周兆華

摘 要：該文針對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸在車(chē)削加工時(shí)由于工件彎曲變形而影響工件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度問(wèn)題。找出引起細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的因素：工件自身剛性差、工件內(nèi)部殘余應(yīng)力、切削力及切削熱。通過(guò)分析不同裝夾方式對(duì)工件剛性的影響、殘余內(nèi)應(yīng)力的影響、刀具參數(shù)和切削用量對(duì)切削力和切削熱的影響，提出通過(guò)選擇合適裝夾方式、時(shí)效處理消除內(nèi)應(yīng)力、選擇合理刀具參數(shù)及控制切削用量，同時(shí)在加工時(shí)使用切削液以降低切削熱等方法來(lái)提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：細(xì)長(zhǎng)軸 彎曲變形 殘余內(nèi)應(yīng)力 切削力 切削熱

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

機(jī)械加工中工件的長(zhǎng)度和直徑比值>7時(shí)，稱(chēng)為長(zhǎng)軸，當(dāng)工件的長(zhǎng)度和直徑之比≥20時(shí)，稱(chēng)為細(xì)長(zhǎng)軸。細(xì)長(zhǎng)軸在加工過(guò)程中由于其自身剛性差，抗彎力弱，在切削力、殘余內(nèi)應(yīng)力及切削熱的作用下易出現(xiàn)彎曲變形，從而影響刀具和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，使加工出的工件中間粗，兩端細(xì)，嚴(yán)重影響工件的尺寸公差。同時(shí)由于工件的彎曲變形而引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)，使加工出的工件易出現(xiàn)振刀紋，影響工件的形位公差及表面粗糙度。因此，有效控制細(xì)長(zhǎng)軸在加工過(guò)程中的彎曲變形是提高加工質(zhì)量的有效途徑。

1引起細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的因素

（1）工件剛性差，由于自重在車(chē)削加工時(shí)易發(fā)生彎曲變形；

（2）工件的材料組織結(jié)構(gòu)和熱處理產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致工件彎曲變形；

（3）切削力和切削熱使工件在車(chē)削加工時(shí)易發(fā)生彎曲變形。

2 提高細(xì)長(zhǎng)軸加工質(zhì)量的加工方法

影響細(xì)長(zhǎng)軸加工質(zhì)量的主要原因是在加工過(guò)程中工件彎曲變形。從前面的分析可知引起工件變形的主要原因?yàn)椋汗ぜ陨韯傂圆睢堄鄡?nèi)應(yīng)力、切削力及切削熱。下面就逐個(gè)分析解決上述問(wèn)題，以提高工件加工質(zhì)量。

2.1 選擇合適的裝夾方式

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸由于剛性差引起的變形可通過(guò)合適的裝夾方式解決，常規(guī)的裝夾方式有：雙頂裝夾，一夾一頂裝夾，采用這兩種裝夾方式加工時(shí)可使用中心架及跟刀架增加支撐點(diǎn)，增加軸的剛性。

雙頂裝夾 即用雙頂尖頂工件兩端中心孔，對(duì)工件進(jìn)行加工。外圓在一次裝夾中完成加工，能很好的保證工件的同軸度。但其剛性差，細(xì)長(zhǎng)軸變形較大，而且容易產(chǎn)生振動(dòng)，因此該方式較適宜長(zhǎng)徑比不大，加工余量較小，同軸度要求較高的工件。采用此方式裝夾時(shí)，中心孔是主要定位基準(zhǔn)，兩端中心孔應(yīng)保證同軸度、角度、表面粗糙度要求，必要時(shí)對(duì)中心孔進(jìn)行研磨。

一夾一頂裝夾 即床頭端用三爪或四爪卡盤(pán)加緊工件一端外圓，尾座端用頂尖頂工件另一端中心孔，該裝夾方式中，如果頂尖頂?shù)奶o，除了可能將工件頂彎，還將阻礙車(chē)削時(shí)由于工件受熱伸長(zhǎng)，導(dǎo)致工件受到軸向擠壓而產(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(guò)定位，也將導(dǎo)致工件產(chǎn)生彎曲變形，為了減少采用該裝夾方式引起的工件彎曲變形，可在尾座端使用彈性活頂尖，使工件受熱后可以自由伸長(zhǎng)，同時(shí)可在卡爪和工件之間墊入開(kāi)口鋼絲以減少卡爪與工件的軸向接觸長(zhǎng)度，消除裝夾時(shí)的過(guò)定位。

以上兩種裝夾方式均是工件的兩端為支撐點(diǎn)，中間部分懸空，由于工件本身剛性差，在切削力和工件自身重力的作用下，在加工過(guò)程中可能發(fā)生彎曲變形，從而引起振動(dòng)，影響工件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度。為了改變這一狀況，可在細(xì)長(zhǎng)軸中間增加支撐點(diǎn)，通常采用中心架或跟刀架來(lái)增加支撐點(diǎn)，當(dāng)工件可以分段切削時(shí)，中心架支撐在工件中間，對(duì)工件進(jìn)行分段加工；對(duì)于不易調(diào)頭車(chē)削的工件，不能使用中心架支撐，而要用跟刀架支撐工件進(jìn)行車(chē)削。

