论细长轴加工的的质量缺陷及对策

1、论细长轴加工的质量缺陷及对策楚雄技师学院 张雪峰择要：本文从细长轴的定义、结构特点出发，分析了加工时易产生振动、变形等问题及产生的原因，详细论述了细长轴的几种典型车削加工方法的工艺特点及应采用的工艺技术措施。关键词：细长轴 质量缺陷 对策长度与直径之比大于25（即L/d>25）的轴叫细长轴。由于细长轴刚性很差，对车削加工的切削力、切削热和振动等十分敏感，加工时极易产生变形，出现直线度、圆柱度等加工误差，不易达到图样上的形位精度和表面质量等技术要求，使切削加工很困难。L/d值越大，车削加工越困难。为此采用相应的技术措施，选用合理的刀具和正确的辅助工具，提高工艺系统的刚性，通过车削、热处理和

2、磨削等工艺方法来全面达到形位精度和表面质量等技术要求。一、细长轴概述1、细长轴的定义及结构特点工件长度与直径之比大于25（即L/d>25）时称为细长轴，细长轴因本身刚性较差，在加工中容易引起弯曲、振动，使加工困难。L/D值愈大，加工就愈困难。2、加工阶段的划分细长轴加工基本上可以划分为三个阶段，即粗加工阶段，半精加工阶段和精加工阶段。各阶段的划分大致以热处理为界，对于精密机床上使用的轴，还应有一个光整加工的阶段，以获得很小的表面粗糙度，有时也为了获得更高的尺寸精度和配合精度。3、在加工中容易出现的问题（1）在加工过程中，工件受热伸长，引起弯曲变形，有时甚至会使工件卡死在顶尖之间而无法加工

3、。（2）工件受切削力作用会产生弯曲，从而引起震动，影响工件的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度。4、细长轴的材料一般选用45钢、65Mn钢和40Cr钢。二、细长轴的车削加工1、车细长轴时，细长轴装夹在卡盘中，工件产生的最大弯曲变形为max=FL3/48EI如图示。图1 细长轴加工示意图式中L-轴悬伸长度（mm）；E-轴的弹性模度（N/mm2）,对刚性轴来说E=2Ï105/N/mm2；I-轴截面的惯性矩（mm4）,I=d4/64；d-轴的直径（mm）。当工件材料及直径一定时，max主要取定于F和支承长度L，因此为提高细长轴的刚性，采取以下措施：减小工件支承长度L1）使用中心架支承车削细长轴

4、 在车削细长轴时，使用中心架来增加工件刚性，使支承间的距离缩短一半，工件的刚性比不用中心架时有成几倍的提高。一般车削细长轴使用中心架的方法有：中心架直接支承在工件中间。当工件可以按分段车削时，中心架支承在工件中间，如图1.图1 用中心架车削细长轴在工件装上中心架之前，必须在毛坯中部车出一段支承中心架支承爪的沟槽，其表面粗糙及圆柱误差要小，并在支承爪与工件接触处经常加润滑油。为提高工件精度，车削前应将工件轴线调整到与机床主轴回转中心同轴。为使中心架支承爪与工件保持良好的接触，一般要进行研磨抱合。用过渡套筒支承细长轴 由于车削支承中心架的沟槽比较困难，中心架直接支承在工件中间加工细长轴的方法受到了

5、一定的限制。为了扩大中心架的使用范围，可采用附加一个过渡套筒的方法，来加工一些外径不规则的工件(如架中心架处有键槽或花键或一些中段不需加工的细长轴等)。中心架支承爪与过渡套筒的外表面接触，如图2所示，过渡套筒的两端各装有四个螺钉，用这些螺钉夹紧毛坯表面，并调整套筒外圆的轴线与主轴旋转轴线相重合，即可车削。图2 用过渡套筒支承细长轴中心架的使用 中心架一般有两种。一种为普通中心架，另一种为滚动轴承中心架。滚动轴承中心架的构造与普通中心架相同，不同之处在支承架的前端装有三个滚动轴承，以滚动摩擦代替滑动摩擦，它的优点是耐高速、不会研伤工件表面，缺点是同轴度稍差。使用中心架时通常先用百分表找正工件两端

6、外圆，然后以外圆为基准，先下后上调整中心架三个支承爪与工件轻轻接触即可，技术较熟练时也可用目测透光法观察支承爪与工件之间的跳动间隙来调整三个支承爪。2）使用跟刀架车削细长轴 在对不能用中心架支承的细长轴进行车削时，通常使用跟刀架支承来增加工件的刚性，使用跟刀架的目的是防止工件弯曲变形及抵消径向切削力，提高车削细长轴的形状精度和减小表面粗糙度。跟刀架的选用 跟刀架固定在床鞍上，车削时跟随在车刀后面一起移动，切削作用点和支承点之间的距离约为510mm，一般有两个支承爪，和三个支承爪两种。如图3.（a）两爪跟刀架 （b）三爪跟刀架图3 跟刀架从理论上来说，两爪跟刀架随车刀移动，抵消径向切削力，车刀给

