車細(xì)長(zhǎng)軸如何控制彎曲變形？

在機(jī)械加工過程中，有很多軸類零件的長(zhǎng)徑比L/d>25。在切削力、重力和頂尖頂緊力的作用下, 橫置的細(xì)長(zhǎng)軸很容易彎曲甚至失穩(wěn)，因此，車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)必須改善細(xì)長(zhǎng)軸的受力問題。

加工方法：采用反向進(jìn)給車削, 選用合理的刀具幾何參數(shù)、切削用量、拉緊裝置和軸套式跟刀架等一系列有效措施。

01

車削細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲變形的因素分析

在車床上車削細(xì)長(zhǎng)軸采用的傳統(tǒng)裝夾方式主要有兩種：一種方式是：一夾一頂安裝；另一種方式是：兩頂尖安裝。這里主要分析一夾一頂?shù)难b夾方式。如圖1所示。

圖1 一夾一頂裝夾方式及受力分析

通過實(shí)際加工分析，車削引起細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的原因主要有：

（1）切削力導(dǎo)致變形

在車削過程中，產(chǎn)生的切削力可以分解為軸向切削力PX、徑向切削力PY及切向切削力PZ。不同的切削力對(duì)車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)產(chǎn)生彎曲變形的影響是不同的。

1）徑向切削力PY的影響

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)軸的剛性較差，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.徑向切削力對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的影響，見圖1。

2）軸向切削力PX的影響

軸向切削力是平行作用在細(xì)長(zhǎng)軸軸線方向上的，它對(duì)工件形成一個(gè)彎矩。對(duì)于一般的車削加工，軸向切削力對(duì)工件彎曲變形的影響并不大，可以忽略。但是由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性較差，其穩(wěn)定性也較差，當(dāng)軸向切削力超過一定數(shù)值時(shí)，將會(huì)把細(xì)長(zhǎng)軸壓彎而發(fā)生縱向彎曲變形。如圖2所示。

圖2 軸向切削力的影響及受力分析

（2）切削熱產(chǎn)生的影響

加工產(chǎn)生的切削熱，會(huì)引起工件熱變形伸長(zhǎng)。由于在車削過程中，卡盤和尾架頂尖都是固定不動(dòng)的，因此兩者之間的距離也是固定不變的。這樣細(xì)長(zhǎng)軸受熱后的軸向伸長(zhǎng)量受到限制，導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸受到軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形。

因此可以看出，提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度問題，實(shí)質(zhì)上就是控制工藝系統(tǒng)的受力及受熱變形的問題。

02

提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的措施

在細(xì)長(zhǎng)軸加工過程中，為提高其加工精度，應(yīng)根據(jù)不同的生產(chǎn)條件，采取不同的措施，以提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度。

（1）選擇合適的裝夾方法

在車床上車削細(xì)長(zhǎng)軸采用的兩種傳統(tǒng)裝夾方式中，采用雙頂尖裝夾，工件定位準(zhǔn)確，容易保證同軸度。但用該方法裝夾細(xì)長(zhǎng)軸，其剛性較差，細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形較大，而且容易產(chǎn)生振動(dòng).因此只適宜于安裝長(zhǎng)徑比不大、加工余量較小、同軸度要求較高的工件。

加工細(xì)長(zhǎng)軸通常采用一夾一頂?shù)难b夾方式。但是在該裝夾方式中，如果頂尖頂?shù)锰o，除了可能將細(xì)長(zhǎng)軸頂彎外，還能阻礙車削時(shí)細(xì)長(zhǎng)軸的受熱伸長(zhǎng)，導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸受到軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形。另外卡爪夾緊面與頂尖孔可能不同軸，裝夾后會(huì)產(chǎn)生過定位，也能導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲變形.因此采用一夾一頂裝夾方式時(shí)，頂尖應(yīng)采用彈性活頂尖，使細(xì)長(zhǎng)軸受熱后可以自由伸長(zhǎng)，減少其受熱彎曲變形；同時(shí)可在卡爪與細(xì)長(zhǎng)軸之間墊入一個(gè)開口鋼絲圈，以減少卡爪與細(xì)長(zhǎng)軸的軸向接觸長(zhǎng)度，消除安裝時(shí)的過定位，減少?gòu)澢冃?。如圖3所示。

圖3 一夾一頂裝夾的改進(jìn)方式

（2）直接減少細(xì)長(zhǎng)軸受力變形

1）采用跟刀架和中心架

采用一夾一頂?shù)难b夾方式車削細(xì)長(zhǎng)軸，為了減少?gòu)较蚯邢髁?duì)細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的影響，傳統(tǒng)上采用跟刀架和中心架，相當(dāng)于在細(xì)長(zhǎng)軸上增加了一個(gè)支撐，增加了細(xì)長(zhǎng)軸的剛度，可有效地減少?gòu)较蚯邢髁?duì)細(xì)長(zhǎng)軸的影響。

2）采用軸向拉夾法車削細(xì)長(zhǎng)軸

采用跟刀架和中心架，雖然能夠增加工件的剛度，基本消除徑向切削力對(duì)工件的影響。但還不能解決軸向切削力把工件壓彎的問題，特別是對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的細(xì)長(zhǎng)軸，這種彎曲變形更為明顯。因此可以采用軸向拉夾法車削細(xì)長(zhǎng)軸。軸向夾拉車削是指在車削細(xì)長(zhǎng)軸過程中，細(xì)長(zhǎng)軸的一端由卡盤夾緊，另一端由專門設(shè)計(jì)的夾拉頭夾緊，夾拉頭給細(xì)長(zhǎng)軸施加軸向拉力，如圖4所示。

