切削加工效率。
通常，用刀具切削點處的線速度來描述切削速度對加工零件的影響。回轉零件轉速越高，長軸產生的切削熱越多，離心率越大；而進給量的選擇對細長軸的表面起著決定性作用，使用較大的進給量，刀具后刀面的磨損相對較大；且增大背吃刀量，切削力也會以同樣的比例增加，故細長軸的精加工一般采用較低的切削速度、較小的進給量和背吃刀量多方面地提高長軸質量。
3. 保證長軸表面粗糙度
在保證切削過程穩定妥當的同時，也要考慮到對長軸表面的保護。比如工時較短的情況下加工單個長軸，采用一夾一頂的裝夾方式。但是在卡盤裝夾已加工表面時，如果卡爪直接擠壓零件表面夾緊，長軸表面必然會被夾出印跡。為此，可以在已加工表面套上一層厚度為1mm左右的銅皮保護圈，使卡爪直接與銅皮圈發生擠壓變形來夾緊外圓，保證長軸的表面粗糙度。
如果是成批生產且同軸度有要求的階梯長軸，在裝夾次數較多的情況下，銅皮保護圈會發生破裂變形，所以此方法便稍有缺陷。可以提前加工好一個專用的材質為 45 鋼的薄壁保護圈，厚度為 2.5mm 左右，將其套在已加工面上，這樣可以保護成批生產的長軸表面。最好能用四爪單動卡盤，通過使用百分表來分別對 4 個卡爪處的外圓進行找正，從而保證長軸的定心精度。
4. 結語
細長軸類零件的車削一直是車工操作內容中很重要的一部分，因其細而長的結構特點，導致此類零件的加工變得較為困難。但通過使用中心架和跟刀架、采用反向的走刀方式、選取合適的刀具幾何參數和切削參數、切削方法等改進措施，避免了細長軸震動、彎曲等現象的發生，使整個加工過程簡單化，最終提高了長軸的加工效率。
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