普車(chē)實(shí)習(xí)教學(xué)中防止細(xì)長(zhǎng)軸加工振動(dòng)及變形的探討

陳垚

工件的長(zhǎng)度L與直徑d之比大于25（即長(zhǎng)徑比L/d>25）的軸類零件稱為細(xì)長(zhǎng)軸。細(xì)長(zhǎng)軸的外形并不復(fù)雜，但由于其本身的剛度低，車(chē)削時(shí)又受到切削力、重力、切削熱等因素的影響，容易產(chǎn)生彎曲變形以及振動(dòng)、錐度、腰鼓行、竹節(jié)形等缺陷，難以保證精度。在中等職業(yè)學(xué)校普車(chē)實(shí)習(xí)教學(xué)中，對(duì)這一課題的把握是非常不容易的。長(zhǎng)徑比越大，加工的難度就越大。根據(jù)本人在普車(chē)實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)的一些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了一些易于學(xué)生掌握的方法在這里探討一二。

一、加工前的準(zhǔn)備工作

1.熱處理及校直

（1）細(xì)長(zhǎng)軸在車(chē)削加工前，或在粗車(chē)與精車(chē)之間進(jìn)行幾次調(diào)質(zhì)處理消除內(nèi)應(yīng)力，是可以防止車(chē)削過(guò)程中的彎曲變形的。尤其對(duì)于長(zhǎng)徑比比較大或段差較多的細(xì)長(zhǎng)軸效果更好。

調(diào)質(zhì)處理的前后工序之間需保持適當(dāng)?shù)募庸び嗔?。其值與軸的長(zhǎng)徑比、材料的材質(zhì)、熱處理的方法以及車(chē)削時(shí)的夾持方法等有關(guān)。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般以3～7mm為宜。

（2）彎曲度過(guò)大的毛胚材料或曾經(jīng)粗加工的細(xì)長(zhǎng)軸，車(chē)削前應(yīng)進(jìn)行校直工作，務(wù)必使彎曲度的最大值不超過(guò)車(chē)削時(shí)的切削深度。為了消除校直而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，最好再進(jìn)行一次調(diào)質(zhì)處理。

2.鉆中心孔時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

為了保證中心孔和間有頂尖正確的接觸，可先在細(xì)長(zhǎng)軸的端面用普通的麻花鉆頭鉆出一個(gè)小的圓柱孔，把細(xì)長(zhǎng)軸裝夾在車(chē)床上，然后在靠近尾座處車(chē)削一段其長(zhǎng)度略大于中心架的支撐爪寬度的圓柱部分。為了消除材料的彈、塑性變形和細(xì)長(zhǎng)軸的跳動(dòng)、橢圓度，以及獲得良好的表面粗糙的度，車(chē)削必須分粗精車(chē)進(jìn)行，這樣與中心架的支撐爪端面的接觸部分能具有良好的狀態(tài)。然后在此處安裝中心架并調(diào)整好支撐爪，在車(chē)削端面后用中心鉆鉆出標(biāo)準(zhǔn)的中心孔。鉆中心孔時(shí)應(yīng)充地澆注冷卻潤(rùn)滑液；并在將近鉆削結(jié)束時(shí)極緩慢地進(jìn)刀，就此可得到光滑而正確的中心孔了。

二、切削熱對(duì)工件彎曲影響及解決方法

1.切削熱對(duì)工件彎曲的影響

以加工長(zhǎng)度為3000mm的細(xì)長(zhǎng)軸為例，假設(shè)車(chē)削過(guò)程中因切削熱的影響使細(xì)長(zhǎng)軸內(nèi)部溫度升高并超過(guò)室溫高50℃，由于熱膨脹的結(jié)果它將會(huì)在軸向增長(zhǎng)1.8mm。

△Lt=L.α.t=3000×0.000012×50=1.8（mm）

還應(yīng)該指出的，細(xì)長(zhǎng)軸并不是靜止地?cái)R置在車(chē)床上，而是還以一定的轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)著的。假設(shè)該軸的長(zhǎng)度l為3000mm，進(jìn)給量S為0.2mm/轉(zhuǎn)，那么每車(chē)削一次全長(zhǎng)，將扭轉(zhuǎn)15，000次，這樣就自然地容易產(chǎn)生彎曲變形了。

