細(xì)長軸加工難點(diǎn)及加工精度提升措施

張桂霞

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，014030，內(nèi)蒙古包頭）

細(xì)長軸外形并不復(fù)雜，然而因?yàn)閯偠鹊?，車削過程中極易受多重因素影響發(fā)生彎曲變形、出現(xiàn)振動(dòng)，產(chǎn)生錐度等缺陷，導(dǎo)致無法確保加工精度。對此通過反向進(jìn)給車削、合理配置刀具幾何參數(shù)及改進(jìn)優(yōu)化跟刀架等切實(shí)可行的措施，以提高細(xì)長軸剛性，確保其加工精度。

1 細(xì)長軸加工難點(diǎn)

（1）受力易變形、易振動(dòng)。細(xì)長軸由于長徑比大且剛性差，加工時(shí)受切削力、重力等多重作用發(fā)生彎曲變形，以及改變刀具與細(xì)長軸件正確位置，導(dǎo)致加工變形，從而影響加工質(zhì)量。細(xì)長軸切削時(shí)，會(huì)承受來源于不同方向的主切削力、軸向力、徑向力[1]。其中細(xì)長軸加工時(shí)主切削力會(huì)導(dǎo)致其形成既定狀態(tài)的扭矩，使得垂直平面發(fā)生彎曲；軸向力則會(huì)沿著軸線方向產(chǎn)生一定作用力以此構(gòu)成彎矩，致使水平方向發(fā)生彎曲；徑向力同樣會(huì)造成水平平面彎曲變形。細(xì)長軸在多重作用力影響下會(huì)失去穩(wěn)定，出現(xiàn)壓彎現(xiàn)象。因此細(xì)長軸車削加工時(shí)需注重主切削力、軸向力、徑向力的影響，同時(shí)還需保證各個(gè)作用力的平衡，以確保細(xì)長軸加工精度。

（2）易熱變形。細(xì)長軸切削時(shí)受到切削熱作用會(huì)發(fā)生熱變形。實(shí)際上常常將內(nèi)孔、外圓表面當(dāng)作受熱幾乎均勻的加工表面，其中外圓表面加工時(shí)若是細(xì)長軸溫升穩(wěn)定平衡，材料也相同，則熱伸長量取決于細(xì)長軸長度。而且細(xì)長軸加工時(shí)，其與刀具間會(huì)發(fā)生高速相對運(yùn)動(dòng)，受摩擦力作用會(huì)產(chǎn)生大量熱量。隨著熱量積累，細(xì)長軸溫度會(huì)隨之上升，在超出極限溫度之后便會(huì)發(fā)生各種程度變形，從而影響加工精度。細(xì)長軸受尺寸特征影響，熱擴(kuò)散性能相對較差，在刀具切削時(shí)熱量聚集量遠(yuǎn)超擴(kuò)散量，便會(huì)造成熱量積累，從而導(dǎo)致很大的線膨脹，進(jìn)而發(fā)生彎曲變形。細(xì)長軸兩端如果以固定支撐為載體，就會(huì)發(fā)生熱變形，尤其是在主軸轉(zhuǎn)速高時(shí)軸彎曲所形成的離心力會(huì)持續(xù)，加大彎曲變形程度，致使車削加工受阻[2]。

（3）刀具磨損。細(xì)長軸切削加工時(shí)由于軸向長度過大，進(jìn)給量取值較小，刀具連續(xù)工作時(shí)間過長，刀具磨損會(huì)隨之加劇，因此細(xì)長軸加工后便會(huì)出現(xiàn)錐度誤差。

2 細(xì)長軸加工精度提升措施

（1）做好毛坯準(zhǔn)備工作。細(xì)長軸由于剛性差，運(yùn)輸與存儲(chǔ)時(shí)極易彎曲變形，會(huì)使加工余量嚴(yán)重不足，因此毛坯準(zhǔn)備工作過程中需校直細(xì)長軸。具體以熱校直法進(jìn)行棒料校直，不可冷校直且避免錘擊。細(xì)長軸在車削外圓前需提前加工完成頂尖孔。

