论文：细长轴的加工技术方法

车工技师论文车工职业文章文章类型： 技师论文 文章题目：细长轴的加工技术方法姓 名： 杨强 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11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2025(即L/d2025)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 式中：1为材料的线膨胀系数；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，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。 （3）切削速度(v) 提高切削速度有利于降低切削力。这是因为，随着切削速度的增大，切削温度提高，刀具与工件之间的摩擦力减小，细长轴的受力变形减小。但切削速度过高容易使细长轴在离心力作用下出现弯曲，破坏切削过程的平稳性，所以切削速度应控制在一定范围。对长径比较大的工件，切削速度要适当降低。8、选择合理的刀具角度选择合理的刀具角度是为了减小车削细长轴产生的弯曲变形，要求车削时产生的切削力越小越好，而在刀具的几何角度中，前角、主偏角和刃倾角对切削力的影响最大。细长轴车刀必须保证如下要求：切削力小，减少径向分力，切削温度低，刀刃锋利，排屑流畅，刀具寿命长。从车削钢料时得知：当前角0增加10，径向分力Fr可以减少30%；主偏角Kr增大10，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（见图3-5）。图3-5刀具切削几何角度（1）前角(0) 其大小直接着影响切削力、切削温度和切削功率，增大前角。可以使被切削金属层的塑性变形程度减小，切削力明显减小。增大前角可以降低切削力，所以在细长轴车削中，在保证车刀有足够强度前提下，尽量使刀具的前角增大，前角一般取0=150 。车刀前刀面应磨有断屑槽，屑槽宽B=3.54mm，配磨 br1=0.10.15mm，01=-25的负倒棱，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。（2）主偏角(kr) 车刀主偏角Kr是影响径向力的主要因素，其大小影响着3个切削分力的大小和比例关系。随着主偏角的增大，径向切削力明显减小，在不影响刀具强度的情况下应尽量增大主偏角。主偏角Kr=90（装刀时装成8588），配磨副偏角Kr=8100 。刀尖圆弧半径S=0.150.2mm，有利于减少径向分力。（3）刃倾角(s)倾角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，径向切削力明显减小，但轴向切削力和切向切削力却有所增大。刃倾角在-10+10范围内，3个切削分力的比例关系比较合理。在车削细长轴时，常采用正刃倾角+3+10，以使切屑流向待加工表面。（4）后角较小a0=a01=460 ，起防振作用。通过上述措施，车削细长轴时，只要做到采用合理的装夹方法和加工方法，正确选择刀具的几何角度及切削用量，恰当的冷却润滑，就可以保证细长轴的加工精度，避免返修，报废情况的发生，提高工作效率，节约生产成本。四、参考文献1 陈日曜.金属切削原理（第二版）北京：机械工业出版社1995.2 杨授时.中级车工技术北京：机械工业出版社.1999.3 余新旸.机械制造基础北京：北京大学出版社.2008.4 郁鼎文.现代制造技术北京：清华大学出版社.2006.5 彭云峰，郭隐彪.车削加工工艺及应用北京：国防工业出版社.2010.6 赵志修.机械制造工艺学北京：.机械工业出版社，1985.7 顾崇衔.机械制造力学分析北京：机械设计与制造,2004.