2.2減少殘余應(yīng)力

工件在加工過(guò)程中，由于原材料自身組織結(jié)構(gòu)、熱處理、機(jī)械加工等因素的影響，工件中存在一定的內(nèi)應(yīng)力，在后續(xù)的加工過(guò)程中會(huì)由于內(nèi)應(yīng)力的釋放引起工件的變形，從而影響工件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度，特別是細(xì)長(zhǎng)軸在加工過(guò)程中由于工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響，工件更容易發(fā)生彎曲變形。為了改變這一狀態(tài)，細(xì)長(zhǎng)軸在熱處理后的加工時(shí)一定要分半精加工和精加工，以便內(nèi)應(yīng)力釋放，同時(shí)還可以在半精加工和精加工之間安排無(wú)損檢測(cè)，以檢測(cè)熱處理可能出現(xiàn)的缺陷，防患于未然。對(duì)于部分工件由于內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，無(wú)法通過(guò)分半精加工和精加工釋放內(nèi)應(yīng)力，此時(shí)要通過(guò)去應(yīng)力時(shí)效消除殘余應(yīng)力，以方便后續(xù)的加工。

2.3有效控制切削力和切削熱

切削力和切削熱在加工過(guò)程中隨刀具參數(shù)和切削用量的變化而變化，切削熱的變化還和工件自身的散熱性有關(guān)系，但對(duì)于已確定的工件，工件自身的散熱性已確定，只能從刀具參數(shù)及切削用量等因素改變，并且配合使用切削液。

（1）選擇合理的刀具參數(shù)。

為了減少車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)產(chǎn)生的彎曲變形，要求車(chē)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、刃傾角對(duì)切削力的影響最大。

前角（γ0） 前角大小直接影響切削區(qū)的變形、切削力、溫度、功率消耗等。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，增大前角可降低切削功率，降低溫度，減小切削熱。當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性差時(shí)，前角應(yīng)大些。因此在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，在保證車(chē)刀有足夠強(qiáng)度的前期下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γ0=15°～30°。

主偏角（Kr） 主偏角大小影響著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Kr=60°～90°時(shí)卻又所增大。在Kr=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(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，一般采用Kr≥60°。

刃傾角（λs） 刃傾角影響著車(chē)削過(guò)程中切削的流向、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，徑向切削分力明顯減小，但軸向切削力和切向切削力卻有所增大，λs=﹣10°～10°時(shí)，3個(gè)切削分力的比例關(guān)系比較合理，在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，常采用λs=3°～10°，以使切削流向待加工表面。

除以上要求的刀具參數(shù)外，還應(yīng)降低切削刃表面粗糙度值，刀刃保持鋒利；車(chē)刀前應(yīng)磨有R1.5～3 mm的斷屑槽，使鐵屑彎曲折斷；不磨或磨的很小的刀尖圓弧過(guò)渡刃和倒棱，保持刀尖的鋒利，減小徑向切削力。

（2）合理控制切削用量。

切削用量的選擇是否合理，對(duì)切削過(guò)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(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)引起的變形也是不同的，所以車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸切削用量的選擇原則是：盡可能減少?gòu)较蚯邢鞣至?，減少切削熱。

切削深度（ap） 切削深度增加，主切削力將會(huì)增加，使得工藝系統(tǒng)容易變形，振動(dòng)大，工件的加工精度下降，粗糙度增大。結(jié)合細(xì)長(zhǎng)軸本身剛性差的特點(diǎn)，在細(xì)長(zhǎng)軸加工時(shí)盡量減少切削深度。

進(jìn)給量（f） 進(jìn)給量增加會(huì)使切削層厚度增加，切削面積增加，主切削力、摩擦力增加，進(jìn)而引起切削力增加，但切削力不是按比例增加的，如果從提高切削效率的角度看，增大進(jìn)給量比增減切削深度有利

切削速度（v） 提高切削速度有利于降低切削力。這是因?yàn)椋S著切削速度的增加，切削溫度增加，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(guò)高時(shí)細(xì)長(zhǎng)軸在離心力作用下容易發(fā)生彎曲變形，破壞切削過(guò)程的平穩(wěn)性，所以切削速度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，對(duì)長(zhǎng)徑比較大的工件，切削速度要適當(dāng)降低。

通過(guò)前面的分析可知，通過(guò)合理選擇刀具參數(shù)和切削用量可以降低切削力和切削熱，從而有效控制工件的加工質(zhì)量。同時(shí)在切削過(guò)程中還應(yīng)使用切削液，切削液可降低切削溫度，減小摩擦，提高刀具的耐用度，減小工件、刀具的熱膨脹，提高加工精度。

3 結(jié)語(yǔ)

細(xì)長(zhǎng)軸加工是機(jī)械加工中較常見(jiàn)的一種加工方式，在加工過(guò)程中由于工件自重、殘余內(nèi)應(yīng)力、切削力、熱變形等因素影響，使其加工質(zhì)量不易保證，但在加工過(guò)程中可根據(jù)工件的具體狀況選擇合適的裝夾方式、合理的刀具參數(shù)、切削用量及先進(jìn)的加工方法，以提高工件的加工質(zhì)量。

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