圖4 軸向夾拉車削及受力情況

在車削過程中，細(xì)長(zhǎng)軸始終受到軸向拉力，解決了軸向切削力把細(xì)長(zhǎng)軸壓彎的問題。同時(shí)在軸向拉力的作用下，會(huì)使細(xì)長(zhǎng)軸由于徑向切削力引起的彎曲變形程度減??；補(bǔ)償了因切削熱而產(chǎn)生的軸向伸長(zhǎng)量，提高了細(xì)長(zhǎng)軸的剛性和加工精度。

3）采用反向切削法車削細(xì)長(zhǎng)軸

反向切削法是指在細(xì)長(zhǎng)軸的車削過程中，車刀由主軸卡盤向尾架方向進(jìn)給，如圖5所示。

圖5 反向切削法加工及受力分析

這樣在加工過程中產(chǎn)生的軸向切削力使細(xì)長(zhǎng)軸受拉，消除了軸向切削力引起的彎曲變形。同時(shí)，采用彈性的尾架頂尖，可以有效地補(bǔ)償?shù)毒咧廖布芤欢蔚墓ぜ氖軌鹤冃魏蜔嵘扉L(zhǎng)量，避免工件的壓彎變形。

采用雙刀車削細(xì)長(zhǎng)軸改裝車床中滑板，增加后刀架，采用前后兩把車刀同時(shí)進(jìn)行車削，如圖6所示。

圖6 雙刀加工及受力分析

兩把車刀，徑向相對(duì)，前車刀正裝，后車刀反裝。兩把車刀車削時(shí)產(chǎn)生的徑向切削力相互抵消。工件受力變形和振動(dòng)小，加工精度高，適用于批量生產(chǎn)。

4）采用磁力切削法車削細(xì)長(zhǎng)軸

磁力切削法的原理與反向切削法原理基本相同。在車削過程中，細(xì)長(zhǎng)軸由于受到磁力拉伸的作用，可以減少細(xì)長(zhǎng)軸加工時(shí)的彎曲變形，提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度。

（3）合理地控制切削用量

切削用量選擇的是否合理，對(duì)切削過程中產(chǎn)生的切削力的大小、切削熱的多少是不同的。因此對(duì)車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)引起的變形也是不同的。

1）切削深度(t)

在工藝系統(tǒng)剛度確定的前提下，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。因此在車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，應(yīng)盡量減少切削深度。

2）進(jìn)給量(f)

進(jìn)給量增大會(huì)使切削厚度增加，切削力增大。但切削力不是按正比增大，因此細(xì)長(zhǎng)軸的受力變形系數(shù)有所下降.如果從提高切削效率的角度來看，增大進(jìn)給量比增大切削深度有利。

3）切削速度(v)

提高切削速度有利于降低切削力。這是因?yàn)?，隨著切削速度的增大，切削溫度提高，刀具與工件之間的摩擦力減小，細(xì)長(zhǎng)軸的受力變形減小。但切削速度過高容易使細(xì)長(zhǎng)軸在離心力作用下出現(xiàn)彎曲，破壞切削過程的平穩(wěn)性，所以切削速度應(yīng)控制在一定范圍。對(duì)長(zhǎng)徑比較大的工件，切削速度要適當(dāng)降低。

（4）選擇合理的刀具角度

為了減小車削細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生的彎曲變形，要求車削時(shí)產(chǎn)生的切削力越小越好，而在刀具的幾何角度中，前角、主偏角和刃傾角對(duì)切削力的影響最大。

1）前角(γ)

前角(γ) 其大小直接著影響切削力、切削溫度和切削功率.增大前角，可以使被切削金屬層的塑性變形程度減小，切削力明顯減小。增大前角可以降低切削力，所以在細(xì)長(zhǎng)軸車削中，在保證車刀有足夠強(qiáng)度前提下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γ=13°～17°。

2）主偏角(kr)

主偏角(kr) 其大小影響著3個(gè)切削分力的大小和比例關(guān)系。隨著主偏角的增大，徑向切削力明顯減小，切向切削力在60°～90°時(shí)卻有所增大。在60°～75°范圍內(nèi)，3個(gè)切削分力的比例關(guān)系比較合理。在車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，一般采用大于60°的主偏角。

3）刃傾角(λs)

刃傾角(λs)傾角影響著車削過程中切屑的流向、刀尖的強(qiáng)度及3個(gè)切削分力的比例關(guān)系。隨著刃傾角的增大，徑向切削力明顯減小，但軸向切削力和切向切削力卻有所增大。刃傾角在-10°～+10°范圍內(nèi)，3個(gè)切削分力的比例關(guān)系比較合理。在車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，常采用正刃傾角0°～+10°，以使切屑流向待加工表面。

03

結(jié)論

由于細(xì)長(zhǎng)軸剛性差，車削時(shí)產(chǎn)生的受力、受熱變形較大，很難保證細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量要求。通過采用合適的裝夾方式和先進(jìn)的加工方法，選擇合理的刀具角度和切削用量等措施，可以保證細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量要求。

審核編輯 ：李倩