7、工件的切削抗力Fr（图3a），使工件贴在跟刀架的两个支承爪上。但由于工件本身有一向下的重力，车削时工件会因离心力作用瞬时离开支承爪、瞬时接触支承爪而产生振动。所以比较理想的中心架需要用三爪中心架，如图3b所示。由三爪和车刀抵住工件，使之上下、左右都不能移动，车削时稳定，不易产生振动。跟刀架的使用 车削时三爪跟刀架的支承爪与工件表面应保持良好的接触，接触压力不宜过大，压力过大，会把工件车成“竹节形”。如果跟刀架大支承爪压力太小，甚至没有接触，那就不能起到跟刀架的作用。因此，在调整跟刀架支承爪的压力时，要特别注意。跟刀架主要用于细长光轴的加工，使用跟刀架需先在工件右端车削一段外圆，根据外圆调整支承

8、爪的位置和松紧。跟刀架使用调整起来较麻烦，特别是一根细长轴的几次走刀，就得不断地调整。3）减少工件的热变形伸长 细长轴车削时热扩散性差、线膨胀大，当工件两端顶紧时易产生弯曲变形。如车削直径为25mm，长度为1200mm的细长轴，材料为45钢，车削时因受切削热的影响，使工件比室温升高30，则细长轴热变形伸长量L= aLt=11.59×10-6×1200×40=0.556mm。由于工件一夹一顶装夹，工件无法伸长，只能本身产生弯曲。细长轴一旦产生弯曲后，车削就很难进行。因此加工细长轴时，减少工件的热变形主要可采取以下措施：使用弹性回转顶尖 用弹性回转顶尖加工细长轴，可有

9、较地补偿工件的热变形伸长，工件不易弯曲，车削可顺利进行。车削细长轴时，不论是低速切削还是高速切削，都必须加注切液充分冷却，抑制工件温度上升，从而有效控制热变形。刀具应经常保持锐利状态，以减小车刀与工件的摩擦发热，从源头上控制热变形。减小工件所受切削力1）防振切削用量和合理的刀具几何参数。选择细长轴车削时的切削用量，除保证工件的质量，刀具的耐用度，劳动生产率外，还要根据细长轴的结构特点，使切削变形小，应严格控制切削力和切削温度，防止切削过程中产生振动。表1 车削细长轴切削用量推荐表 切削用量工序切削深度（mm）ap进给量（mm/r）切削速度（m/min）粗 车1.520.300.405060精

10、车0.5010.080.1260100注：精车时采用宽刃精车刀合理的刀具几何参数我们从实验得知，当前角r0增加100，径向分力Fr可以减少30%；主偏角kr增大100，径向分力Fr可以减少10%以上；刃倾角s取负值时，径向分力Fr也有所减少。由于车削细长轴时工件刚性差，刀具几何形状对工件产生的振动非常敏感，为减少细长轴弯曲，要求径向切削力越小越好，而刀具的前角和主偏角是影响径向切削力的主要因数。在不影响刀具强度的情况下，尽量增大车刀主偏角。主偏角kr=900（装刀时装成850880），配磨副偏角kr=80100 。刀尖圆弧半径s=0.150.2mm，有利于减少径向分力。前角r0

11、60;其大小直接着影响切削力、切削温度，对切削过程中的振动、车刀的强度影响极大。一般采用r0=150300。加大前角，则刀刃锐利，从而可降低切削力和切削温度。根据选择前角最佳数值，细长轴车刀的前角r0=200300，并且在前刀面磨出圆弧型或直线型的卷屑槽，配磨负倒棱，使径向分力减少，出屑流畅，卷屑性能好，切削温度低，因此能减轻和防止细长轴弯曲变形和振动。因前角r0较大，后角0应取得小些。但过于小会导致刀具后刀面与加工表面之间产生强烈摩擦而发热，故为了保证刀刃有足够的强度，一般应取0=4060为佳。刃倾角s影响着车削过程中切屑的流向、刀尖的强度及3个切削分力的比例关系。随着刃倾角的增大，径向切削

12、力明显减小，但轴向切削力和切向切削力却有所增大。在车削细长轴时，常采用正刃倾角s=3050，以使切屑流向待加工表面，从而降低表面粗糙度。车削细长轴车刀见图4图4 细长轴车刀2）用前后双刀架“对刀”切削，使径向切削力相互抵消利用误差抵消以提高加工精度这一思路的开拓，发展了利用切削力和受力变形相抵消的新方法。在实践中加工L/D>25的细长轴时，既不用中心架，也不用跟刀架，而是采用了前后双刀“对刀”切削，同时适当的选用刀具几何角度，使径向力相互抵消，这样就可以用高切削速度和大进给量同时进行半精车和精车，获得良好的效果。如图5示，这种加工方法采用了前后两把车刀径向相对，同时沿着车刀轴向走到。车刀

