论文：细长轴的加工技术方法

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文章类型： 技师论文

文章题目：细长轴的加工技术方法 * 名： ** 职 业： 不落轮镟床工 准考证号: 工作单位：长沙市轨道交通运营有限公司

2015年9月8日细长轴的加工技术方法 长沙市轨道交通运营有限公司 杨强 摘要：由于细长轴在加工中刚性差，在切削时受切削力、重力、切削热等因素影响产生弯曲变形，产生震动、锥度、腰鼓形和竹节形等缺陷，难以保证加工精度。通过分析细长轴加工各关键技术问题对细长轴加工的影响，找到改进方法，从而提高细长轴加工的精度，保证合格率。 关键字：细长轴 技术问题 加工方法 精度

引言 通常轴的长度与之直径比大于20～25(即L/d≥20～25)的轴称之为细长轴。这类零件一般在车床上进行加工。在车削加工过程中，由于其刚性差，在切削力和切削热的作用下，细长轴很容易产生弯曲变形，使加工出来的细长轴产生中间粗、两头细的形状，严重影响零件的加工精度。同时细长轴产生弯曲变形后，还会引起工艺系统振动，影响零件的粗糙度。 在切削力、重力和顶尖顶紧力的作用下, 横置的细长轴很容易弯曲甚至失稳, 因此, 车削细长轴时必须改善细长轴的受力问题。 加工方法： 采用反向进给车削, 选用合理的刀具几何参数、切削用量、拉紧装置和轴套式跟刀架等一系列有效措施。

一、提出问题 细长轴是机器上的重要零件之一．用来支配机器中的传动零件，使传动零件有确定的工作位置，并且传递运动和转矩。当轴的长度与直径之比Ｌ／Ｄ＞２５时，轴称为细长轴。“车工怕杆。钳工怕眼’’是人们熟悉的口头语。也就是说，由于细长轴的加工精度要求高，但细长轴本身的结构特点使之刚性差、振动大，所以加工起来存在一定的难度。其加工特点如下： 1、细长轴刚性很差。在车削加工时，如果装夹不当，很容易因切削力及重力的作用而产生弯曲变形，从而引起振动，降低加工精度和表面粗糙度。 2、细长轴的散热性差。在切削热的作用下。工件轴向尺寸会变热伸长，如果轴的两端为固定支承，则会因变挤而产生弯曲变形，甚至会使工件卡死在顶尖间而无法加工。 3、工件高速旋转时，在离心力作用下，加剧工件弯曲与振动。 4、细长轴轴向尺寸较长，加工时一次给所需时间长。刀具磨损大，从而影响零件的几何形状精度。

二、分析细长轴车削加工时受力变形的主要原因 在车床上车削细长轴采用的传统装夹方式主要有两种：一种方式是细长轴的一端用卡盘夹紧，另一端用车床尾架顶尖支承(一夹一顶)；另一种方式是细长轴的两端均由顶尖支撑(双顶尖)。通过分析研究，车削引起细长轴弯曲变形的原因主要有： 1、切削力导致变形 在车削过程中，产生的切削力可以分解为轴向切削力Px、径向切削力Pz。不同的切削力对车削细长轴时产生弯曲变形的影响是不同的。 （1）径向切削力Pz的影响 径向切削力是垂直作用在通过细长轴轴线水平平面内的，由于细长轴的刚性较差，径向力将会把细长轴顶弯，使其在水平面内发生弯曲变形.径向切削力对细长轴弯曲变形的影响(见图1)。

图 1 一夹一顶装夹方式及力学模型 （2）轴向切削力Px的影响 轴向切削力是平行作用在细长轴轴线方向上的，它对工件形成一个弯矩。对于一般的车削加工，轴向切削力对工件弯曲变形的影响并不大，可以忽略。但是由于细长轴的刚性较差，其稳定性也较差，当轴向切削力超过一定数值时，将会把细长轴压弯而发生纵向弯曲变形(如图2)。

