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在機(jī)械加工中，許多零件的長(zhǎng)度與直徑之比大于20～25（L/D≥20～25），如車床光桿、絲桿、材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)（本中心的主推產(chǎn)品）中的吊桿（見圖1）等，這類零件統(tǒng)稱為細(xì)長(zhǎng)軸。細(xì)長(zhǎng)軸零件剛性差、抗彎能力弱，在車削過程中因受到切削力、重力及切削熱等因素的影響而易發(fā)生彎曲變形，使零件形成錐度、腰鼓形、水波紋及竹節(jié)紋等狀況，不僅導(dǎo)致加工表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化，還縮短了機(jī)床和刀具壽命。

圖1  材力架吊桿

1.細(xì)長(zhǎng)軸車削時(shí)產(chǎn)生變形的原因分析

在加工中，車削細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形原因主要有：

（1）切削力導(dǎo)致變形。在車削過程中產(chǎn)生的切削力可分解為：軸向切削力Ff、徑向切削力Fp和主切削力Fz。不同的切削力對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生的彎曲變形影響是不一樣的。

軸向切削力Ff影響。軸向切削力是平行作用在細(xì)長(zhǎng)軸軸線方向的力，當(dāng)軸向切削力超過一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)把細(xì)長(zhǎng)軸壓彎，從而使工件發(fā)生縱向彎曲變形（一般短軸類加工可忽略，它對(duì)工件彎曲變形的影響不是十分大）。

徑向切削力Fp影響（見圖2）。徑向切削力是垂直作用在通過細(xì)長(zhǎng)軸軸線水平平面內(nèi)的，由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性差，徑向力將會(huì)把細(xì)長(zhǎng)軸頂彎，使其在水平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形。

（2）切削熱產(chǎn)生的影響。車削時(shí)，由于切削熱的影響，土工布工件隨溫度升高而逐漸伸長(zhǎng)變形，這種現(xiàn)象叫熱變形。

工件長(zhǎng)度熱伸長(zhǎng)量公式為：ΔL=α×Δt×L

式中，ΔL為工件長(zhǎng)度熱伸長(zhǎng)量（mm）；α為材料線性膨脹系數(shù)（可從有關(guān)書中查閱），如鑄鐵：１×10-5/℃，鋼：1.17×10-5/℃，黃銅：1.7×10-5/℃；L為工件總長(zhǎng)（mm）；Δt為工件升高溫度（Δt=工件加工時(shí)溫度－未加工時(shí)工件溫度）。

例如吊桿加工：長(zhǎng)度L=760mm，直徑14mm，材料45鋼，切削熱影響使工件升溫30℃，則加工時(shí)細(xì)長(zhǎng)軸熱變形量ΔL=1.17×10-5×30×760=0.267mm

通過上式可看出，工件吊桿在加工時(shí)會(huì)伸長(zhǎng)0.267mm。而在車削時(shí)，卡盤和尾架是固定的，這樣兩者之間的距離也是不變的，由于細(xì)長(zhǎng)軸受熱后伸長(zhǎng)量受到限制，從而導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸受到擠壓產(chǎn)生彎曲變形。因此，提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度，要解決工藝系統(tǒng)的受力和受熱變形。

2.解決細(xì)長(zhǎng)軸車削過程中變形的工藝方法

單位的教學(xué)產(chǎn)品材料力學(xué)多功能試驗(yàn)臺(tái)中有一根吊桿長(zhǎng)760mm、直徑14mm（見圖3），是一個(gè)比較典型的細(xì)長(zhǎng)軸零件。在初的加工過程中由于加工工藝的不合理，車出的工件很難達(dá)到圖樣的要求，使零件產(chǎn)生錐度、水波紋及竹節(jié)紋等（見圖4）缺陷。通過改進(jìn)裝夾方式、調(diào)整切削用量、改變切削方式等加工工藝的變化，終加工出合格零件。