2.針對(duì)切削熱影響工件彎曲的解決方法

為了防止細(xì)長(zhǎng)軸在車(chē)削過(guò)程中產(chǎn)生熱膨脹而引起的彎曲變形，較妥善的措施是：

（1）在車(chē)削過(guò)程中充分澆注冷卻潤(rùn)滑液（乳化液、極壓切削液、油類及其它），將細(xì)長(zhǎng)軸表面因切削而產(chǎn)生的熱量帶走而不致傳入軸的內(nèi)部，使軸的溫度盡量不要升高。

（2）采用有彈性的頂尖。該頂尖的芯子能夠向后移動(dòng)，以補(bǔ)償細(xì)長(zhǎng)軸的熱膨脹伸長(zhǎng)。

三、車(chē)刀幾何形狀影響及合理選擇

1.前角影響及合理選擇

它直接影響刀尖的強(qiáng)度和切屑的形狀。增大前角，可使刀鋒銳利，減少切屑的變形和摩擦，使切屑容易流出；降低切削熱和切削力。車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，應(yīng)該選擇較大的前角，γ取20～30°為宜。并且盡可能把車(chē)刀的前面磨得光滑些（0.1μm），以減少切屑之間的摩擦。

2.主后角影響及合理選擇

主后角確定后，主后角越大刀鋒越銳利，可以減少與細(xì)長(zhǎng)軸的摩擦，并使切削抗力變小，細(xì)長(zhǎng)軸變形的可能性也就小了。但太大的主后角將會(huì)削弱刀具的強(qiáng)度；又因?yàn)楣ぜ^長(zhǎng)，連續(xù)切削的時(shí)間也長(zhǎng)，刀具磨損也會(huì)多些。因此，主后角α為7～10°為宜。

3.主偏角的影響及合理選擇

改變主偏角K后，不僅可以改變切削厚度和切削寬度，而且還可以改變徑向切削力Py和軸向切削力Px的比值。

車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，引起振動(dòng)和變形的切削力，主要是徑向切削力Py和切線方向切削力P2。為了減少?gòu)较蚯邢髁y，盡可能增大主偏角K，粗車(chē)時(shí)可取K=80～85°，精車(chē)時(shí)最好取K=93°左右。

徑向切削力Py的降低，不僅提高了細(xì)長(zhǎng)軸的穩(wěn)定性，而且也減少了細(xì)長(zhǎng)軸表面與移動(dòng)的跟刀架的支撐爪之間的摩擦，從而提高細(xì)長(zhǎng)軸直徑尺寸的精度。另外，主偏角K增大后，每轉(zhuǎn)切削的寬度也相應(yīng)地減少了，因而切削力也隨之減少，從而減少細(xì)長(zhǎng)軸的變形和振動(dòng)。

4.刃傾角的影響及合理選擇

將車(chē)刀的切削刃磨成具有10～15°的刃傾角，這不僅能使車(chē)刀容易切入細(xì)長(zhǎng)軸；而且可以減少切削力；并且還能夠控制切屑向細(xì)長(zhǎng)軸的待加工表面流出，保護(hù)已加工表面的光度。

四、使用中心架和移動(dòng)跟刀架技巧

細(xì)長(zhǎng)比值大的細(xì)長(zhǎng)軸，由于剛性差、加上自身重力而產(chǎn)生了撓度，很難承受較大的切削力。因此在車(chē)削過(guò)程中往往需要使用一個(gè)至幾個(gè)中心架；有時(shí)還需要增加移動(dòng)的跟刀架一起使用。

1.固定中心架的使用

剛性比較好的細(xì)長(zhǎng)軸在車(chē)削前，先在其端面鉆一個(gè)中心孔，然后把它夾持在車(chē)床上；接著在靠近頂尖處和軸的中間（準(zhǔn)備安裝固定的中心架的位置）分別車(chē)削一段直徑完全相同，長(zhǎng)度約60～80mm的圓柱部分。在車(chē)削中間一段時(shí)，最好用彈簧車(chē)刀（或者把車(chē)刀裝在彈簧刀桿內(nèi)）車(chē)削，因?yàn)檫@樣做可防止車(chē)削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，更重要的可使車(chē)削后的圓柱體不出現(xiàn)橢圓度和獲得良好的表面粗糙度。

中心架安裝后，還應(yīng)將它的左右兩個(gè)支撐爪的端面與工件按觸（憑操作者手的惑覺(jué)）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步調(diào)節(jié)這兩個(gè)支撐爪迫使細(xì)長(zhǎng)適當(dāng)?shù)奶Ц咭恍韵龘隙萫。

