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摘要：細(xì)長(zhǎng)軸及細(xì)長(zhǎng)軸螺紋加工是機(jī)械加工中常見(jiàn)的較難車削的工件，由于細(xì)長(zhǎng)軸剛性差，車削時(shí)產(chǎn)生的受力、受熱變形大，難保證加工廇量。通過(guò)采用合理的工裝、選擇合理的切削用量以及較好的刀具角度，則可確保細(xì)長(zhǎng)軸和細(xì)長(zhǎng)軸蟬紋加工的質(zhì)量及其精度。
在機(jī)械加工中，許多零件的長(zhǎng)度與直徑之比大于２０--２５（l／D＞２０--２５），如車床光桿、絲桿、材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)（本中心的主推產(chǎn)品）中的吊桿（見(jiàn)圖１）等，這類零件統(tǒng)稱為細(xì)長(zhǎng)軸。細(xì)長(zhǎng)軸零件剛性差、抗彎能力弱，在車削過(guò)程中因受到切削力、重力及切削熱等因素的影響而易發(fā)生彎曲變形，使零件形成錐度、腰鼓形、水波紋及竹節(jié)紋等狀況，不僅導(dǎo)致加工表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化，還縮短了機(jī)床和刀具壽命。
１．細(xì)長(zhǎng)軸車削時(shí)產(chǎn)生變形的原因分析
在加工中，車削細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形原因主要有：
?。ǎ保┣邢髁?dǎo)致變形。在車削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力可分解為：軸向切削力廠、徑向切削力Ｆｐ和主切削力Fzc。不同的切削力對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生的彎曲變形影響是不一樣的。
軸向切削力Ｆ，．的影響。軸向切削力是平行作用在細(xì)長(zhǎng)軸軸線方向的力，當(dāng)軸向切削力超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)把細(xì)長(zhǎng)軸壓彎，從而使工件發(fā)生縱向彎曲變形（一般短軸類加工可忽略，它對(duì)工件彎曲變形的影響不是十分大）。
徑向切削力ＦＰ的影響（見(jiàn)圖２）。徑向切削力是垂直作用在通過(guò)細(xì)長(zhǎng)軸軸線水平平面內(nèi)的，由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性差，徑向力將會(huì)把細(xì)長(zhǎng)軸頂彎，使其在水平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形。
(2)切削熱產(chǎn)生的影響。車削時(shí)，由于切削熱的影響，工件隨溫度升高而逐漸伸長(zhǎng)變形，這種現(xiàn)象叫熱變形。
工件長(zhǎng)度熱伸長(zhǎng)量公式為:
通過(guò)上式可看出，工件吊桿在加工時(shí)會(huì)伸長(zhǎng)0.267mm。而在車削時(shí)，卡盤和尾架頂尖是固定的，這樣兩者之間的距離也是不變的，由于細(xì)長(zhǎng)軸受熱后伸長(zhǎng)量受到限制，從而導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸受到擠壓產(chǎn)生彎曲變形。因此，提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度，要解決工藝系統(tǒng)的受力和受熱變形。
2、解決細(xì)長(zhǎng)軸車削過(guò)程中變形的工藝方法