（2）合理規(guī)劃熱處理工序。細(xì)長軸加工前需科學(xué)合理規(guī)劃熱處理工序，確保加工精度與使用性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，并有效改善細(xì)長軸切削性能。值得注意的是，細(xì)長軸彎曲變形會(huì)使車削加工余量不均勻，甚至無法車削；即使第一刀能夠車圓，車削之后的彎曲變形也需加以注意。因此對細(xì)長軸毛坯進(jìn)行時(shí)效與調(diào)質(zhì)處理，以消除毛坯熱鍛時(shí)產(chǎn)生的彎曲變形。應(yīng)根據(jù)細(xì)長軸尺寸、加工余量針對性選擇校直方式，確保第一刀車圓，并保留充足半精車與精車余量[3]。通常切削加工前需先安排一次正火或者退火熱處理，以消除毛坯制造產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，有效降低硬度，改善切削性能；粗加工后再次安排調(diào)質(zhì)熱處理，以獲取均勻且細(xì)小的回火索氏體組織。

（3）針對性優(yōu)化裝夾方式。細(xì)長軸加工時(shí)裝夾通常選擇卡盤與頂尖結(jié)合的方式，為防止加工時(shí)發(fā)生移動(dòng)，一般頂尖會(huì)強(qiáng)力頂緊。然而頂尖頂?shù)眠^緊會(huì)阻礙細(xì)長軸受熱變形，導(dǎo)致細(xì)長軸無法自由伸長，從而發(fā)生彎曲；頂尖頂?shù)眠^松會(huì)致使細(xì)長軸加工時(shí)穩(wěn)定性嚴(yán)重不足，導(dǎo)致細(xì)長軸發(fā)生移動(dòng)，從而加工精度下降。在三爪卡盤和細(xì)長軸之間添加厚度合適的鋼絲圈，將細(xì)長軸與卡爪之間的接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€接觸，如此可有效調(diào)節(jié)方向，防止內(nèi)應(yīng)力生成；還可將頂尖設(shè)計(jì)成具有一定彈性，使得細(xì)長軸受熱時(shí)自由伸長。

（4）適度調(diào)整車床部件的具體位置。適度調(diào)整車床主軸和尾座兩中心線的連線，與車床導(dǎo)軌保持平行，并嚴(yán)格控制平行度偏差在允許范圍之內(nèi)；調(diào)節(jié)尾座至尾座孔中心線，與細(xì)長軸軸線相互重合，從而消除錐度誤差；調(diào)整橫刀架、小刀架與溜板之間的間隙，以避免切削過程扎刀。

（5）切實(shí)改進(jìn)優(yōu)化跟刀架。細(xì)長軸加工難度較大，普通加工所需的兩個(gè)支撐塊剛性無法達(dá)到要求，所以難以滿足細(xì)長軸精度要求。對此，加工時(shí)可利用新式跟刀架將細(xì)長軸夾持于刀具與三個(gè)支撐塊之間，上下左右變形均可得到緩解，且不會(huì)輕易振動(dòng)。此外在跟刀架與細(xì)長軸接觸位置墊置加工為半圓形的可移動(dòng)木塊，并添加機(jī)油進(jìn)行潤滑，不僅可以防止細(xì)長軸受重力作用產(chǎn)生的彎曲，還可發(fā)揮減振效果。