如果調(diào)節(jié)工作做得正確的，那未用百分表檢驗(yàn)頂尖處和中間已車(chē)削過(guò)的圓柱部分的外徑時(shí)，百分表中讀數(shù)應(yīng)該是相同的。

最后蓋好穩(wěn)定扶料架的上蓋，隨即調(diào)節(jié)好上面那個(gè)支撐爪，使其端面與細(xì)長(zhǎng)軸表面輕微接觸即可。

2.移動(dòng)跟刀架的使用

裝置在溜板上的移動(dòng)跟刀架是跟隨車(chē)刀移進(jìn)的。它可以抵抗切削中的切線方向切削力和徑向切削力Py，增強(qiáng)細(xì)長(zhǎng)軸在切削時(shí)的穩(wěn)定性，防止振動(dòng)而獲得較好的形狀精度和表面光度的車(chē)床附件。

移動(dòng)跟刀架的使用方法，基本上與固定的中心架的使用方法相同，但較為更復(fù)雜些，必須認(rèn)真地處理。采用移動(dòng)的跟刀架的車(chē)細(xì)長(zhǎng)軸，長(zhǎng)徑比l/D都在25以上，剛性很差。車(chē)削過(guò)程中瞬時(shí)產(chǎn)生的工件直徑Φ，車(chē)刀刀尖與車(chē)刀對(duì)面的支撐爪（下稱旁支撐爪）端面之間的距離S。

移動(dòng)跟刀架沿著旋轉(zhuǎn)的細(xì)長(zhǎng)軸軸向移進(jìn)時(shí)，支撐爪端面與細(xì)長(zhǎng)軸表面連續(xù)不斷的摩擦而磨損，導(dǎo)致S將逐漸增大，直徑Φ也會(huì)隨之增大。

旁支撐爪與細(xì)長(zhǎng)軸之間的摩擦，是由徑向切削力Py所引起的；而上支撐爪與細(xì)長(zhǎng)軸之間的摩擦，是由切線方向切削力P2所引起的。P2與Py之比約為1：0.4之間，所以上支撐爪容易磨損。在實(shí)際工作中也表明，上支撐爪比旁支撐爪需要調(diào)節(jié)的機(jī)會(huì)多些。如果不充分認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)，或因工作疏忽而使細(xì)長(zhǎng)軸出現(xiàn)Φ>S的情況。這樣不僅使細(xì)長(zhǎng)軸的直徑尺寸出現(xiàn)誤差；而且使車(chē)刀在切削時(shí)的實(shí)際切削角度發(fā)生變化，影響切削效率。

實(shí)際生產(chǎn)中還表明，支撐爪的調(diào)節(jié)還與的幾何角度有關(guān)。例如P2/Py隨主偏角Φ增大而增大，上支撐爪的磨損程度也隨之嚴(yán)重，需要調(diào)節(jié)的機(jī)會(huì)也更多些了。調(diào)整移動(dòng)的跟刀架的支撐爪，應(yīng)根據(jù)支撐爪的磨損程度及時(shí)地微量的調(diào)節(jié)（上、旁兩個(gè)支撐爪分別向細(xì)長(zhǎng)軸的中心移進(jìn)）。若不小心謹(jǐn)慎地操作，立即會(huì)使細(xì)長(zhǎng)軸的直徑出現(xiàn)一節(jié)大，一節(jié)小的形狀，稱為「竹節(jié)形」。

使用移動(dòng)的跟刀架車(chē)削的細(xì)長(zhǎng)軸，在每次車(chē)削前最好能進(jìn)行一次校直工作，使其彎曲度小于車(chē)削一次的切削深度t，以便一次進(jìn)給就能把彎曲部分全部切去。如果細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削后的表面留有部分未切去的缺陷。則缺陷與旁支撐爪端面接觸，在其對(duì)面的車(chē)刀就會(huì)車(chē)出呈凸棱。更由于移動(dòng)的跟刀架具有幾個(gè)支撐爪，因此細(xì)長(zhǎng)軸表面將會(huì)呈現(xiàn)2～3條螺旋形的凸棱。

除此以外還應(yīng)注意，學(xué)生無(wú)論是使用固定的中心架或是移動(dòng)跟刀架，都不宜使支撐爪對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸壓得太緊。其危害性除了以上已經(jīng)談及的以外，還因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)軸在車(chē)削過(guò)程中是以一定轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)著的，它既要承受切削力。還需克服與支撐爪之間的摩擦力，所承受的扭力較大，是促使它彎曲變形的一個(gè)重要因素。