图2 径向切削力的影响及力学模型 2、切削热产生的影响 车削加工产生的切削热，会引起工件热伸长。由于在车削过程中，卡盘和尾架顶尖都是固定不动的，因此两者之间的距离也是固定不变的。这样细长轴受热后的轴向伸长量受到限制，导致细长轴受到轴向挤压而产生弯曲变形。 因此可以看出，提高细长轴的加工精度问题，实质上就是控制工艺系统的受力及受热变形的问题。

三、提高细长轴加工精度的措施 1、机床的调整 细长轴的加工过程需要使用床身导轨的全部或大部分，因此机床本身的精度对加工效率、质量有着相当重要的影响。由于机床导轨面磨损程度不同，因此首先要对机床做适当的调整。使主轴中心和尾座顶尖中心线与导轨全长平行。 2、棒料的校直 对于精度要求高的零件要采用热校直法校直棒料，不宜冷校直，忌锤击。 3、选择合适的装夹方法 （1）两顶尖装央定位准确，容易保证工件轴度要求。但该方法车削刚性较差，要求顶紧力适当，否则弯曲变形大，而且极易产生振动。只适宜于长度与直径比不很大，加工余量小，需要多次以两顶尖孔定位来保证同轴度要求的工件加工。 （2）一端用卡盘夹紧，另一端用顶尖顶紧顶尖顶得太紧，工件切削时变热伸长变阻，将引起轴变形弯曲；顶尖顶得太松，则稳定性差，另外，顶尖孔与装夹基面往往不同轴，会形成装夹的过定位而使工件弯曲。此时．可在三爪卡盘与工件问垫入—个开口钢丝圈，使工件与卡爪成线接触，使细长轴在自由状态下定位夹紧，不会产生内应力。此外，后顶尖还可以采用弹性活顶尖，使工件变热伸长时不变阻，以减少弯曲变形 （3）一夹一拉装夹细长轴在车削过程中工件始终受到轴向拉力，因切削热而产生的轴向伸长量，可用后尾座手轮进行调整，这是加工细长轴比较理想的一种装夹方法 4、增加细长轴的刚性，减小车削时的振动，使用中心架和跟刀架来解决 使用跟刀架或中心架的加工特点： 车细长轴时由于使用跟刀架，若支承工件的两个支承块对零件压力不适当，会影响加工精度。若压力过小或不接触，就不起作用，不能提高零件的刚度：若压力过大，零件被压向车刀，切削深度增加，车出的直径就小，当跟刀架继续移动后，支承块支承在小直径外圆处，支承块与工件脱离，切削力使工件向外让开，切削深度减小，车出的直径变大，以后跟刀架又跟到大直径圆上，又把工件压向车刀，使车出的直径变小，这样连续有规律的变化，就会把细长的工件车成“竹节”形。造成机床、工件、刀具工艺系统的刚性不良给切削加工带来困难，不易获得良好的表面粗糙度和几何精度。 （1）当工件可分段车削时，中心架直接支承在工件中间。采用这种支承，长度与直径之比可以减少一半，相当于减少了轴与支承跨距，细长轴的刚度可以增加几倍，能有效防止轴加工时的绕曲变形(见图3-1)。

图3-1 中心架的装夹方法 （2）跟刀架固定在床鞍上，一般有两个或三个支承爪，跟刀架可以跟随车刀移动，抵消径向切削时可以增加工件的刚度，减少变形。从而提高细长轴的形状精度和减小表面粗糙度。跟刀架是加工细长轴及其重要的附件。跟刀架的形式很多，但不管是哪种，其中心都必须与卡盘、尾座顶尖处于同一中心上（如图3-2）。必要时可将圆柱铰刀或圆柱铣刀支持在三爪卡盘上，对跟刀架支撑头进行修正。加工细长轴时最好采用三支柱的跟刀架，支柱的材料为普通铸铁，因为这种材料的磨损较小能保证加工精度，而且不会研伤工件表面，能提高工件表面的光洁度。跟刀架爪与工件表面要接触良好，其压力大小是由操作者手感控制，不得过紧或过松。过紧，工件随着走刀，会产生竹节形误差，表面粗糙度加大；过松，工件容易跳动产生椭圆形、三菱形、竹节形等误差，表面粗糙度也会增大。