單位的教學(xué)產(chǎn)品材料力學(xué)多功能試驗(yàn)臺(tái)中有一根吊桿長(zhǎng)760mm、直接14mm（見(jiàn)圖3），是一個(gè)比較典型的細(xì)長(zhǎng)軸零件。在最初的加工過(guò)程中由于加工工藝的不合理，車出的工件很難達(dá)到圖樣的要求，使零件產(chǎn)生錐度、水波紋及竹節(jié)紋等（見(jiàn)圖4）缺陷。通過(guò)改進(jìn)裝夾方式、調(diào)整切削用量、改變切削方式等加工工藝的變化，最終加工出合格零件。
（1）采用一夾一頂方式。如果用普通頂尖，受切削熱影響，工件肯定受到軸向擠壓面產(chǎn)生彎曲變形，所以頂尖采用彈性活頂尖（見(jiàn)圖5）使長(zhǎng)軸受熱后可以自由伸長(zhǎng)，提高加工精度。同時(shí)在卡盤卡爪與細(xì)長(zhǎng)軸之間墊入一個(gè)約3--5mm的開(kāi)口鋼圈，減小卡爪與細(xì)長(zhǎng)軸的軸向接觸長(zhǎng)度，消除裝夾時(shí)的過(guò)定位，從而減小彎曲變形（見(jiàn)圖6）。
采用滾珠接觸的跟刀架。生產(chǎn)中用跟刀架輔助支撐，以增加工件剛性和穩(wěn)定性。普通跟刀架兩爪支承，但由于工件本事的向下重力和工件校直不理想，車削時(shí)瞬時(shí)離開(kāi)支承爪，接觸支承爪時(shí)就產(chǎn)生振動(dòng)，易形成水波紋。最終選擇用滾珠接觸的三爪跟刀架，使工件上下左右移動(dòng)受限制，只能繞軸線旋轉(zhuǎn)，減小車削振動(dòng)和工件變形，而且滾珠接觸的跟刀架將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，可減小摩擦阻力。
使用跟刀架時(shí)注意：
1、主軸轉(zhuǎn)速不能過(guò)高，給支撐爪上潤(rùn)滑油，防止過(guò)度磨損。
2、各爪支撐力要調(diào)整合理，過(guò)松不能支撐，過(guò)緊影響工件形狀精度，容易出現(xiàn)竹節(jié)形兒影響加工質(zhì)量。
采用一夾一頂方式，方法簡(jiǎn)潔，不需過(guò)多的輔助工具和其他輔助加工。
?。?）采用反向切削法車削細(xì)長(zhǎng)軸。切削時(shí)車刀由卡盤向尾架方向進(jìn)給，稱為反向切削法（見(jiàn)圖7）。這時(shí)在加工中產(chǎn)生的軸向切削力使細(xì)長(zhǎng)軸承受拉力，消除軸向切削力引起的變形。
反向切削法在加工時(shí)，需預(yù)先加工出一段過(guò)渡軸，但不能保證其與加工軸同軸，所以決定不采用。
（３）采用雙刀車削。雙刀車削（見(jiàn)圖８）是采用前后兩把車刀同時(shí)進(jìn)行車削。兩把車刀徑向相對(duì)，前刀正裝，后刀反裝。車削時(shí)兩把刀產(chǎn)生的徑向切削力相互抵消，因此工件受力變形、振動(dòng)都很小，加工的精度好。但需要改裝車床中滑板，增加后置刀架，所以成本變高，只適用于專業(yè)大批量生產(chǎn)。
（４）合理選擇切削用量。
切削速度（ｖ）的選擇。圖９所示為削速度（ｖ）的選擇。圖９所示為關(guān)系曲線。
從圖９中可看出，車削時(shí)ｖ—般在３０~７０ｍ／ｍｉｎ的速度范圍內(nèi)，容易產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)相應(yīng)的振幅值較大；高于或低于這個(gè)范圍，振動(dòng)呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。所以當(dāng)加工直徑＜１５ｍｍ時(shí)，?。觯迹常埃恚恚椋睿划?dāng)加工直徑＞１５ｍｍ時(shí)，取ｖ＞７０ｍ／ｍｉｎ。
進(jìn)給暈／的選擇。在機(jī)床功率剛性許４情況下選大進(jìn)給量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，粗車時(shí)取戶0.１５ｍｍ／ｒ，半精車時(shí)／＝０.1ｍｍ／ｒ，精車戶０.06ｍｍ／ｒ。
背吃刀量 （切削深度）的選擇。隨著切削深度的增大，車削時(shí)產(chǎn)生的切削力、切削熱隨之增大， 起細(xì)長(zhǎng)軸的受力、受熱變形也增大，因此在細(xì)長(zhǎng)軸加工時(shí)，應(yīng)盡量減少切削深度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),粗車時(shí)ap=1mm,半精車ap=0.5mm,精車時(shí)ap=0.25mm。