（6）合理設(shè)置刀具幾何參數(shù)。由于細(xì)長軸加工時(shí)剛度低，刀具幾何角度設(shè)置對于切削力、切削熱、振動(dòng)、彎曲變形的影響需要引起高度重視。為了減小切削力與切削熱，細(xì)長軸車削刀具前角通常設(shè)置為15°～30°，且于前角刀面位置打磨出圓弧形或者直線形的斷屑槽，以便于充分?jǐn)嘈?。為延長刀具使用壽命，還需打磨出負(fù)倒棱。由于前角取值范圍比較大，因此后角取值范圍應(yīng)適度縮小；但是不可過小，這主要是因?yàn)檫^小反而會(huì)增加后刀面和細(xì)長軸加工表面之間的摩擦從而產(chǎn)生切削熱。通常后角設(shè)置為6°～8°最為合理。與此同時(shí)，車削刀具主偏角取值與徑向力息息相關(guān)，在不影響刀具強(qiáng)度的前提下適度增大主偏角，可減小徑向力、增大軸向力。在反向進(jìn)給時(shí)強(qiáng)化細(xì)長軸拉伸作用，二者均可減少在切削時(shí)發(fā)生的振動(dòng)，從而提高加工精度。車削刀具主偏角通常設(shè)置為80°～93°。此外刀具安裝時(shí)刀尖可高出工件中心位置0.1～0.3 mm，這樣可使車削刀具后刀面與細(xì)長軸之間輕微接觸，避免細(xì)長軸上下抖動(dòng)，從而減少細(xì)長軸低頻振動(dòng)，提高切削穩(wěn)定性[4]。

（7）確保冷卻效果。切削熱對于加工精度的影響不可小覷，因此為減少切削熱影響，必須使用充足的冷卻潤滑液，使冷卻達(dá)到理想狀態(tài)，以有效降低切削溫度，減少切削熱對于加工精度的影響，并切實(shí)提升刀具耐用性。

（8）基于需求安裝消振器。安裝彈簧滾輪結(jié)構(gòu)的消振器固定于跟刀架，以消除振動(dòng)，保證加工精度。

（9）采取有效的反向進(jìn)給法。既有方式是采取正向進(jìn)給法，細(xì)長軸在軸向切削力作用下易于壓縮變形致使彎曲，但是采取反向進(jìn)給法，進(jìn)給方向從卡盤方向指向尾座位置，這時(shí)切削力對于細(xì)長軸造成的影響是延伸而非壓縮，而且利用彈性較好的尾座頂尖，能夠有效補(bǔ)償?shù)毒吲c尾座之間的細(xì)長軸受壓彎曲變形與受熱延伸，如此細(xì)長軸便不會(huì)由于受壓發(fā)生變形了。

（10）科學(xué)合理把控切削用量。切削用量選擇的合理性，直接影響著細(xì)長軸切削中產(chǎn)生的切削力與切削熱，且對車削變形也產(chǎn)生影響?；诠に囅到y(tǒng)剛度明確，切削深度加大，則車削產(chǎn)生的切削力與切削熱也隨之增加，產(chǎn)生的細(xì)長軸受力與受熱變形也明顯增大，因此細(xì)長軸車削加工時(shí)需適度縮減切削深度。進(jìn)給量增大會(huì)造成切削厚度增加，切削力增大，致使細(xì)長軸受力變形也加大。若是從切削效率提升視角而言，增大進(jìn)給量比增大切削深度更具實(shí)效性。加快切削速度可降低切削力，這主要是由于隨著速度加快與溫度升高，刀具和細(xì)長軸間的摩擦力會(huì)縮小，受力變形自然會(huì)隨之減小。值得注意的是，切削速度過快極易導(dǎo)致細(xì)長軸受離心力作用發(fā)生彎曲變形，損壞切削平衡性，因此切削速度雖然可以加快，但需控制于合理范圍之內(nèi)。細(xì)長軸切削用量取值標(biāo)準(zhǔn)具體見表1。

表1 細(xì)長軸切削用量取值標(biāo)準(zhǔn)

（11）在卡盤裝夾端車削縮頸。在細(xì)長軸的卡盤夾持位置車削縮頸，直徑控制在細(xì)長軸直徑的一半，以強(qiáng)化細(xì)長軸縮頸部分柔韌性，此外縮頸還具備自定位作用，可有效消除坯料彎曲在卡盤夾持影響下造成的軸心線傾斜現(xiàn)象。

3 結(jié)語

細(xì)長軸加工難點(diǎn)與加工精度、表面質(zhì)量息息相關(guān)，直接影響著機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行，因此針對細(xì)長軸加工需采取切實(shí)可行、行之有效的精度提升措施，以確保細(xì)長軸加工精度與表面質(zhì)量。