 （ａ）水波紋

（ｂ）竹節(jié)紋

圖4  材力架吊桿加工中產(chǎn)生的缺陷

（1）采用一夾一頂方式。如果用普通，受切削熱影響，工件肯定受到軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形，所以采用彈性活（見圖5），使細(xì)長(zhǎng)軸受熱后可以自由伸長(zhǎng)，提高加工精度。同時(shí)在卡盤卡爪與細(xì)長(zhǎng)軸之間墊入一個(gè)約3～5mm的開口鋼圈，減小卡爪與細(xì)長(zhǎng)軸的軸向接觸長(zhǎng)度，消除裝夾時(shí)的過定位，從而減小彎曲變形（見圖6）。      

采用滾珠接觸的跟刀架。生產(chǎn)中我們用跟刀架輔助支撐，以增加工件剛性和穩(wěn)定性。普通跟刀架兩爪支承，但由于工件本身的向下重力和工件校直不理想，車削時(shí)瞬時(shí)離開支承爪，接觸支承爪時(shí)就產(chǎn)生振動(dòng)，易形成水波紋。終選擇用滾珠接觸的三爪跟刀架，使工件上下左右移動(dòng)受限制，只能繞軸線旋轉(zhuǎn)，減小車削振動(dòng)和工件變形，而且滾珠接觸的跟刀架將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，可減小摩擦阻力。

使用跟刀架時(shí)注意：①主軸轉(zhuǎn)速不能過高，給支撐爪上潤(rùn)滑油，防止過度磨損。②各爪支撐力要調(diào)整合理，過松不能支撐，過緊影響工件形狀精度，容易出現(xiàn)竹節(jié)形而影響加工質(zhì)量。

采用一夾一頂方式，方法簡(jiǎn)潔，不需過多的輔助工具和其他輔助加工。

（2）采用反向切削法車削細(xì)長(zhǎng)軸。切削時(shí)車刀由卡盤向尾架方向進(jìn)給，稱為反向切削法（見圖7）。這時(shí)在加工中產(chǎn)生的軸向切削力使細(xì)長(zhǎng)軸承受拉力，消除軸向切削力引起的變形。 

反向切削法在加工時(shí)，需預(yù)先加工出一段過度軸，但不能保證其與加工軸同軸，所以決定不采用。

（3）采用雙刀車削。雙刀車削（見圖8）是采用前后兩把車刀同時(shí)進(jìn)行車削。兩把車刀徑向相對(duì)，前刀正裝，后刀反裝。車削時(shí)兩把刀產(chǎn)生的徑向切削力相互抵消，因此工件受力變形、振動(dòng)都很小，加工的精度好。但需要改裝車床中滑板，增加后置刀架，所以成本變高，只適用于專業(yè)大批量生產(chǎn)。

（4）合理選擇切削用量。切削速度（v）的選擇。圖9所示為切削速度與振動(dòng)強(qiáng)度及穩(wěn)定性的關(guān)系曲線。

從圖9中可看出，車削時(shí)v一般在30～70m/min的速度范圍內(nèi)，容易產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)相應(yīng)的振幅值較大；高于或低于這個(gè)范圍，振動(dòng)呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。所以當(dāng)加工直徑＜15mm時(shí)，取v≤30m/min；當(dāng)加工直徑＞15mm時(shí)，取v≥70m/min。

進(jìn)給量f的選擇。在機(jī)床功率剛性許可情況下選大進(jìn)給量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，粗車時(shí)取f=0.15mm/ｒ，    半精車時(shí)f=0.1mm/ｒ，精車f=0.06mm/ｒ。

背吃刀量ap（切削深度）的選擇。隨著切削深度的增大，車削時(shí)產(chǎn)生的切削力、切削熱隨之增大，引起細(xì)長(zhǎng)軸的受力、受熱變形也增大，因此在細(xì)長(zhǎng)軸加工時(shí)，應(yīng)盡量減少切削深度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，