５）合理選擇刀具角度。
刀具幾何角度中前角、主偏角和刃傾角對(duì)切削力的影響最大。
前角ro。前角大小直接影響切削力、切削溫度。增大前角可使被切削金屬層的切削變形減小，通過(guò)試驗(yàn)可知，當(dāng)前角ro增加10°，徑向分力Fp可減小30%。實(shí)際加工前角一般取ro=15~30°，車刀前刀面磨斷屑槽，寬2~4mm，使得出屑流暢，卷屑性能好。
主偏角Kr。主偏角增大，徑向切削力減小，主偏角Kr= 75°~°（裝刀時(shí)裝成85°~88°），
刃傾角。影響車削過(guò)程中切削流向，刃傾角增大，徑向切削力減小，一般在-10°~ +10°范圍內(nèi)。細(xì)長(zhǎng)軸加工時(shí)，采用+3°~+10°，使切削流向待加工表面，從而保護(hù)已加工面。
?。?）細(xì)長(zhǎng)軸螺紋的加工。
細(xì)長(zhǎng)軸螺紋（M12以下）在機(jī)床上難以加工，通常采取的方式是用板牙直接套出來(lái)（見(jiàn)圖10）。
加工時(shí)用普通板牙裝置套螺紋，發(fā)現(xiàn)容易產(chǎn)生半邊切削，造成牙尖損壞、質(zhì)量差、效率低和廢品率高的現(xiàn)象。現(xiàn)改裝普通板牙套如圖１０所示，以彌補(bǔ)存在的不足，提高細(xì)長(zhǎng)軸螺紋的加工精度。
超長(zhǎng)螺桿套絲夾具包括工裝超長(zhǎng)螺桿套絲夾具包括工裝前面有保證超長(zhǎng)螺桿加工精度的圓孔（圓孔主要起導(dǎo)向作用）和用來(lái)聯(lián)接圓孔的保持架，后面有固定板牙圓套，圓套上有兩個(gè)螺紋孔（一個(gè)用來(lái)聯(lián)接支撐桿，另一個(gè)用來(lái)旋轉(zhuǎn)緊固螺釘，使板牙固定在圓套上）。在加工超長(zhǎng)螺桿時(shí)，將棒料一端夾緊，另一端放在定位圓孔內(nèi)（棒料直徑比圓孔直徑小０．０５——０．１５ｍｍ），棒料旋轉(zhuǎn)，超長(zhǎng)螺桿套絲夾具向前走，棒料經(jīng)過(guò)超長(zhǎng)螺桿套絲夾具內(nèi)板牙的加工，可加工出高精度的超長(zhǎng)螺桿。
?。ǎ罚┎牧艿鯒U的車削方法。
通過(guò)上述試驗(yàn)分析，決定采用以下方法解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。
首先對(duì)機(jī)床進(jìn)行了兩方面的調(diào)整：①車床主軸的調(diào)整，車床主軸過(guò)松，很容易造成在車削過(guò)適當(dāng)調(diào)緊，從而防止機(jī)床跳動(dòng)和竄動(dòng)對(duì)零件加工的不利影響。②尾座的調(diào)整，如果尾座的中心線和主軸的中心線不在一條水平線上，產(chǎn)生同軸度誤差，車出的工件一定會(huì)出現(xiàn)錐度。
其次對(duì)零件的加工工藝進(jìn)行分析，確定了加工工藝（見(jiàn)附表）。
經(jīng)過(guò)上述辦法可解決吊桿生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，使產(chǎn)品合格（見(jiàn)圖１１）。
加工工藝
?。常Y(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)車削加工中影響細(xì)長(zhǎng) 軸加工質(zhì)量因素進(jìn)行分析，將剛性差、抗彎能力弱及受熱彎曲變形等問(wèn)題，用調(diào)整機(jī)床的精度、改善裝卡方式、正確刃磨刀具角度和選擇合理切削用量等方法加以解決，從而有效地提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量，確保其加工精度。
來(lái)源：江蘇大學(xué)基礎(chǔ)工程訓(xùn)練中心 作者：肖克霞 葉益民