图3-2 跟刀架 5、减小热变形伸长影响 车削时，因切削热传导给工件，使工件温度升高，工件就开始变形伸长，其热变形伸长量为

tLL1 式中： 1为材料的线膨胀系数；

Ｌ为工件总长； t为工件升高的温度。 如前所述，车削细长轴时，一般用两顶尖或一端夹紧，另一端顶紧的方法加工，其轴向位置是固定的，如果工件变热伸长了ｄＬ，工件就受挤压弯曲，一旦产生弯曲后，细长轴就很难进行加工，因此，加工细长轴时，需采取措施以减小热变形的影响： （1）使用弹性回转顶尖来补偿热变形伸长实践证明，用弹性回转顶尖加工细长轴，可有效的补偿工件的热变形伸长，工件不易弯曲，车削可顺利进行。 （2）采用反向进给车削反向进给是指刀具从床头到床尾方向作切削运动。常规的切削方向使尾架的顶紧轴向力与切削轴向力Ｂ方向一致，加剧了细长轴工件的弯曲。若反向进给，其轴向分力只对工件产生的拉力，使工件已加工部分轴向拉伸，与工件变热伸长方向一致，共同向弹性顶尖压缩。为取得最佳效果，反向进给和弹性顶尖一般配合使用。 （3）加注充分的切削液车削细长轴时．无论是低速切削还是高速切削，使用切削液进行冷却，能有效地抑制工件温度上升，从而控制热变形。 （4）刀具应经常保持锐利状态，以减小刀具与工件的摩擦发热。

6、采用适当的车削方法 （1）一夹一顶上中心架，或两顶尖上中心架，正装车刀车削，适用于允许调头接刀车削的工件。 （2）一夹一顶上跟刀架，正装车刀车削，适用于不允许调头接刀车削的工件。两爪跟刀架不适用于高速切削，三爪跟刀架适用于高速切削。 （3）一夹一顶或一夹一拉，卡盘央紧面用开口钢丝圈，上跟刀架，反向进给，适用于精车长径比大于５０倍的轴（见图3-3）。

图3-3 （4）双刀切削法。采用双刀车削细长轴改装车床中溜板，增加后刀架，采用前后两把车刀同时进行车削。两把车刀，径向相对，前车刀正装，后车刀反装。两把车刀车削时产生的径向切削力相互抵消。工件受力变形和振动小，加工精度高，适用于批量生产（见图3-4）。

图3-4 双刀车削细长轴 （5） 双顶尖法装夹法。采用双顶尖装夹，工件定位准确，容易保证同轴度。但用该方法装夹细长轴，其刚性较差，细长轴弯曲变形较大，而且容易产生振动.因此只适宜于长径比不大、加工余量较小、同轴度要求较高、多台阶轴类零件的加工。 （6）采用反向切削法车削细长轴。反向切削法是指在细长轴的车削过程中，车刀由主轴卡盘开始向尾架方向进给。在加工过程中产生的轴向切削力使细长轴受拉，消除了轴向切削力引起的弯曲变形。同时，采用弹性的尾架顶尖，可以有效地补偿刀具至尾架一段的工件的受压变形和热伸长量，避免工件的压弯变形 7、适当的控制切削用量。加工时，冷却液的浇淋要充分。 切削用量选择的是否合理，对切削过程中产生的切削力的大小、切削热的多少是不同的。因此对车削细长轴时引起的变形也是不同的。 （1）切削深度(t) 在工艺系统刚度确定的前提下，随着切削深度的增大，车削时产生的切削力、切削热随之增大，引起细长轴的受力、受热变形也增大。因此在车削细长轴时，应尽量减少切削深度 （2）进给量(f) 进给量增大会使切削厚度增加，切削力增大。但切削力不是按正比增大，因此细长轴的受力变形系数有所下降.如果从提高切削效率的角度来看，增大进给量比增大切削深度有利。