13、1是正装半精车刀，车刀2是反装了的精车刀。精车刀具有负后角，因此后刀面对工件产生了摩擦，起到了一定的压光作用，同时还增加精车刀所产生的切削力，使之与半精车（切削余量大）所产生的切削力相平衡。径向切削力相互抵消，清除了细长丝杠切削容易变形的缺陷。图5 对刀切削示意图图6为“对刀”切削的双刀架示意图。在车床床鞍上装上前后两个中拖板刀架，中拖板的丝杠改成左右旋螺纹传动。图6 双刀架示意图半精车和精车的切削用量=110 m/min（n=840r/min）, ap=1.0mm和0.6mm，=1.8 mm/r。走刀一次，切削时间是半分钟，生产效率比采用跟刀架的方法提高了好几倍。3）用大进给量反向切削的方法

14、加工细长轴消除轴向切削力引起的弯曲变形分析细长轴在轴向车削时的受力情况和变形状态后，可以看出，采用跟刀架只是消除了径向切削力吧工件“顶弯”的因素，还没有解决轴向切削力也会使工件“压弯”的问题。在使用了跟刀架之后，后者就成了主要矛盾，轴向切削力引起弯曲变形的原因有三点：细长轴的一头被夹持在卡盘中，另一头施以轴向切削力时，就像材料力学中已经分析过的，若一根子上施加一个偏置压力，就容易产生弯曲变形，何况这根杆子又细又长，所以弯曲变形特别大。见图7图7 顺向进给是是对细长轴起的压缩作用工件有了上述弯曲变形后，在高速回转下，由于离心力惯性作用，又加剧了变形，并引起振动。工件在切削热的作用下必然产生热伸长

15、。一根1米的细长轴温升400的细长轴轴向伸长量达到0.5mm，而卡盘和尾座顶尖之间的距离又是固定了的，工件轴向没有伸缩的余地，因此产生了轴向力，加剧了工件的弯曲。为了消除和减小上述原始误差，可以改变进给方向，这就产生了大进给量反向切削加工细长轴的方法。它包括了：进给反向由卡盘一端指向尾座，对工件的作用是拉伸（见图8），采用弹性活顶尖，工件不会被压弯。图8 反向切削加工细长轴示意图采用了大进给量和大的主偏角车刀，增大了Fx力，还消除了径向的颤抖，使切削平稳。伸缩式顶尖使工件在热伸长下也有伸缩余地。采用“缩颈法”增加工件柔性，消除轴心线歪斜的影响。即在卡盘一端工件上车出一个缩颈部分，缩颈直径为d=

16、D/2(为工件胚料)，工件在缩颈部分的直径减小了，柔性就得到了增加。如图9示图9 缩颈法在用粗车刀车出5080mm一段长度以后装上跟刀架，跟刀架的支承块装在刀尖后面12mm处，然后进行全长度的粗车（图10-a）。精车时跟刀架的支承块状在刀尖前面，以粗车过的表面作为支承面，以避免支承块划伤精车过的工件表面（图10-b）。表2为反向切削的方法加工细长轴实际加工两个典型的数据。 图10 反向切削粗、精车跟刀架安装法表2 反向车削细长轴的切削效果加工材料毛胚尺寸（mm）工件尺寸（mm）工序n(r/min)（m/min）走到次数（mm/r）ap(mm)切 削 效 果（mm）精度粗糙度锥度圆度径向跳动45

17、刚ø45ø20×1500（L：d=75）粗车600508530.65ø20-0.017Ra1.250.010.0010.040.64.50.62.75精车12081.750.2545钢ø40ø35×4097（L：d=117）粗车2903610.302.45Ra1.250.040.0030.0050.250.35精车141.5212140.020.052、细长轴的拉夹车削细长轴的车削方法较多，但它们都有一个共同的特点，就是工件必须用顶尖装夹，受压时易失稳弯曲。拉夹是将尾座的装夹方式由弹性顶紧改为弹性拉紧，同时采用反向切削，并对车刀的几何形状和切削用量做了该进。弹性尾座拉紧装置如图11所示。使用时，工件夹入卡盘的一端，图11 弹性尾座拉紧夹具卡爪面与工件面间垫入ø50×20 mm的钢丝，夹入长度约1520mm，使工件与卡爪间为线接触。工件先车好另一端外圆后夹入弹性尾座拉紧夹具的弹性夹套2的内孔。夹持好工件后，转动车床尾座手轮，使尾座顶尖套后退，通过尾座顶尖套14和弹性夹套2靠手感把工件拉紧。然后再按车细长轴的工艺安装跟刀架，防振垫木等，反向走刀车削，车削过程中要随时检查调整尾座拉紧力。三、