车削细长轴的对策研究

马元普

[摘要]文章从细长轴的结构特点出发，分析了影响细长轴加工精度的因素，并针对产生误差的根源，从装夹方法、跟刀架、车削方式、车刀角度等方面提出改进措施，从而满足了加工要求，提高了生产效率。

[关键词]细长轴；加工精度；影响因素

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.02.058

“车工怕杆，钳工怕眼”是大家都熟悉的口头语，细长轴工件长径比（L/D）较大（≥25），刚性差，对于切削力、振动和切削温度十分敏感。车削加工时，很容易产生弯曲变形和振动，从而影响加工精度，得不到准确的几何形状精度和理想的表面质量。尤其是加工丝杆和精车长轴外圆，若不能提高其机械加工精度，将极大地影响产品质量。

通过多年生产和实训教学，笔者在这方面进行了研究和探讨。

1影响细长轴加工精度的因素

1.1切削力

在切削过程中，有大小相等、方向相反的力分别作用在刀具和工件上，这个在切削过程中产生的力，称为切削力。切削力是怎样产生的呢？原来切削时，在刀具的作用下，切削层金属、切屑和工件表面层金属都会产生弹性变形和塑性变形。又由于切削沿前刀面流出，故有摩擦力作用于前刀面。同时，又因刀具和工件间的相对运动，还有摩擦力作用于后刀面。所以，变形抗力和摩擦阻力形成了切削合力Fr。切削合力可以分解成3个互相垂直的力：切向力（主切削力）Fz，径向力（切深抗力）Fy，轴向力（进给抗力）Fx，如图1所示。一般情况下，主切削力Fz最大，Fy、Fx小一些，随着刀具几何参数，切削用量、刃磨质量的不同，Fy、Fx相对于Fz的比在很大范围内变化：

Fy=（0.15～0.7）Fz

Fx=（0.1～0.6）Fz

车削外圆时，Fz是计算切削功率的重要依据。Fy虽不作功，但能使工件变形或造成振动，对加工精度或已加工表面质量产生影响。

图1切削合力和分力

Fx作用在进给机构上，用于设计或校核机床进给机构强度。由于细长轴刚性很差，车削加工时，Fy会使车刀同时在y、z方向产生变形，形成加工误差，Fx在轴向对工件产生作用，如果轴的两端为固定支承，会将工件“压弯”。总之，装夹不当，细长轴很容易因切削力及重力作用而弯曲变形，产生振动，特别是长径比较大时，自重力越大，这种弯曲变形和振动就更为显著，从而降低加工精度，造成表面粗糙。

1.2切削热

车削时，由于切削热的影响，工件随温度升高而逐渐伸长变形，这就叫“热变形”。工件热变形伸长量可按下式计算：

从上式可看出，在车削一般轴类时可不考虑热变形伸长问题，但是车削细长轴时，因为工件长（L长），散热性差（Δt高），轴向尺寸在切削热的作用下，会产生相当大的膨胀，如果轴的两端为固定支承，则会因受挤而弯曲变形。当轴以高速旋转时，这种弯曲所引起的离心力将进一步加剧轴的变形与振动。

此外，加工细长轴一次进给所需的时间长，刀具磨损大，从而增加了工件的几何形状误差。

由此可知，车削细长轴对刀具、机床精度、辅助工具精度、切削用量的选择、工艺安排与具体操作技能都应有较高的要求，是一项工艺性较强的综合技术。“车工怕杆”的原因也就在此。为消除和减少上述误差，解决细长轴的加工精度问题，在实践工作中我们从提高产品质量和生产效率入手，总结了一套车削细长轴的加工方法，并改进了工艺装备，保证了细长轴的加工质量。

2提高细长轴加工精度的措施

2.1校直

校直可使车削余量均匀，减少车削振动，提高车削质量。坯料校直后，要求在任意1000mm的长度内其直线度误差不大于2mm，这可使切削后的表面残余应力保持较均匀，减少工件在使用中产生变形。

2.2调整尾座

使工件开始车削的一端外径比另一端外径大0.02mm～0.04mm，减少由于跟刀架爪脚或车刀磨擦所造成的锥形误差。

2.3改善装夹方法

（1）细长轴加工往往采用一夹一顶安装工件，用这种装夹方法时，由于顶尖孔与卡爪基面往往不同轴，因而会形成装夹过定位而使工件弯曲变形。所以工件不宜夹得过长，一般在15mm左右，最好在毛坯的外圆上套上一个开口的φ4mm～φ5mm的钢丝圈，再伸入卡盘用卡爪夹紧（钢丝应在卡爪凹槽的同一圆周位置上），使毛坯与卡爪间成线接触，起万向调节作用，从而避免了接触面过大。如图2所示。

图2毛坯装夹与反向走车削示意

（2）在尾座上改用弹性回转顶尖来适应工件热变形伸长。

弹性顶尖的结构见图3。顶尖1用深沟球轴承2、滚针轴承5支承径向力，推力球轴承4承受轴向推力。在深沟球轴承和推力球轴承之间，放置三片厚2.5mm的碟形弹簧3。当工件变形伸长时，工件推动顶尖通过深沟球轴承，使碟形弹簧压缩变形。生产实践证明，用弹性回转顶尖加工细长轴，可有效地适应工件热变形伸长，工件不易弯曲，车削可顺利进行。不过，顶尖顶住工件的松紧也要合理以既能随工件转动，又能用右手食指和拇指捏停顶尖为宜。

