数控车床加工细长轴研究
2022-7-1 来源：南京工业大学工程训练中心 作者：赵锦伟
摘要：在大型机器的传动结构和零部件中，细长轴的应用较为广泛。因其有着刚性差、加工时受重力、切削力、切削热等影响特性，致使此类零件的加工较难。文章通过分析在数控车床上加工细长轴容易出现的变形、精度、表面粗糙度等问题，提出采用合适的装夹方式和加工方法等措施，来进一步保证细长轴的加工质量和加工效率。
关键词：细长轴；加工；刚性；表面粗糙度
1. 加工细长轴产生误差的原因
1.1 对细长轴的分析
根据定义，长度与直径之比大于 25（即 L/D>25）的轴称之为细长轴，它是车削加工中的一个难点，单件或者小批量的生产可以在数控车床上完成。过去整个加工过程都是单纯的利用高速钢车刀在低速状态下车削，由于细长轴的刚性较差，刀具切削时产生的径向力较大，工件会发热并产生震动，当这些因素累积起来时，细长轴便会发生弯曲现象，严重时甚至断裂，无法达到加工的要求，显然这种低效方法需要改进。为了避免加工时长轴发生弯曲变形，在结合使用硬质合金车刀的同时，需对整个加工过程进行详细分析，比如夹具、机床辅具、工艺安排、刀具参数和切削用量、切削方法等方面采取改进措施，来提高长轴的质量。
1.2 力变形与热变形引起的误差
内应力又称为残余应力，即在没有外力的作用下或将外力去除后工件内部仍残留下来的应力。工件内部留有残余应力，材料只会暂时处于一种稳定的状态。随着时间的延长，残余应力会逐渐消失，工件也会恢复到没有应力的状态，最终在零件上产生误差，无法满足零件的加工要求。
细长轴毛坯被夹在卡盘上后，由于自身受重力作用，末端便会呈微下垂状态。刚性较弱的细长轴受多种力的作用时，很容易造成弯曲变形，甚至会发生断裂。若零件刚开始加工就发生变形，必会影响后续的车削。不仅无法顺利完成任务，且在一定程度上对资源会造成浪费。总之，减少长轴的受力，对整个加工起着至关重要的作用。
一般情况下加工时受热程度是均匀的，长轴的温度会慢慢上升，直径逐渐变大，这些由于发热导致直径变大的一小部分零件在车削中会被刀具切除。加工完待工件冷却后，零件的直径尺寸、圆柱度等便会产生误差。例如，如果是用两顶尖装夹，细长轴内部的热量会使其有微小的伸长，即产生轻微的弯曲变形，直接导致圆柱度误差。
2. 提高细长轴加工质量的措施
2.1 合适的装夹方法
粗加工一般采用一夹一顶的方法。当顶尖顶得太紧时，细长轴在车削中因受热而无法伸长，最终发生弯曲变形。所以条件允许时，可采用弹性顶尖。这样，面对零件的伸长，弹性顶尖可以在轴线方向上进行伸缩，把工件的弯曲程度降到最低。
精加工一般采用两顶尖装夹。此方法能够更加准确的对长轴进行定位，保证同轴度。但由于零件刚性差容易变形震动的原因，此方法只适用于装夹长度与直径之比、精车余量较小及同轴度要求较高的零件，而且加工时需加注充足的冷却液来带走切削热。
2.2 合理的车削方法
为了降低零件因受力、受热等造成的影响，可使用跟刀架和中心架等辅具。也就是在细长轴表面增加一部分支撑来有效地降低径向力带来的变形。此外，还能有效地提高零件刚性，使其更加定。但是，该方法需保证支承面与工件表面要完全吻合或支承面对细长轴的压力要适当，达到辅助工具正面作用的效果。正常情况下刀具的走刀方向是正向，即从尾座向卡盘方向的进给。必要时可以将车刀采用反方向进给，即车刀沿卡盘向尾座方向车削。这样可以使切削过程中产生的轴向分力指向尾座中的弹性顶尖，有效补偿零件的伸长变形。
对于细长轴的精车过程即使采用高转速，表面粗糙度也不一定能达到要求。而白钢刀因具有韧性好、耐冲击的特性，为了提高表面粗糙度，可以结合着使用一把刀刃宽度为3mm 左右的手磨白钢刀，精车时利用白钢刀采用低转速、低背吃刀量一刀成形，并添加适量的液压润滑油，保证尺寸精度和表面粗糙度。
2.3 刀具角度及切削三要素的选择
选用合理的刀具几何参数，主要为了减少直径方向上的切削力。刀具的前角即前刀面与基面的夹角，前角较大的锋利刀刃，其强度必然较弱。因此，在保证刀具切削部分强度合适的前提下，可以尽量增大刀具的前角来减小径向力，建议合理的前角范围为 15°~25°。主偏角定义为在基面内主切削刃与刀具进给运动方向的夹角，当车刀主偏角减小时，主切削刃车削过渡表面的深度会增加，这样既降低了切削刃的承载负荷，也增大了刀具的散热面积，提高了刀具的寿命。
但唯一不足的是刀具切削深度的增加容易使刚性较弱的细长轴产生微弱的震动和变形。结合实际情况，推荐主偏角合适的范围为 75°~85°。刃倾角即主切削刃与基面的夹角，刃倾角的大小可正、可负，也可为零，但它的主要作用是用来控制切屑排出的方向。为了使切屑能够流向待加工表面，建议刃倾角的选择范围为：3°~6°。以上 3 种角度的选取，可以提前用砂轮将硬质合金刀具的各个角度磨削到位。同时，对于整个加工过程，需要分别磨削粗车刀具和精车刀具进行分步车削，提高整个切削加工效率。
通常，用刀具切削点处的线速度来描述切削速度对加工零件的影响。回转零件转速越高，长轴产生的切削热越多，离心率越大；而进给量的选择对细长轴的表面起着决定性作用，使用较大的进给量，刀具后刀面的磨损相对较大；且增大背吃刀量，切削力也会以同样的比例增加，故细长轴的精加工一般采用较低的切削速度、较小的进给量和背吃刀量多方面地提高长轴质量。
3. 保证长轴表面粗糙度
在保证切削过程稳定妥当的同时，也要考虑到对长轴表面的保护。比如工时较短的情况下加工单个长轴，采用一夹一顶的装夹方式。但是在卡盘装夹已加工表面时，如果卡爪直接挤压零件表面夹紧，长轴表面必然会被夹出印迹。为此，可以在已加工表面套上一层厚度为1mm左右的铜皮保护圈，使卡爪直接与铜皮圈发生挤压变形来夹紧外圆，保证长轴的表面粗糙度。
如果是成批生产且同轴度有要求的阶梯长轴，在装夹次数较多的情况下，铜皮保护圈会发生破裂变形，所以此方法便稍有缺陷。可以提前加工好一个专用的材质为 45 钢的薄壁保护圈，厚度为 2.5mm 左右，将其套在已加工面上，这样可以保护成批生产的长轴表面。最好能用四爪单动卡盘，通过使用百分表来分别对 4 个卡爪处的外圆进行找正，从而保证长轴的定心精度。
4. 结语
细长轴类零件的车削一直是车工操作内容中很重要的一部分，因其细而长的结构特点，导致此类零件的加工变得较为困难。但通过使用中心架和跟刀架、采用反向的走刀方式、选取合适的刀具几何参数和切削参数、切削方法等改进措施，避免了细长轴震动、弯曲等现象的发生，使整个加工过程简单化，最终提高了长轴的加工效率。
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