粗車時(shí)ap=1mm，半精車ap=0.5mm，精車時(shí)ap=0.25mm。

（5）合理選擇刀具角度。刀具幾何角度中前角、主偏角和刃傾角對(duì)切削力的影響。

前角ro。前角大小直接影響切削力、切削溫度。增大前角可使被切削金屬層的切削變形減小，通過試驗(yàn)可知，當(dāng)前角ro增加10°，徑向分力Fp可減小30%。實(shí)際加工前角一般取ro=15°～30°，車刀前刀面磨斷屑槽，寬2～4mm，使得出屑流暢，卷屑性能好。

主偏角Kr。主偏角增大，徑向切削力減小，主偏角Kr= 75°～90°（裝刀時(shí)裝成85°～88°），

刃傾角。影響車削過程中切削流向，刃傾角增大，徑向切削力減小，一般在－10°～ +10°范圍內(nèi)。細(xì)長(zhǎng)軸加工時(shí)，采用+3°～+10°，使切削流向待加工表面，從而保護(hù)已加工面。

（6）細(xì)長(zhǎng)軸螺紋的加工。細(xì)長(zhǎng)軸螺紋（M12以下）在機(jī)床上難以加工，通常采取的方式是用板牙直接套出來（見圖10）。

（a）

（b）

1.工裝套 2.未加工細(xì)長(zhǎng)軸 3.定位孔4.緊固螺釘 5.板牙 6.已加工好的螺紋 7.板牙架 8.刀臺(tái)

加工時(shí)用普通板牙裝置套螺紋，發(fā)現(xiàn)容易產(chǎn)生半邊切削，造成牙尖損壞、質(zhì)量差、效率低和廢品率高的現(xiàn)象?，F(xiàn)改裝普通板牙套如圖10所示，以彌補(bǔ)存在的不足，提高細(xì)長(zhǎng)軸螺紋的加工精度。

超長(zhǎng)螺桿套絲夾具包括工裝套、板牙架和緊固頂絲。工裝套前面有保證超長(zhǎng)螺桿加工精度的圓孔（圓孔主要起導(dǎo)向作用）和用來聯(lián)接圓孔的保持架，后面有固定板牙圓套，圓套上有兩個(gè)螺紋孔（一個(gè)用來聯(lián)接支撐桿，另一個(gè)用來旋轉(zhuǎn)緊固螺釘，使板牙固定在圓套上）。在加工超長(zhǎng)螺桿時(shí)，將棒料一端夾緊，另一端放在定位圓孔內(nèi)（棒料直徑比圓孔直徑小0.05～0.15mm），棒料旋轉(zhuǎn)，超長(zhǎng)螺桿套絲夾具向前走，棒料經(jīng)過超長(zhǎng)螺桿套絲夾具內(nèi)板牙的加工，可加工出高精度的超長(zhǎng)螺桿。

（7）材力架吊桿的車削方法。通過上述試驗(yàn)分析，決定采用以下方法解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題。

首先對(duì)機(jī)床進(jìn)行了兩方面的調(diào)整：①車床主軸的調(diào)整：車床主軸過松，很容易造成在車削過程中的振動(dòng)，因此要把機(jī)床主軸適當(dāng)調(diào)緊，從而防止機(jī)床跳動(dòng)和竄動(dòng)對(duì)零件加工的不利影響。②尾座的調(diào)整：如果尾座的中心線和主軸的中心線不在一條水平線上，產(chǎn)生同軸度誤差，車出的工件一定會(huì)出現(xiàn)錐度。

其次對(duì)零件的加工工藝進(jìn)行分析，確定了加工工藝（見附表）。

經(jīng)過上述辦法可解決吊桿生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，使產(chǎn)品合格（見圖11）。

圖11  合格的吊桿

3.結(jié)語

通過對(duì)車削加工中影響細(xì)長(zhǎng)軸加工質(zhì)量因素進(jìn)行分析，將剛性差、抗彎能力弱及受熱彎曲變形等問題，用調(diào)整機(jī)床的精度、改善裝卡方式、正確刃磨刀具角度和選擇合理切削用量等方法加以解決，從而有效地提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量，確保其加工精度。