图3弹性回转顶尖

1-顶尖；2-深沟球轴承；3-碟形弹簧；4-推力球轴承；5-滚针轴承

2.4跟刀架的改进与正确使用

（1）快装拆式三爪跟刀架。跟刀架是加工细长轴极其重要的附件。夹角90度的三爪结构比夹角105度的两爪结构，易平衡径向切削力，支承均衡性好。跟刀架爪脚采用耐磨的球墨铸铁材料，在粗加工和半精加工时爪脚都要研磨，使其对工件有较大的接触弧面，根据工件不同的直径，多配几套级数的爪脚，并做成快装拆式，如图4所示，可减少研磨时间。

图4快装拆式跟刀架爪脚

（2）对跟刀架爪脚进行预磨损。研磨时将跟刀架的爪脚支紧工件上车过的一段外圆（这段外圆要表面粗糙，长度100毫米左右，其尺寸大小接近于加工所要求的尺寸而位置要尽量靠近卡盘），由大拖板作纵向来回移动，干磨跟刀架爪脚面（注意适时调整跟刀架爪脚，始终与工件接触）。当接触面达65%左右，再加乳化液精磨，直到爪脚圆弧有80%～90%部位与工件表面吻合，以增大爪脚和工件的接触面积，减少爪脚在车削中的磨损。

（3）车支撑处外圆的要求：直径圆度好，光洁，不能有其他变形等缺陷，支撑处外圆的长度一般比支撑爪长15mm左右。支撑处外

圆与毛坯外圆相交处，宜车一个40度左右的锥度（见图2），以使接刀时切削力逐步增加，不会受突然冲撞力造成让刀和工件变形。

（4）跟刀架爪脚（宽度约为零件直径的1～1.5倍）应支于已加工表面，位于车刀后面0.5mm～2mm处，并逐步压向工件，以手感无振为宜，并加油润滑。粗车时，应将毛坯一次进给车圆，以免影响跟刀架的正常工作。当采用宽刃大进给车刀精车时，爪脚可位于车刀的前面，以防工件精车过的表面出现划痕，间距同上。

2.5采用反向进给法

细长轴用一夹一顶法装夹时，若用正向进给方式，则工件在轴向力Fx的作用下产生压缩变形而弯曲。如采用反向进给方法，此时Fx对工件的作用（卡盘至切削所在点的一段）是拉伸而不是压缩，同时采用弹性的尾座顶尖，有效补偿了刀具至尾座一段工件的受压变形和热伸长，这样就不至于将工件压弯。反向进给法适于中速粗车和大走刀低速精车，并具有适应性强，对机床精度要求不高，加工效率较高等特点。

2.6选用合适的刀具角度和切削用量

粗车使用的刀具采用图5所示的反偏刀，刀片材料为YT15硬质合金，主偏角κr=75～90度，以减小径向切削力Fy，从而减小Fy引起的振动，前刀面上4mm～5mm断屑槽，其目的也是减小切削力和切削温度，防止工件的变形和振动。

精车使用图6所示的宽刃弹簧车刀，弹性刀杆有利于减振和避免扎刀。采用W18Cr4V高速钢刀片，同时，刀刃要光滑平直，前角大，切削轻快，使切屑排出流畅，这样可解决由于切削热产生线膨胀和径向力使工件弯曲的问题。

刀具安装时，粗加工和半精加工刀尖应高于工件中心0.2mm～

0.5mm，精加工刀尖应高于工件中心0.1mm～0.2mm，这样安装不仅增大了工作前角，而且使主后刀面起到约束工件上下窜动的作用，减少工件的低频振动。如用低速宽刃车刀精车时，刀尖应等于或低于主轴中心。

切削用量的选择：

粗车时，ap=1.5～3mm，f=0.3～0.5mm/r，v=25～35m/min，采用2%～3%乳化液充分冷却。

精车时，ap=0.15～0.3mm，f=3～5mm/r，v=1.8m/min，采用30号机油充分冷却。

需要强调的是，切削细长轴必须加注切削液充分冷却，以降低工件的温度，减小热变形。并且还可防止跟刀架爪脚拉毛工件，提高刀具的使用寿命和工件的加工质量。

图5反偏刀

图6宽刃弹簧车刀

3实施效果

采用以上措施和精心操作，使细长轴的加工精度大大提高，如车削45钢φ40Cp=CB×N×f1×f2×f3×…×fm×2000mm的细长轴，圆度0.01mm，圆柱度0.04mm，直线度0.05mm，Ra0.8um～1.6um，达到设计要求，提高效率4～6倍。

4结论

本文提出的加工方法，具有操作简单、成本低、加工精度高等特点，并且符合普通加工厂家的实际生产状况，具有良好的应用前景。

需要提出的是，由于细长轴加工工艺系统复杂，稍有疏忽就可能出现问题。在加工中，除了提供必要的工艺保证措施外，还应随时眼看、耳听、手摸发现问题和解决问题，不断提高细长轴的加工工艺水平。

参考文献：

[1]机械工业部.中级车工工艺学[M].北京：机械工业出版社，1998：20-25.

[2]高喜贤.车工基本技术[M].北京：金盾出版社，1996：31-35.

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